实现高效能：两级式并网光伏逆变器MPPT控制技术

常用的两级式并网光伏逆变器主要由前级DC/DC变换器（常用Boost变换器）和后级的网侧逆变器组成。一般情况下，由于光伏电池的输出电压通常都低于电网电压的峰值，因此要实现并网发电，应先将光伏电池输出的直流电通过前级Boost变换器升压后再输出给后级的网侧逆变器，通过控制将网侧逆变器输出的交流电并入工频电网，其中直流母线部分的作用是连接Boost变换器和网侧逆变器，并实现功率传递的作用。由于两级式并网光伏逆变器中存在两个功率变换单元，因此，光伏电池的最大功率点跟踪控制既可以由前级的Boost变换器完成，也可以由后级的网侧逆变器完成，以下分别进行分析。

6.6.1.1 基于后级网侧逆变器的MPPT控制

基于后级网侧逆变器实现MPPT的控制系统如图6-34所示。其中，前级的Boost变换器通过其开关占空比的控制使中间直流母线的电压恒定，从而平衡前、后级能量输出，而后级网侧逆变器则要完成MPPT控制以及并网逆变控制（单位功率因数正弦波电流控制）。

在基于后级网侧逆变器的MPPT控制过程中，首先根据MPPT算法得到网侧逆变器输出指令电流幅值的变化量ΔI_o，再经过PI环节得到网侧逆变器输出指令电流幅值的调节量I_o，将I_o和电网电压同步的单位正弦信号相乘得到网侧逆变器输出指令电流的瞬时值i_ref，将i_ref与网侧检测电流瞬时值i_o的差值经过一个比例调节器调节后，与电网电压前馈信号共同合成调制波信号，最终与三角波比较后得到实现MPPT算法的PWM控制信号，从而实现MPPT控制以及单位功率因数正弦波电流控制。

图6-34 基于后级DC/AC逆变器实现MPPT的并网逆变器控制系统

控制器1—最大功率点跟踪控制控制器2—单位功率因数正弦波电流控制和直流侧稳压控制

在整个系统的控制过程中，前、后级的控制响应速度要保持一定的协调，以确保能量传输的动态平衡，从而使DC母线电压稳定。为此，在控制系统设计时，前级Boost变换器的响应速度应快于后级网侧逆变器的响应速度。

6.6.1.2 基于前级DC/DC变换器的MPPT控制

以上讨论了基于后级网侧逆变器的MPPT控制方案，而实际中较为常用的则是基于前级DC/DC变换器的MPPT控制方案，该方案也可以在实现MPPT控制的同时完成网侧逆变器的单位功率因数正弦波电流控制。

基于前级Boost变换器实现MPPT控制的两级并网光伏逆变器控制系统结构如图6-35所示。其中，后级的网侧逆变器实现直流母线的稳压控制，而前级的Boost变换器则实现MPPT控制。由于Boost变换器的输出电压由网侧逆变器控制，因此调节Boost变换器的开关占空比即可调节Boost变换器的输入电流，进而调节光伏电池的输出电压。

Boost变换器根据光伏电池输出电压和电流的检测，通过MPPT控制算法得出调节光伏电池工作点的电压指令U_ref，然后将U_ref与光伏电池输出电压的采样值u_PV相减，并经过PI调节器以进行Boost变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏电池的MPPT控制；而后级的网侧逆变器采用电压外环、电流内环的双环控制策略，其中电压外环是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，而电流内环则主要实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因数正弦波电流控制。

图6-35 基于前级DC/AC逆变器实现MPPT的并网逆变器控制系统

控制器1—最大功率点跟踪控制 控制器2—单位功率因数正弦波电流控制和直流侧稳压控制(www.xing528.com)

在该控制策略中，前级Boost变换器的输出功率会因为环境的变化而不断变化，为了确保Boost变换器输出的功率及时传递到电网而不在直流母线上产生能量堆积和亏欠，这就要求在控制系统设计时，后级网侧逆变器直流电压外环的控制响应应快于前级Boost变换器的MPPT控制响应。实际上增大直流母线的电容容量或采用图6-35所示的直流母线上下限电压的截止负反馈控制均可以防止直流母线出现过电压。

图6-36 加入光伏电池电压前馈的基于前级DC/DC变换器的MPPT控制

控制器1—最大功率点跟踪控制 控制器2—单位功率因数正弦波电流控制和直流侧稳压控制

另外，为了确保前级Boost变换器足够快的MPPT控制响应，并且又能使网侧逆变器较好地控制直流母线电压，为此可采用如图6-36所示的加入光伏电池电压前馈的基于前级Boost变换器的MPPT控制策略。由于采用了光伏电池输出电压的前馈控制，从而在环境快速变化时，后级的网侧逆变器能加快与光伏电池输出的同步调节，因而有效地抑制了直流母线电压的波动。

6.6.1.3 基于前、后级变换器MPPT控制的比较

可以从直流母线稳压和MPPT控制性能两个方面来比较基于前、后级变换器的MPPT控制方案

（1）直流母线稳压

对于两级式并网光伏逆变器而言，保持中间直流母线电压的稳定是实现并网控制的一个重要前提。基于后级网侧逆变器的MPPT控制方案中，采用了前级Boost变换器实现直流母线的稳压控制，与后级网侧逆变器采用双环的稳压控制方案相比，Boost变换器的稳压控制一般可以取得较快的动态响应，另外，当电网电压不平衡时，采用后级网侧逆变器的直流稳压方案，则可能会出现直流侧电压的二次脉动。因而利用Boost变换器进行稳压控制可以获得较好的直流母线的稳压控制性能。

（2）MPPT控制性能

虽然基于后级网侧逆变器MPPT的控制方案可以取得较好的直流母线的稳压性能，但是在MPPT控制性能方面，当采用后级网侧逆变器进行MPPT控制时存在一些不足，即由于后级网侧逆变器的MPPT控制主要是通过网侧逆变器输出电流幅值的调节来搜索MPP的，而对于网侧逆变器输出电流一定的变化幅值，所对应的Boost变换器输入侧（光伏电池的输出侧）电压的变化幅值却随着光伏电池输出电流的变化而变化，即实际的电压步长是变化的，因此影响了MPP的搜索精度。另一方面，当采用后级网侧逆变器进行MPPT控制时，对光伏电池的MPPT控制实际上是通过前级Boost变换器的稳压控制间接实现的，因此Boost变换器的稳压控制与后级网侧逆变器的MPPT控制存在耦合，这在一定程度上也影响了MPPT的控制性能。

而当采用基于前级Boost变换器MPPT的控制方案时，由于光伏电池的MPP由Boost变换器直接进行搜索，即实际的电压步长是可控的。并且由于直流母线电容的缓冲，Boost变换器的MPPT控制与后级网侧逆变器基本不存在控制耦合，因而可取得较好的MPPT控制性能。虽然基于前级Boost变换器MPPT的控制方案存在直流母线电压的波动问题，但利用增大电容或采用光伏电池电压的前馈控制基本上可以抑制直流电压的波动。

总之，相比于基于后级网侧逆变器MPPT的控制方案，基于前级Boost变换器MPPT的控制方案具有前后级耦合小、控制精度高等优点。另外，由于利用Boost变换器实现系统的MPPT控制，因而网侧逆变器控制无需内置MPPT功能，从而使两级系统中各级变换器具有相对独立的控制目标和功能，这样便更有利于系统的模块化设计与集成。