2 电路结构及系统分析
图1为光伏并网系统结构图，由光伏并网控制器、变流器、滤波电感及光伏阵列组成。图1中vpv为光伏阵列输出电压，vdc为平波电容电压，ic为并网，es为电网电压。逆变器等效电路图中rl为滤波电感等效电阻，rp为逆变器损耗等效电阻。图2为光伏并网系统控制策略框图。
图1 单相光伏并网等效电路
图2 光伏并网控制策略
图1中输出电流用数学表达式表示，进行拉普拉斯变换可得：
(1)
3 电流和电压控制器设计
电流环采用pi调节器，同时对电网电压进行前馈补偿[4]，电流环控制框图如图3所示。
图3 电流环控制框图
电流环配置为一阶系统，取pi调节器参数为：
kip = lsωn
kii = rlωn (2)
式(2)中，ωn为截止频率。
根据图3可得闭环传递函数为：
(3)
图1中直流侧电流可分解为逆变器损耗电流ir和电容充电电流idc，稳态时，电容电压保持不变，电容充电电流idc=0，所以ip=ir，即逆变器提供的能量全部用于自身损耗。
电压环采用pi调节器[6]通过boost电路对直流侧电容cdc电压进行调节，同时将损耗电流ir作为扰动量，可得dc/dc稳压环控制示意图如图4所示，图4中电流调节器用一阶惯性环节代替。
图4 电压外环控制框图
电压外环开环传递函数为：
(4)
为了同时兼顾最大功率点的快速性和母线电压的稳定性，必须保证ip尽量平稳，所以电压控制器的带宽必须合适。由于电流调节器时间常数1/ωn很小，式(4)可简化为：
(5)
由于电网频率为50hz，选取转折频率为50hz,可得电压环pi参数为：
kνi = 2π×5 =100π
kνp = 50πc (6)
4 直接电流控制最大功率点跟踪
图5 光伏电池等效电路
单块光伏电池的简化等值电路[2]如图5所示，电气特性可由式(7)表示。
(7)
(8)
(9)
式(7)中at为单元电池理想热力学温度系数；k为波兹曼常数。根据光伏电池的等效电路，可以得到如图6所示的u-i以及u-p特性曲线。
图6 光伏电池输出特性曲线
扰动观测法的工作原理为[5]：假设dk+1和dk分别为第k+1、k时刻变换器占空比；△d为扰动控制量；pk和pk-1分别为第k、k-1时刻光伏电池输出功率；符号函数sign()作如下定义：
(10)
进行最大功率点跟踪时，若pk大于pk-1，则继续同方向改变变换器占空比；否则反方向改变。若负电网电压变化速度较慢，对于瞬态，式(9)中k为常数。
ppv=pout=ulil
ul=k (11)
由式(11)可得：ppv ∝ il (12)
下一次的占空比可表示为式(13)： (13)
式(14)为直接电流控制最大功率点跟踪判断依据，可知：mppt方法仅需一个电流传感器，根据负载电流大小直接进行扰动方向判断，不再需要对光伏电池输出电压和输出电流进行检测及功率计算，简化算法，降低成本。
同时进行光伏并网发电有功指令电流计算。忽略串联等效电阻rs和并联等效电阻rsh的影响，则式(7)化简为：
(14)
光伏电池输出功率为： (15)
根据式(14)对i进行微分得： (16)
根据式(15)对p微分并将式(14)代入得： (17)
由式(17)可知，在最大功率点附近，dp/du是自变量i的近似一次函数。系统稳定时，光伏电池输出功率和逆变器并网功率相等，即：
u·i=es·is (18)
式(18)中，es为电网电压有效值，is为并网电流有效值。将式(18)代入式(17)化简得： (19)
式(19)中，最大功率点附近dp/du与自变量is同样近似一次函数，因此，通过调节并网电流大小同样可以进行dp/du线性最大功率点跟踪。图7为mppt跟踪流程。通过上述mppt控制，基波有功电流为： (20)
图7 mppt跟踪流程图
5 仿真及实验结果分析
仿真参数为：直流母线电压vdc=380v，电网电压es=220v，滤波电感ls=5mh，平波电容cdc=2200μf，变流器载波频率fs＝10khz，电流环截止频率ωn=10000。
图8为单相光伏突加突减并网电流仿真结果，从上到下依次为电网电压和并网网电流。其中电压加入3%的畸变用以模拟实际电网，具有较好的快速性，由于加入电网前馈补偿，电网电压畸变时，并网电流仍无明显畸变。
图8 并网电流仿真波形
为验证该方案的实用性和稳定性，本文制作了一台2kw光伏充电器实验样机，配2×7块，共2450w光伏电池阵列，进行全天跟踪实验。
实验参数为：光伏电池阵列开路电压vpv=308v，c1=2200μf，lb =1mh，直流母线电压vdc=400v，电网电压es=210v，滤波电感ls=6mh，平波电容cdc=3300μf，变流器载波频率fs＝10khz， 电流环截止频率ωn=10000，mppt跟踪输出电流有效值速率调节步长δt=1ms，幅值步长δirms=0.2a。
图9为单相光伏并网输出电流实验结果， 图10为并网输出电流给定突加实验结果。可以看出并网电流对电网的跟踪性好，动态快速性高。
图9 并网电流电压
图10 并网电流突加
图11为并网输出电流软启动后进行最大功率点跟踪的光伏阵列电压vpv与并网电流ic波形。可以看出应用本文方案最大功率跟踪速度快，光伏阵列输出电压波动小，并网功率始终维持最大。
图11 光伏系统启动和最大功率点跟踪过程
图12 最大功率点跟踪曲线
图12为最大功率跟踪在7:00～16:00这段时间内，每隔30min进行采样记录，制成的mppt曲线。其中不同光照下的光伏阵列功率曲线是通过参考单块sharp同型号光伏电池，按试验中的阵列组合方式换算得到。
6 结束语
本文在分析了光伏电池数学模型及单相并网发电系统的基础上，对传统单相光伏并网系统控制策略进行改进。通dc/dc电路对变流器母线进行稳压，在并网端变流器中采用瞬时电流控制和以输出电流最大为目标的扰动观测改进算法。该控制策略避免了传统变流器电压外环调节速度慢的不足，同时对于最大功率点跟踪不依赖光伏电池输出特性检测。通过实验结果验证了该方案的可行性和正确性。本方案具有mppt跟踪速率快，成本低，效率高，适用于天气条件变化较快的场合。同时并网电流不受电网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网。
致谢
本文承教育部2006年博士学科点专项科研基金(20060280018) 、上海市教委重点科研基金 (06zz03)、上海市科委登山计划项目(06dz12211) 资助，特此致谢。
作者简介
崔开涌 男 硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
参考文献
[1] 张强,刘建政,李国杰. 单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制,2007,31(10):50-53
[2] case m j,joubert m j, harrison t a. a novel photovoltaic array maximum power point tracker. epe-pemc 2002,dubrovnik, croatia,2002:t5-005
[3] 张超,何湘宁. 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用. 中国电机工程学报,2006,26(20):98-102
[4] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究. 合肥工业大学博士学位论文,2003
[5] bekker b,beukes h j. finding an optimal pv panel maximum power point tracking method. 7th africon conference in africa,2004:1125-1129
[6] 王飞,余世杰,苏建徽等. 光伏并网发电系统的研究及实现. 太阳能学报,2005,26(5):605-608
