光伏并网最大功率跟踪点的应用外文翻译资料

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光伏并网最大功率跟踪点的应用

摘要：本文介绍分析、设计和实现并联连接的最大功率点跟踪（MPPT）系统用于独立光伏发电。MPPT系统的并联连接，减少了功率转换器损耗对整体效率的负面影响，是因为MPPT仅处理所产生的电力的一部分系统所引起的。此外，所有经典控制理论控制算法都可以在运用于MPPT并联系统。提出了一种简单的双向DC-DC功率转换器MPPT实现并呈现电池的功能充电器和升压转换器。此电路的运作特点是所提出分析电路在实际应用中的原型。

关键词：DC-DC电源转换，光伏（PV）电力系统，太阳能。

1. 引论：

随着社会对环境的认识不断提高，全球能源需求的持续增长。化石燃料资源的广泛利用所产生的影响，这一点致使人们对可再生能源的探索，如光伏（PV）技术。虽然光伏能源有在过去的几十年中受到广泛的关注，光伏系统安装成本高，光伏模块转换效率低，这些是大规模使用可替代能源的主要障碍。因此，有几项研究正在开发以最大限度地减少这些缺点[1]-[9]。为了提取光伏阵列的最大功率，在独立系统中的最大功率跟踪点（MPPT）通常是在光伏阵列和负载或储能元件之间由直流-直流转换器之间的串联连接完成。考虑到串联连接，dc-dc转换器始终处理所有发电量，光伏系统的总效率在很大程度上取决于该系列dc-dc的效率转换器。作为此配置的替代方案，本文提出了一个基于并行连接dc-dc转换器的MPPT系统。通过这种配置，只有部分能量由dc-dc转换器处理，与其它系列配置相比，使得光伏系统总效率上有所增加成为了可能。

本文介绍了实验中并联MPPT系统的工作原理，理论分析，设计方法和实验结果。

II．独立光伏系统中的MPPT

A.太阳能电池输出特性

PV模块的最大功率随气候条件而变化，只有一个电流（IMPP）和电压（VMPP），这些定义了最大值功率点（MPP），如图1[1]-[3]所示。PV电流随着太阳辐射水平的变化，而PV的输出电压随PV模块的温度而变化。因此，光伏系统的重大挑战是确保具有动态输出特性与其连接的可变负载的光伏模块获得最大能量。这点可以通过插入一个光伏阵列和负载之间的功率转换器来解决这个问题，通过控制算法动态地改变电路的阻抗。最终可以在任何操作条件下获得最大功率。

图1. 光伏组件的输出特性

B. MPPT的串联连接

MPPT的经典实现方法是在光源和负载之间连接一个dc-dc转换器，如图2所示，它具有两种功能电池充电器和MPPT。

为了从MPPT中获得良好的动态性能，开发了不同的控制算法[4]-[8]。利用从光伏阵列中提取的实际功率数据，这些数据是通过测量光伏阵列中的电压和电流得到的，这些算法的任务是改变转换器工作周期以达到MPP。

实际上，MPPT算法通常通过数字系统完成，这些数字系统由一个微控制器或DSP组成。

如图2所示，直流负载直接由电池组来提供能量。如果需要提供交流负载，需要使用升压DC-DC转换器以增加电池组电压达到所需的直流跳转电平。从直流-交流转换器产生110/220Vac输出电压。因为有几个转换器与此配置串联，其整体效率极大地取决于每个转换器的效率。因此，必须优化每个阶段的效率以避免效率过度下降，这会增加实施成本和光伏组件的数量。

C. MPPT的并联连接

图3显示了基于MPPT并行系统实现独立的光伏发电的备选方案。在[9]中介绍了MPPT电路的并联，这种配置的主要优点是dc-dc转换器仅处理生成的一部分功率，与其它一系列配置相比能够获得更高的效率。基于这个概念，本文提出了一种具有以下多种功能的集成电路：充电电池，电池调节器和升压转换器。当负载电流值等于光伏模块MPP电流值(Immp)时，将出现最佳操作条件，其中电电学转换器不处理电源。

图2. 串联连接的 MPPT 系统

根据直流负载电压水平的不同，直流负载可以与光伏模块('直流负载-1')并行连接与电池组('直流负载-2')平行。但是，光伏模块的电压水平高于电池电压。如果系统还必须提供交流负载，则可以将dc-ac转换器与光伏模块并行连接。如图3所示。在这种情况下，输出变压器可用于产生标称交流电压，或者可以在串联连接中添加额外的光伏模块，以获得产生标称交流电压所需的直流电压水平。可以看出，与其它独立系统相比，在提出的并行独立系统中，消除了光伏组件和输出逆变器之间的两个转换阶段。

图3. 并行连接的 MPPT 系统

这可能意味着该系统的总体效率和可靠性显著提高，这不仅有助于降低所使用的电子系统的费用。另一方面，更多光伏组件的串联将显著减少所产生的能量，并可能在一个或多个光伏组件的阴影缺陷的情况下难以获得MPP。

图4显示了两个光伏组件在两个不同阳光条件下的输出特性。黑色曲线表示在总太阳辐射下工作的模块的输出特性，灰色曲线表示部分太阳辐射下运行的阴影模块的输出特性。图5显示了串联的光伏组件的等效输出特性，其中一个组件与部分太阳辐射一起运行。除了最大功率的降低，经典的MPPT算法可能会造成难以达到MMP由于存在两个功率峰值。图6所示的配置不仅可以产生较高的直流电压，还可以解决光伏模块串联的问题。所提出的并行MPPT电路具有模块化特性，可串联两个或两个以上的电路，获得较高的直流电压。每个MPPT电路都可以提供个性化的MPPT，减少光伏组件的阴影故障的影响，最大限度地提高系统产生的能量。

图4. (灰线) 着色和 (黑线) 图5. 不同太阳辐射的串行连接

未着色光伏组件的输出曲线 光伏组件的输出曲线

图6. 多个并行 MPPT 和 dc-ac 转换器的串联连接

III. MPPT控制器

1. 电源电路操作

为了验证图7所示的拟议并行MPPT系统的运行特性，只考虑了与光伏模块并联的直流负载(图3，'dc负载-1')。它由电池组存储能量、(C)电容器、(L)电感和功率半导体臂(S1minus;D1和S2minus;D2)组成。双向转换器在电池充电模式下作为降压转换器运行，当电池必须提供负载(RL)或负载能量需求高于所产生的能量时，作为升压转换器运行。转换器占空比是由串行连接的MPPT中使用的相同控制算法生成的。对该变频器的运行进行了分析，用于硬开关脉宽调制。但是，必须强调的是，可以通过使用软开关技术[14]，[15]来提高电源电路的效率。

图7. 带有双向 dc-dc 转换器的 MPPT 系统

1)降压操作模式:图8显示降压操作模式期间发生的两个拓扑阶段。电池组电压必须低于光伏模块电压才能正常运行。当产生的能量足以提供负载时，就会使用超过的能量为电池充电。当电源开关S1打开时，电感L存储能量，能量从光伏模块流向电池组。当电源开关S1关闭时，二极管D2会导通，电感L中存储的能量将转移到电池上。开关的命令信号是互补的，因此，在二极管D2的传导过程中，开关S2处于打开状态。

2)升压运行模式：如果MPP产生的能量不足以提供负载，则电力系统将能量作为升压转换器运行，将能量从电池传递到负载。在这种情况下，当开关S2处于打开状态时，电感L存储来自电池的能量，如图9所示。当开关S2关闭时，存储在电感中的能量将转移到负载。图10显示了电源开关的命令信号S1(VCS1)和S2(VCS2)以及电感电流波形(IL)中的降压和升压操作。

图8. 降压操作模式 (a) s1 打开 (b) s1 关闭

图9. 升压操作模式(a) s2 打开 (b) s2 关闭

图10. 电感电流的双向操作

如图7所示，所提出的具有双向电源电路的并行MMPT系统的最大优点是将多个功能集成到一个具有成本效益的转换器中，该转换器结合了简单性、可靠性和低成本的特点。该系统的多重功能如下:电池组充电器，即光伏阵列产生的能量高于负荷消耗;MPPT控制器，是为了从光伏阵列中提取最大的能量;和升压dc-dc转换器，即光伏阵列的能量不足以提供负载时。该控制算法确保了光伏模块在MPP上的运行，实现了MPPT功能。

数字控制系统还观察到电池充电状态，避免了电池过充或过放电，从而延长了电池的使用寿命。

1. 系统运行模式

并行MPPT系统的基本电路可以呈现考虑气候条件和负荷变化的五种操作模式。图11-15介绍了操作模式，为了简化起见，光伏组件由当前源(If)表示。

1)无负载操作(Ic=0)—Mode1(图11):当负载未连接时，电池将使用光伏模块电流(If=Ib，和Ic=0)充电。MPPT算法可确保转换器电流(Ib)等于光伏模块MPP电流(IMPP)。

图11.操作模式1

此外，电池和电容电压(Vb Vc)的总和等于光伏模块MPP电压(VMPP)。该系统作为降压转换器运行为电池充电。

2)负载电流低于MPP电流(Iclt;IMPP)-模式2(图12):如果负载电流值(Ic)低于光伏模块MPP电流(IMPP)，则光伏模块产生的部分能量用于供应负载，则使用另一部分为电池充电。控制算法保持负载电流和转换器电流的总和等于MPP电流(If=IMPP=Ic Ib)。该系统作为降压转换器运行为电池充电。

图12.操作模式2

3)负载电流操作等于MPP电流(Ic=Imp)模式3(图13):当负载电流值(Ic)等于光伏模块MPP电流(Impp)时，由电向电转换器处理的功率为零。在这种情况下，可以认为电力系统的效率接近100%，因为光伏模块的最大功率被传输到负载，而无需由dc-dc转换器进行任何功率处理。

图13.操作模式3

4)负载电流高于MPP电流(Icgt;IMPP)-模式4(图14):如果负载电流值(Ic)高于光伏组件MPP电流(Impp)，则由光伏模块产生的所有能量都提供给负载。补充负载功率所需的额外功率必须由dc-dc转换器提供。控制算法在MPP上保持光伏模块电流(If=Impp=Ic-Ib)。在此运行模式下，电池被放电，直流-直流转换器作为升压转换器运行。

图14.操作模式4

5)无太阳照射的操作(If=0)—模式5(图15):dc-dc转换器在无需太阳照射或在阴影的运行过程中提供负载，。在这种情况下，MPPT算法被禁用，数字电压控制回路调节负载电压。

在此操作模式下，电池被放电，dc-dc转换器作为升压转换器运行，并将电池视为输入源。控制系统还可以验证电池放电状态，并且必须在电池能量水平达到最低点时关闭dc-dc转换器。

图15.操作模式5

1. 控制算法

该系统的控制策略由不同的算法组成，必须控制MPPT过程(操作模式1、2和4)、电池组的充电过程(操作模式1和2)和输出电压调节(操作模式5)。

1)MPPT算法:对光伏电压和电流进行监测，光伏功率可以像串联系统中那样进行控制。文献[4]-[8]中介绍了几种不同性能的控制算法，并对不同MPPT算法的能量效率进行了分析。在并行连接的MPPT系统中，不同操作模式之间的转换必须在负载不连续的情况下进行。MPPT算法的收敛时间通常对串联连接系统并不重要，因为气候转换发生时常数时间很高，而且负载连接到电池组，但是，利用速度快收敛MPPT算法对于并行系统的负载变化，以最大限度地减小输出电压中的瞬态具有重要意义。由于MPPT算法的分析不是本文的重点，因此采用了观察扰动法，控制算法如图16所示。光伏组件电压Vf(n)和电流的样本如果If(n)用于计算瞬时功率Pf(n)。将上一次迭代中获得的功率与上一次迭代Pf(nminus;1)中计算的功率进行比较。此外，将最后一次迭代D(n)的占空比值与上一个占空比D(nminus;1)进行比较，以确定转换器占空比是否必须增加或减少才能到达MPP。

2)电池充电控制:当光伏模块产生能量时，MPPT算法处于活动状态，并保持光伏模块以最大功率运行。如果光伏电流高于负载电流，则电池组将使用这些电流之间的差异。光伏模块以最大电流值呈现电流源输出特性，如图1所示。因此，如果在电池组的设计中考虑到最大光伏电流，则不需要电流控制回路来限制最大电池充电电流。当系统在最大太阳辐射下运行且没有负载时，就会产生最高的电池充电电流。当光伏模块产生的能量低于负载需求时，必要的额外能量由电池组提供。因此，充电或放电电池电流由MPPT算法控制。在MPPT算法的运行过程中，验证了电池的充电状态，当充电状态达到最低水平时，电池放电功能被禁用，系统处于关闭状态。此外，当电池充电状态达到最高限制水平时，将禁用MPPT算法，并启用输出电压控制回路(操作模式5)。在这种情况下，恒压控制回路采用的参考电压必须定义接近PV MPP电压。但更高的输出电压，以允许电池放电。在少量的部分电池放电后，MPPT算法恢复运行，当电池充满电且产生的能量高于负载能量需求时，MPPT算法与电压调节算法之间发生循环转换。为并行MPPT开发的控制算法仅在连接到系统的电池组中运行。

3)电压控制回路:当光伏模块的能量很低或为空时，电压控制回路也会被激活。在这种情况下，MPPT算法被禁用，dc-dc电源电路作为升压转换器运行，并且电池组为负载提供恒定的电压。在这种情况下，将控制算法中定义的参考电压与输出电压进行比较，并将误差信号应用于数字电压补偿器。控制动作定义了转换器占空比，以调节输出电压。考虑的电压基准等于15v，即实际实现中使用的光伏模块MPP电压的中间值。与在电压控制环路运行过程中使用MPP

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