【文章內(nèi)容簡介】 dPdU=I+UdIdU (43)當(dāng)dP / dU =0時，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大。則可以推導(dǎo)出工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)時需滿足 dIdU=IU (44)由以上推到可得出，使用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤時判據(jù)如下： ?I?UIU 最大功率點(diǎn)左邊 ?I?U=IU 最大功率點(diǎn) (45) ?I?UIU 最大功率點(diǎn)右邊，其中?U為每次系統(tǒng)調(diào)整工作點(diǎn)時固定的電壓該變量（步長），Uref為下一點(diǎn)電壓。通過計(jì)算出?U之后，對其是否為零進(jìn)行判斷。其中左分支與上述分析相符合，右分支主要是為抑制當(dāng)外部輻射度發(fā)生突變時的誤判而設(shè)置的。輸入U(k)I(k)ΔI=I(k)I(k1)ΔU=U(k)U(k1)ΔU=0? Y ΔI=0?ΔI/ΔU=I/U NY Y N NΔI0?ΔI/ΔUI/UY Y N N N Uref= Uref+ΔU*Uref= Uref+ΔU*Uref= UrefΔU*Uref= UrefΔU* I(k1)=I(k)U(k1)=U(k)返回 電導(dǎo)增量法流程圖電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是MPPT的控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，與光伏電池的特性及參數(shù)無關(guān)。缺點(diǎn)就在于其步長固定，追蹤時間難以控制?；谏衔奶岬降碾妼?dǎo)增量法的缺點(diǎn)，為了提高電導(dǎo)增量法進(jìn)行大功率跟蹤時的快速性和準(zhǔn)確性，我們采用變步長改進(jìn)電導(dǎo)增量法。下面簡單介紹兩種變步長的電導(dǎo)增量法。其一是基于光伏電池PU特性曲線的變步長電導(dǎo)增量法。在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的時候，步長可以適當(dāng)增大，這樣可以提高M(jìn)PPT的追蹤速度；而到了最大功率附近區(qū)域時，跟蹤的步長可以適當(dāng)?shù)臏p小，這樣可以提高M(jìn)PPT的準(zhǔn)確度[1]。其二是基于光伏電池UI特性曲線的變步長電導(dǎo)增量法的基本思路。由光伏電池UI曲線可得出，類似恒流源和恒源的區(qū)域范圍的比例較大，采用電導(dǎo)增量法時，在恒流源的區(qū)域里可加大步長，在恒壓源的區(qū)域里適當(dāng)?shù)臏p小步長，最后利用電導(dǎo)增量法判據(jù)判斷是否已經(jīng)到達(dá)最大功率點(diǎn)處，若滿足判據(jù)，則停止擾動。需要設(shè)MPPT的步長step=AdPdV, 使得步長隨輸出電壓與最大功率點(diǎn)處電壓距離的大小而變化。開始返回d=d0+stepd=d0stepd=d0dIdVI/VdIdV=I/Vstep=AdPdV輸入值U1, U2, I1 ,I2 計(jì)算stepN YN YN 改進(jìn)后的梯度變步長流程圖 最大功率控制技術(shù)仿真最大功率控制技術(shù)模型包括光伏陣列模型、MPPT模型、PWM脈寬調(diào)制模型、DCDC變換器模型，光伏陣列模型在上章中已經(jīng)學(xué)習(xí)過，接下來我們介紹下其它幾種模型。MPPT模型中我們主要介紹電導(dǎo)增量法的仿真模型， PWM脈寬調(diào)制模型是基于MPPT模塊的輸出信號作為后級DCDC電路開關(guān)器件的驅(qū)動信號，Repeating Sequence輸出的三角波作為載波，與MPPT模塊的輸出信號作比較后，作為Switch的輸入信號，Switch的輸出PWM信號驅(qū)動DCDC電路。其中，三角載波的頻率決定PWM頻率。 PWM脈寬調(diào)制仿真模塊DCDC變換器模型是通過調(diào)整DCDC中功率開關(guān)管控制信號的占空比，來獲取光伏系統(tǒng)工作輸出的最大功率點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MPPT控制。Boost電路是升壓變換器，使得光伏陣列的配置比較靈活，再通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢允?Boost電路的輸入電壓波動較小，提高系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的精度。還有就是Boost電路在結(jié)構(gòu)上與網(wǎng)側(cè)逆變器下橋臂的功率管共同接地，驅(qū)動也相對比較簡單。 Boost變換器結(jié)構(gòu)圖 Boost仿真模型圖根據(jù)以上子模塊的仿真模型，建立光伏電池的最大功率控制仿真模型， MPPT控制仿真模型圖在上圖整個仿真模型中包含了PV模塊、MPPT模塊、PWM模塊和DC/DC變換器模塊。PV模塊的輸入是環(huán)境溫度T和光照R，輸出接口接的Boost變換器。而MPPT模塊是在不停的檢測光伏陣列的電壓V和電流I，通過MPPT計(jì)算方法計(jì)算出輸出給定電壓值Vref 。 PWM模塊的作用就是將給定電壓值Vref和三角波信號進(jìn)行比較，輸出控制開關(guān)管的PWM信號波，改變光伏陣列工作電壓，從而使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近。當(dāng)輻照強(qiáng)度為1KW/m2,環(huán)境溫度為25℃時，：（1） 光伏陣列輸出電壓和電流的波形 （1）光伏陣列的輸出電壓 （2）光伏陣列的輸出電流（3）Boost變換器輸出電壓 （4）系統(tǒng)輸入，輸出功率比較 最大功率跟蹤仿真結(jié)果圖 為使得仿真結(jié)果便于分析，仿真中光伏電池的參數(shù)設(shè)置如下:短路電流8. 58A，開路電壓22V，峰值電流7. 94A，峰值電壓17. 7V，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為140W。仿真圖中系統(tǒng)輸入功率和輸出功率分別表示光伏陣列的輸出功率和負(fù)載上的功率。由圖中可以看出系統(tǒng)大約在0. 04s時達(dá)到最大功率穩(wěn)定點(diǎn)。圖中的光伏電池輸出電壓(17. 19V)、電流(7. 87A)，且均在廠家給出參數(shù)的波動范圍內(nèi)。Boost變換器輸出電壓約40. 75V，與17. 19V相比，升壓后大約放大2. 4倍。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要與電網(wǎng)相連，控制其逆變電路輸出穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波交流電，是控制的最終目的。控制方面比較復(fù)雜，如最大功率點(diǎn)跟蹤控制，逆變器并聯(lián)控制，孤島效應(yīng)等。本節(jié)內(nèi)容將一一介紹。并網(wǎng)逆變器是光伏系統(tǒng)中能量和轉(zhuǎn)換的核心部分。以單相的工頻光伏并網(wǎng)逆變器為例。 單相并網(wǎng)逆變器其中R為等效電阻，L為濾波電感，UPV為光伏電池輸出的直流電壓，U1是逆變器輸出的高頻SPWM 波，經(jīng)過濾波后，饋入電網(wǎng)，U2為電網(wǎng)電壓。首先建立逆變器的數(shù)學(xué)模型，借此研究和分析其控制系統(tǒng)。由等效電路模型可得出： U1=LdIdt+ir+U2 (46)則由上面的方程式可得出輸出側(cè)電壓的矢量圖， 上式方程式經(jīng)過拉普拉斯變換，得到 IS=1sL+r[U1SU2(S)] (47) 即可得出控制傳遞函數(shù) G1(s)=1sL+r (48)忽略死區(qū)時間、功率器件等非線性因素的影響時，逆變橋路和SPWM脈寬調(diào)制器可視為一階慣性環(huán)節(jié)，即 G2(s)=KTs+1 (49)其中K是逆變器增益，T為逆變器開關(guān)周期。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，Ts+1≈1,上式可簡化為 G2(s)=K (410) 由上可得出開環(huán)傳遞函數(shù)為 GS=G1SG2S=KsL+r=krLRS+1 (411) 通常并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式有電壓控制模式和電流控制模式，電壓控制模式中，逆變器的阻抗較低，且并網(wǎng)電流完全取決于電網(wǎng)電壓，屬于間接控制。而在電流控制模式中，受控量是輸出電流，而且輸出地電流質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，因此在實(shí)際應(yīng)用中，電流控制模式受到了大家的青睞。 在較多的電流控制策略中，PI控制算法簡單，開關(guān)頻率固定，可靠性高，是目前最常采用的方法之一。在中小功率單相并網(wǎng)逆變器中，常采用較為簡單的雙環(huán)控制策略。一方面要控制并網(wǎng)的電流大小要跟隨基準(zhǔn)電流給定，一方面要跟蹤試點(diǎn)相位。并網(wǎng)電流的幅值基準(zhǔn)Imppt乘以由鎖相環(huán)控制得到得電網(wǎng)Uac相位校準(zhǔn)信號后，作為并網(wǎng)電流基準(zhǔn)給定Iref，再通過電流環(huán)控制，使得并網(wǎng)電流跟隨Iref，最后生成SPMW驅(qū)動開關(guān)管。 電流環(huán)的分析建模電流環(huán)的控制目的就是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的大小跟隨基準(zhǔn)給定。在控制過程當(dāng)中，將實(shí)際并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電流基準(zhǔn)給定做比較得到差值，再通過PI調(diào)節(jié)器處理后得到調(diào)制波，再經(jīng)過三角載波調(diào)制，輸出SPWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大，驅(qū)動功率開關(guān)管工作，產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相的正弦波電流[11]。采用電流PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器來降低其穩(wěn)態(tài)誤差及增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。K1sL+R1+τsTsIS* IS PI G2S G1SH 開環(huán)時，逆變器的傳遞函數(shù) GS=1+τsTsG1S G2SH (412)為了了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以根據(jù)上面推得的小信號模型進(jìn)行模擬分析，以標(biāo)準(zhǔn)光照下的最大功率點(diǎn)為工作點(diǎn)進(jìn)行分析，U2=, L=, R=600mΩ，K=10, H=，因?yàn)槭峭ㄟ^變壓器升壓并網(wǎng)，那么等價于電網(wǎng)電壓U2有效值為9V,IS=11A。由此可畫出波特圖。 開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖由圖可以看出，系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。在控制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)cosθ=1,而且重要的是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相同頻率、相同相位。相位跟蹤一般要靠鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。接下來詳細(xì)的介紹下鎖相環(huán)的原理及其實(shí)現(xiàn)方法。說白了鎖相環(huán)就是一個能夠自動跟蹤相位和輸入頻率的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。它的組成成分有：鑒相器(PD)，環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出信號和輸入信號同頻同相。[12]。壓控振蕩器(VCO)環(huán)路濾波器(LF)鑒相器(PD) Vac Ve Vc Vout鑒相器輸入市電電壓的采樣信號Vac和壓控振蕩器VCO的輸出Vout，鑒相器的輸出誤差信號Ve，該信號為Vac和Vout相位差的線性函數(shù)。低通濾波器濾除Ve中的高頻信號后得到Vc，再由Vc來控制壓控振蕩器來改變輸出信號Vout的頻率和相位來逼進(jìn)Vac的頻率和相位。 鑒相器是一個相位比較裝置，是用來檢測輸入信號相位與反饋信號之間的相位差，輸出的誤差信號是相位差的函數(shù)。常用的正弦鑒相器采用模擬乘法器與低通濾波器的串接作為模型。 環(huán)路濾波器具有低通特性，它可以起到低通濾波器的作用，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起著決定性的作用。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無積比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種。壓控振蕩器是一個電壓一頻率(V/F)變換裝置，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨著輸入電壓線性地變化。鎖相環(huán)和其它常規(guī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的不同之處它的輸入是相位信號，而常規(guī)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的輸入是經(jīng)過電壓或電流傳感器檢測來的電壓、電流信號，另外，由于對相位的檢測往往沒有對頻率或周期檢測方便，而頻率或周期與相位之間又存在一個簡單的積分關(guān)系，因此在實(shí)際應(yīng)用中常常將頻率或周期作為輸入變量。鎖相環(huán)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，具體流程如下： (1)首先采樣電網(wǎng)周期T，以及對應(yīng)頻率f ；(2) 對頻率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)電網(wǎng)電壓此次周期比上次的差低于6，則可以認(rèn)為周期無變化，依然取上次的周期為準(zhǔn)，不調(diào)整，而如果此差值大于6，而且沒有超出孤島保護(hù)的范圍，則改變T的值，也就是取當(dāng)前次的周期為準(zhǔn)；(3)將當(dāng)前的周期值賦給前次的周