摘要：对太阳能电池的工作原理及工作特性进行介绍，分析最大功率点跟踪的原理，并设计了基于SPWM的电压/电流型并网逆变器控制的控制系统数学模型。
关键词：并网逆变器；光伏；最大功率点跟踪（MPPT）
1 太阳能电池的工作原理及基本特性
1.1 太阳能电池的等效电路及数学模型
为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。图为太阳能电池的等效电路。图中，Iph表示光生电流；Id表示通过二极管的电流；Rsh表示并联电阻；Rs表示串联电阻；R表示负荷电阻；I表示负荷电流；V表示负荷电压。
式中，Iph是光生电流；I0是二极管反向饱和电流（一般对于光伏单元而言，其数量级为10-4A）；q是电子电荷，为1.6×10-19；V是输出电压；α是P-N结的理想因子，当温度T=300 K时，取值2.8；K是波耳兹曼常数，为1.38×10-23 J/K；T是绝对温度；Rs是串联电阻（为低阻值，小于1 Ω）；Rsh是并联电阻（为高阻值，数量级为kΩ）。
1.2 太阳能电池的I-V输出特性
太阳能电池阵列的I-V特性是系统分析最重要的技术数据之一，图表明它具有强烈的非线性性质，由图可看出最大功率Pm与电压、电流的关系。
2 最大功率点跟踪的原理
在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能电池的转换效率，使其输出功率为最大值。然而，太阳能光伏电池的I-V特性具有非线性，并且它随着外界环境（温度、日照强度）的变化而变化，所以不好控制。但是，在某一特定的温度或日照强度总存在着一个最大功率点，因此，对于最大功率点跟踪的研究是至关重要的。最大功率点跟踪的过程实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。图为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加；当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。
3 光伏并网逆变器的最大功率控制方法
采用最佳的MPPT控制方法，不仅要通过比较得到各种方法的优劣，还需要根据实际应用场合选取适合光伏系统拓扑以及负载特性的最优算法。假设系统采用两级并网逆变器，MPPT在前级变换中实现，并网控制等其他控制要求在后面的变换中实现，从而降低了控制的复杂程度，也增加了各级控制的精度。
DC-DC控制部分主要完成最大功率点跟踪，经过MPPT控制得到参考电压与太阳能电池输出的实际电压相比较，其误差经过PI调节后用于产生PWM驱动波形，从而驱动电路中开关器件的导通、关断。DC-AC控制部分主要完成稳定Dclink母线电压和控制输出与电网电压同频同相的正弦电流两部分。Dclink检测电压闭环回路只有在Dclink的电压超过其上限电压设定值时才起作用，其目的是防止Dclink的电压过高而损坏主电路的器件。
3.1光伏并网逆变器控制策略的研究
目前广泛应用于太阳能并网发电系统中的方案是：首先将太阳光能转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制（SPWM）全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将太阳能回馈给交流电网。在整个系统最主要的环节（逆变器）中，采用的就是SPWM逆变技术。为了减少并网装置在并网工作时产生的冲击，根据电力系统准周期并列的条件，并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下3个条件：①并网逆变器的输出电压
和市电电压接近相等，一般压差应在10%以内；②并网逆变器输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.4 Hz；③并网逆变器输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过10度。
因此，控制系统需要完成以下任务：①采集直流、交流电压和电流等模拟量用于监控和控制；②向功率器件驱动板提供脉宽和频率可实时改变的SPWM信号；③检测电网电压的频率和相位实现数字锁相；④接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护功能。
3.2基于SPWM的电压/电流型并网逆变器控制的控制系统数学模型
单相光伏并网系统的主电路拓扑结构为一个H桥，如图所示，通过功率器件的换相，直流能量转换成适合于馈入电网的交流能量，由于电网反映电压源的特性，因此，馈入电网的能量应以电流源的形式出现。通过交流侧电感的滤波作用，逆变桥输出的SPWM电压波形转换成适合于馈入电网的正弦波电流。桥路功率开关器件的通断由以DSP芯片为核心的弱电控制主板产生的SPWM波控制。
L为逆变器滤波电感；RL为电感及交流进线的等效电阻；a为反馈系数。
结论
在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能电池的转换效率，使其输出功率为最大效率。
论文作者:苗瑞军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
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