张 爽，张 迪，薛 飞，徐恒山

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，银川 750001；
2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002）

化石能源的危机使光伏PV（photovoltaic）、风电等新能源得到了快速发展[1]。并网逆变器是将PV阵列发出的电能连接到公用电网的关键设备[2]。单级PV系统结构简单[3]，变换效率较高[4]，但在功率波动时，难以同时获得良好的并网特性和最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）特性[5]；
两级PV 系统可有效均衡并网特性和最大功率跟踪特性[6]，其前级直流变换电路实现对PV阵列的功率跟踪[7]，并将PV阵列的电压通过直流变换器升高成为接近交流电网峰值电压的直流母线电压[8]，后级逆变电路将直流母线电压变换为交流电压且通过滤波后与电网连接[9]。

国内外学者对两级并网PV系统的母线电压稳定控制进行了大量研究[10-15]。文献[10-13]采用传统控制策略，在后级逆变器中引入对直流母线电压的控制，通过控制逆变器的并网功率实现对直流母线电压的调节，但当电网电压发生波动时，会将交流侧的波动传递到直流母线。文献[14]提出基于PV板输出能量、直流母线电容存储能量和逆变器并网能量守恒控制的直流母线电压调控策略，可提高逆变器对直流母线电压的调控能力，但需要通过复杂的运算对3个环节的能量进行计算，加大了控制成本。文献[15]将附加功率环引入到传统控制策略中，可提高逆变器输出电流对前级功率的跟踪能力，在一定程度上，提高了直流母线电压的稳定性，但依然不能解决电网电压发生较大波动时，直流母线电压会随之波动的问题。目前，针对两级并网PV 系统的电压稳定性，几乎所有研究均是从逆变侧入手，通过优化并网逆变器的控制策略，提高逆变器对输出功率或输出电流的控制能力，实现对直流母线电压的稳定控制，但忽视了直流变流器对直流母线电压的潜在控制能力。

基于上述分析和研究背景，本文提出一种改进的混合控制策略，针对基于交错Boost 变流器的PV系统，利用两只高频开关器件具有控制自由度较大的优点，同时在前级直流变换电路和后级逆变电路中引入直流母线电压控制，提高两级并网光伏系统中直流母线电压的稳定调控能力。

图1 给出了两级PV 系统的结构，由图1 可知，其主要由PV 阵列、前级DC/DC 电路和后级DC/AC构成。前级DC/DC电路将PV阵列的电压变换为直流母线电压，后级DC/AC电路将直流母线电压变换为交流电压并通过滤波后与电网连接；
滤波器由滤波电容和滤波电感组成，Cb为直流母线电容，ub为直流母线电压。

图1 PV 并网系统的结构Fig.1 Structure of gird-connected PV system

交错Boost 变流器可实现升压和MPPT 的功能，H桥逆变器可实现PV并网功能。PV系统的电路如图2所示。

图2中，ipv、upv分别为PV阵列的电流和电压；
L1=L2=L为升压电感；
Q1～Q6为MOSFET 器件；
s1～s6为Q1～Q6的控制信号；
iQ1～iQ6为流过Q1～Q6的电流；
iD1、iD2分别为流过二极管D1和D2的电流；
idc为逆变器的输入电流；
Lac、Cac分别为交流侧滤波电感和滤波电容；
iac为并网电流；
uac为电网电压。

图2 PV 并网系统的电路Fig.2 Circuit of gird-connected PV system

2.1 PV 阵列模型

图3 为PV 阵列的等效模型。其中，iph为光生电流；
Dph为PN 结；
Rsh、Rs分别为等效并联电阻和串联电阻；
iD、ish分别为流过Dph和Rsh的电流。

图3 PV 阵列的等效模型Fig.3 Equivalent model of PV array

PV阵列输出电流ipv可表示为

式中：Isat为反向饱和电流；
k为波兹曼常数；
q为电荷量；
T表示温度；
a为二极管的品质系数。反向饱和电流Isat可表示为

式中：Uo,pv为PV 的开路电压；
UT,pv为温度T时PV的电压。

由式（1）可得upv和ipv的关系为

式中，LambertW()为朗伯W函数。

PV阵列的输出功率ppv可表示为

PV 板采用2 块型号为APM36P30W82x36 的多晶硅串联构成，其短路电流Isc=1.94 A，开路电压Uo,pv=43 V，品质系数a=1.3，串联电阻Rs=0.2 Ω，并联电阻Rsh=415 Ω。PV板的ppv与upv的关系曲线如图4所示。

由图4 可以看出，PV 阵列的输出功率ppv随其电压upv发生变化，当输出电压upv=Um时，PV板的输出功率达到最大值ppv,max。为了提高PV 功率的利用率，需要通过一定的控制策略使PV 阵列在稳态时工作在最大功率点(Um,ppv,max)，它的本质做法是控制DC/DC 电路，使其输入阻抗等于PV 阵列的内阻抗，从而保证PV阵列工作在最大功率点。

图4 ppv 与upv 的关系曲线Fig.4 Curve of relationship between ppv and upv

2.2 MPPT 算法

国内外学者对MPPT 算法的研究较多，常用的MPPT 算法是增量法，采用增量法实现PV 系统MPPT 的典型流程如图5 所示。该流程主要步骤如下：

图5 增量电压法实现MPPT 的流程Fig.5 Flow chart of realizing MPPT based on incremental voltage method

步骤1根据PV 阵列当前开关周期的输出电压upv(k)和电流ipv(k)，计算当前开关周期PV 阵列的输出功率ppv(k)；

步骤2将当前开关周期PV阵列输出功率ppv(k)与上一开关周期PV阵列输出功率ppv(k-1)相比较，为PV阵列参考电压Upv,ref的整定提供判断依据；

步骤3比较当前开关周期PV 阵列输出电压upv(k) 与上一开关周期PV 阵列的输出电压upv(k-1)，为PV 阵列参考电压Upv,ref的整定提供判断依据；

步骤4结合PV 阵列输出电压和输出功率的比较结果，对PV阵列输出电压的参考值进行整定。

采用电压外环-电流内环的双环控制，通过MPPT 算法得到PV 阵列输出电压的参考值Upv,ref后，将Upv,ref与其实时电压upv相比较，并通过电压环控制器的调节即可得到PV 阵列电流ipv的参考值Ipv,ref；
Ipv,ref与实时电流ipv相比较，并经过电流内环的调节，得到调制信号v1；
v1通过脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）发生器的计算可得到MOSFET器件的控制信号，进而控制升压电流实现MPPT功能，其完整的控制逻辑如图6所示。

图6 MPPT 算法的原理Fig.6 Schematic of MPPT algorithm

由图6 可以看出，控制流程虽然可以实现MPPT 功能，但其控制过程没有对直流母线电压的稳定性进行考虑，而直流母线电压的稳定与否直接影响并网逆变器的稳定性。当PV阵列发生较大功率波动时，直流母线电压也会随之波动；
当PV系统接入弱电网系统时，可能导致并网点电压波动，进而对电网产生不良影响。此外，频繁的功率波动引起直流母线电压频繁变化，在此过程中伴随的过充电会对母线电容的寿命造成影响，甚至出现过压击穿危险。

为解决传统MPPT算法在对直流母线电压控制上的缺陷，针对交错Boost 变流器作为升压电路的PV 并网系统，提出一种兼顾直流母线电压稳定性的混合控制策略。

2.3 直流母线电压的稳定控制

图7 为提出的混合控制策略框图，其中，Δppv为PV阵列的功率增量，Δppv,ref为PV阵列功率增量的参考信号。与传统MPPT 控制策略不同，该控制策略充分调动了交错Boost 变流器的控制灵活性，当PV 功率波动较小，即Δppv＜Δppv,ref时，为了平衡交错Boost 变流器中2 只MOSFET 器件的功率，使2只MOSFET器件都工作在MPPT模式下，s1和s2均可通过p1计算得到，由于PV功率波动较小，直流母线电压的变化范围也较小，此时不对直流母线电压进行严格控制；
当PV 功率发生剧烈波动，即Δppv≥Δppv,ref时，由于功率波动较大，如果不对直流母线电压进行调控，可能导致直流母线电压发生剧烈变化，此时，为了保持稳定的直流电压，利用一只MOSFET 器件实现MPPT 功能，并使另一只MOSFET 工作在直流母线电压外环，同时实现MPPT 和直流母线电压稳定的功能。需要说明，当PV 功率处于剧烈变化时，即使采用传统算法，也很难在极短时间内，通过调节变流器的工作状态使PV 阵列工作在最大功率点。因此，本文提出的混合控制算法是在这个过程中对直流母线电压进行稳定控制，既不损失最大功率点的追踪能力，又能对功率波动时的电压波动进行消除。

图7 混合控制算法的框图Fig.7 Block diagram of hybrid control algorithm

在采用上述混合控制策略时，Δppv,ref的取值会影响母线电压的稳定性和PV 阵列的MPPT 能力。如果Δppv,ref取值较小，会出现母线电压环过早介入的现象，导致变流器在纯MPPT 模式与混合模式之间频繁切换，造成MPPT 和母线电压稳定二者之间的紊乱；
如果Δppv,ref取值过大，会使母线电压难以在功率波动时介入控制，削弱母线电压的稳定性；
在极端情况下，如果Δppv,ref取值很大，超过了功率波动边界值，会导致并网变流器完全工作在纯MPPT模式下，母线电压环的功能完全被去除，不能在功率波动时对母线电压进行稳定控制。

为证实混合控制策略在母线电压稳定控制和MPPT上的能力，在仿真软件中搭建一组PV并网仿真模型，MOSFET的最大占空比为0.95，其他参数见表1。

表1 PV 的电气参数Tab.1 Electrical parameters of PV

3.1 阶跃功率扰动仿真

图8 为在采用传统MPPT 控制策略下，当光照强度J从0 阶跃上升到1 kW/m2的过程中，直流母线电压ub的波动情况。由图8可以看出，随着J的增加，ub的波动范围随之增加，当t=1 s，J由0 kW/m2上升到0.25 kW/m2时，ub的波动范围为395～404 V，波动量Δub=9 V；
当t=2 s，J由0.25 kW/m2上升到0.50 kW/m2时，ub的波动范围为389～409 V，波动量Δub=20 V；
当t=3 s，J由0.50 kW/m2上升到0.75 kW/m2时，ub的波动范围为380～413 V，波动量Δub=33 V ；
当t=4 s，J由0.75 kW/m2上升到1.00 kW/m2时，ub的波动范围为370～419 V，波动量Δub=49 V。

图8 传统MPPT 算法下阶跃递增光照强度时的母线电压波形Fig.8 Waveform of bus voltage for traditional MPPT algorithm when irradiance increases in step way

图9 为在阶跃递增光照强度下，采用传统MPPT控制策略时，PV阵列功率ppv与电压upv之间的仿真结果。由图9 可以看出，传统MPPT 控制策略可以保证PV变流器在恒定功率时工作在最大功率点。

图9 传统MPPT 算法下阶跃递增光照强度时ppv 与upv的仿真结果Fig.9 Simulation result of relationship between ppv and upv for traditional MPPT algorithm when irradiance increases in step way

图10 为在采用本文提出的混合控制策略下，当光照强度J由0 阶跃上升到1 kW/m2的过程中，直流母线电压ub的波动情况。由图10 可以看出，随着J的增加，ub的波动范围随之增加，但与图8中的波动相比，在高功率状态下，图10中的波动量较小。当t=1 s 时，J由0 kW/m2上升到0.25 kW/m2时，ub的波动范围为397～409 V，波动量Δub=12 V ；
当t=2 s 时，J由0.25 kW/m2上升到0.50 kW/m2时，ub的波动范围为395～409 V，波动量Δub=14 V ；
当t=3 s 时，J由0.50 kW/m2上升到0.75 kW/m2时，ub的波动范围为392～414 V，波动量Δub=22 V ；
当t=4 s 时，J由0.75 kW/m2上升到1.00 kW/m2时，ub的波动范围为389～416 V，波动量Δub=27 V。

图10 混合控制策略下阶跃递增光照强度时的母线电压波形Fig.10 Waveform of bus voltage under hybrid control strategy when irradiance increases in step way

图11 为阶跃递增光照强度下采用本文提出的混合控制策略时PV阵列功率ppv与电压upv之间的仿真结果。由图11可以看出，①相比于图9中的仿真结果，当PV功率波动时，变流器能够以更快的速度让PV阵列实现MPPT，这是因为图11中ppv从一个稳定的功率点跳变到另外一个稳定的功率点的过程中，在混合控制策略下PV 阵列的电压变化值较小，而两种控制策略采用相同的ΔUpv步长，因此从一个稳态到另外一个稳态的开关次数较少；
②在混合控制策略下，变流器能够快速地使PV 阵列实现最大发电功率，这是因为，提出的控制策略能够有效减少变流器功率到达稳态过程的开关次数，让PV阵列以更快的速度进入到最大功率点。

图11 混合控制策略下阶跃递增光照强度时ppv 与upv 的仿真结果Fig.11 Simulation result of relationship between ppv and upv under hybrid control strategy when irradiance increases in step way

3.2 随机光照强度仿真

图12 给出了当Δppv,ref=100 W 时的仿真结果，为了与实际情况接近，光照强度的数值通过随机函数得到。当光照强度如图12 中发生随机变化时，母线电压ub的波动范围为373～416 V，其波动量Δub=33 V。

图13 为随机光照强度下采用传统MPPT 算法时PV 阵列输出功率ppv与电压upv之间的关系，且所采用的的随机光照强度与图12中的随机光照强度一致。由图13 可以看出，传统MPPT 算法能使PV阵列大部分时间工作在最大功率点区域。由图12～13的仿真结果可以得出，在随机光照强度下，传统MPPT 算法能使PV 阵列大部分时间工作在最大功率点区域内，但母线电压会在随机光照强度下发生较大波动。

图12 传统MPPT 算法下随机光照强度的母线电压波形Fig.12 Bus voltage waveform for traditional MPPT algorithm with random irradiance

图13 传统MPPT 算法下随机光照强度时ppv 与upv 的仿真结果Fig.13 Simulation result of relationship between ppv and upv for traditional MPPT algorithm with random irradiance

图14 为采用本文提出的混合控制策略时直流母线电压和光照强度的仿真结果，为了增加实验的公平性，图14 中的光照强度与图12 中的光照强度变化趋势一致。相比于图12 中的仿真结果，图14中直流母线电压的波动量更小，波动范围为390～408 V，这说明提出的混合控制策略能够更好的对直流母线电压进行控制，减小直流母线的电压纹波。

图14 混合控制策略下随机光照强度的母线电压波形Fig.14 Bus voltage waveform under hybrid control strategy with random irradiance

图15为采用提出的混合控制策略时PV系统的功率跟踪结果。与图13 中的功率跟踪效果相比，图15 中PV 系统以更大的概率停留在最大功率区域，说明混合控制算法的功率跟踪效果良好。

图15 混合控制策略下随机光照强度时ppv 与upv 的仿真结果Fig.15 Simulation result of relationship between ppv and upv under hybrid control strategy with random irradiance

由图12～15 可以看出，本文提出的混合控制策略既保证了单相并网PV系统的MPPT能力，还能对PV系统的直流母线电压进行稳定控制。相比于传统的MPPT 控制策略，所提出的控制策略可有效的稳定直流母线电压，减小直流母线电压在扰动输入工况下的波动，有利于降低直流母线电容的电压应力、提高直流母线电容的使用寿命。

为了进一步验证控制策略的有效性，在Matlab/Simulink和RT-Lab软件中搭建实时在环仿真模型，并在5600仿真机中进行实验。图16给出了实时在环仿真平台，其中，录波仪用于记录实验波形，上位机通过仿真器将Matlab/Simulink 中的控制程序下载到控制器中，控制器采用TI公司的数字控制芯片DSP（digital signal processor），DSP的型号为F28335；
为了方便表示PV 功率ppv和光照强度J，在RT-Lab中将PV功率ppv和光照强度J转换为电压信号，电压信号的10 V分别对应ppv和J的1 kW和1 kW/m2，录波仪每竖格表示10 V电压。

图16 实时在环仿真平台Fig.16 Real-time hardware-in-the-loop simulation platform

图17～18分别为采用传统MPPT控制策略和混合控制策略时得到的母线电压ub、光照强度J和光伏功率ppv的实验波形，ub的参考值为400 V。将图17 和图18 中的光照强度J采用相同的信号源，以增加对比实验的公平性。为了方便分析直流母线电压ub的波动量，在测量ub时，将其测量通道置于交流档，对直流分量进行滤除。

图17 传统MPPT 控制策略下的实时仿真波形Fig.17 Real-time simulation waveforms under traditional MPPT control strategy

图18 混合控制策略下的实时仿真波形Fig.18 Real-time simulation waveforms under hybrid control strategy

在图17 中，ub交流分量的最大值和最小值分别为64 V 和-83 V，电压的波动量约为147 V；
ppv的最大值和最小值分别约为2.18 kW 和0 kW。在图18中，ub交流分量的最大值和最小值分别为39 V和-40 V，电压的波动量约为79 V；
ppv的最大值和最小值分别约为2.18 kW 和0.8 kW。相比之下，在本文提出的混合控制策略下，直流母线电压的波动量从147 V 减小到79 V，最低功率由0 kW 提升到0.8 kW，提高了PV系统的利用率。同时，从实验结果还可看出，图18 中的ppv与J的变化趋势一致，而图17 中的ppv却对光照量J的跟踪出现了一定误差，说明混合控制策略能够更好地对PV 阵列的最大功率进行跟踪。

针对单相并网PV 系统，提出一种混合控制策略。通过理论分析、仿真实验和实时在环实验验证了本文提出的混合控制策略既能保证传统算法的MPPT能力，又能实现对直流母线电压的稳定控制，有利于减小直流母线电压的波动，提升直流母线电容的使用寿命，提高单相并网PV 系统的稳定性和可靠性。

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