雷云
中信建筑设计研究总院有限公司
摘要：本文针对太阳能光伏发电系统的常规要求，提出了一种实用的太阳能光伏发电系统的主电路、控制电路方案，并设计了相关的硬件电路原理图。
关键词：最大功率跟踪；电导增量法；Boost变换器；太阳能光伏发电系统
一 引言
本文设计的太阳能光伏发电系统的基本输出参数为：单相AC220V、50Hz，输出功率为3kVA。
系统的结构框图如图1.1所示。光伏电池96V～128V直流经过DC－DC升压变换器，升压得到400V的直流电压，再经过DC－AC逆变器，可输出220V、50Hz的正弦电压。
根据系统的输入输出的特点，整个系统分为两级，前级的DC－DC升压变换器和后级的DC－AC逆变器，从而避免了工频变压器的使用，缩小了装置的体积。此外本文所设计的太阳能光伏发电系统可以将电能直接输送到交流电网系统中，这样可降低蓄电池的费用。
DC－DC变换器的功能主要是将光伏阵列的输出直流升压成400V直流电，并实现最大功率跟踪。因此，DC－DC变换器的拓扑结构采用Boost电路，采用电导增量法，使光伏阵列工作在最大功率点。
DC－AC逆变器的功能主要是将直流电转换成220V、50Hz的正弦交流电压，并维持DClink的电压为400V。DC－AC逆变器的拓扑结构采用全桥式逆变器，控制方法选用平均电流控制。
图1.1 太阳能光伏发电系统结构框图
二 太阳能光伏发电系统的设计与控制技术研究
1 电导增量法（导纳微分法）
（1）电导增量法
电导增量法在光伏发电系统中广泛使用，它通过比较光伏电池阵列的检测变量的增量和瞬时电导值跟踪最大功率点。电导值的增量通过测量光伏电池阵列的输出电压、电流的变化量来确定。
dP/dV的值是与输出电压值一一对应的：
●当dP/dV=0（≈0），在最大功率点处或在非常接近最大功率点处（电压应该保持不变）。由于d I和d V不是精确计算的结果，因此在实际中可以认为dP/dV＝ e（e ≈ 0）时系统就工作在最大功率点。
●当dP/dV>0，在最大功率点左边（应该增加电压）。
●当dP/dV<0，在最大功率点右边（应该减小电压）。
通过测量和计算I/V和dI/dV的值就可以通过上边的关系判断出太阳能输出电压与实际最大功率点输出电压的关系。具体的实现方法如下：
V（k）、I（k）为阵列当前电压、电流值；V（k－1）、I（k－1）为阵列上一周期电压、电流值；Vref为Boost电路开关占空比的参考电压值；△V为单个采样周期的电压增量。
因为dP/dV=d（IV）/dV=I+VdI/dV，所以通过判断I/V+dI/dV即G+dG的符号，就可以确定工作点在曲线的左、右哪侧的位置，从而对电压Vref进行相应的调节。
● 若dV＝0（表示系统在上一周期已经工作在最大功率点）：
若dI＝0，电压Vref保持不变；若dI>0，增加Vref；若dI<0，减小Vref；
● 若dV≠0：
若dI/dV＝－I/V，阵列已工作在最大功率点，无须再调节电压Vref；若dI/dV>－I/V，增加Vref；若dI/dV<－I/V，减小Vref。
（2）改进的电导增量法
针对电导增量法存在固定步长的缺点，采用变步长的寻优策略。
期望的目标是：
●当离最大功率点较远时（即恒流源区），步长较大，寻优速度加快；
●当接近最大功率点时（即恒压源区），步长较小，逐渐地逼近最大功率点；
●当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作。
步骤如下：首先，通过检测电压变化时的电流变化率，判断出太阳能光伏阵列所在的工作区域（在恒流源区域，电流变化率很小；在恒压源区域，电流变化率很大）；然后，根据工作区域的不同可以设定不同的步长，在恒流源区域步长加大，在恒压源区域步长减小；最后，利用电导增量法判断系统是否已经工作在最大功率点附近，如已经在最大功率点附近，就让系统稳定在那里工作。
具体操作如下：
●当电流变化率＜7％时，光伏阵列工作于恒流源区：
图2.2 DC－AC控制原理框图
DC—AC控制部分主要跟踪Dclink的输出电压。Dclink的参考电压与Dclink的检测电压比较后再经过PI调节，将得到的电流指令 与正弦表值相乘，就得到交变的输出电流指令Iref。再将它与实际采集到的输出电流值比较后，其误差ΔI经过比例环节P的调节再与采集到的交流侧电压 相加。所得到的波形再与三角波比较，最后用于产生了四路PWM调制信号。因为正弦表值是根据网压的同步信号产生的，因此可以使电流信号与网压同步。通过电压外环和电流内环的电流型SPWM控制，最终可以实现网侧电流正弦化且为单位功率因数输出。
三 总 结
针对太阳能光伏发电系统的常规要求，提出了一种实用的太阳能光伏发电系统的主电路、控制电路方案，并设计了相关的硬件电路原理图。所设计的系统由DC－DC和DC－AC两部分组成，并通过Dclink相连接。DC－DC部分的拓扑结构采用Boost电路，选取电导增量法作为最大功率跟踪算法。DC－AC部分的拓扑结构采用全桥式逆变器，控制方法采用平均电流控制。
参考文献：
[1]陈坚.电力电子学——电力电子变换与控制技术.北京：高等教育出版社，2002
[2]马兴义等.MATLAB 6应用开发指南.北京：机械工业出版社，2002
论文作者:雷云
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/29
标签：电压论文; 步长论文; 电导论文; 光伏论文; 系统论文; 电流论文; 增量论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;