光伏并网逆变器的MPPT控制方案解析

两级式光伏并网逆变器由前级Boost变流器和后级网侧逆变器组成。通常，光伏组件输出直流电压低于电网相电压峰值，要实现并网发电，需要通过前级Boost变流器将直流电压升高后再输出给后级网侧逆变器。两级式光伏并网逆变器中存在两级独立的功率变流单元，光伏电池的最大功率点跟踪控制可通过前级的Boost变流器完成，也可通过后级的网侧逆变器完成。

1.基于后级网侧逆变器实现的MPPT控制

基于后级网侧逆变器实现MPPT的并网逆变器控制系统框图如图4-10所示。控制系统中包括两套独立的控制器，分别对Boost变流器和网侧逆变器进行控制。Boost控制器通过对Boost变流器输出电压的闭环控制以保持网侧逆变器直流母线电压恒定，从而实现前后级能量平衡。网侧逆变器控制器包括MPPT控制器和网侧电流控制器，控制目标为MPPT和并网功率控制。图4-10中，MPPT控制器根据光伏电池的输出电压和电流计算要实现MPPT所需的网侧有功电流指令值，网侧电流控制器实现网侧有功电流的闭环调节和有功、无功电流的解耦控制，以间接控制Boost变流器的输入电压，从而实现最大功率点跟踪。网侧有功电流的闭环控制方法与风电系统中网侧变流器电流内环控制方法一致，在此不做详细介绍。

图4-10 基于后级网侧逆变器实现MPPT的并网逆变器控制系统框图

上述控制过程中，Boost变流器的输入电压间接受控，其实现MPPT的动态响应速度和系统闭环稳定裕度等要逊于基于前级Boost变流器实现MPPT的方法。为保证闭环系统的性能，设计图4-10所示系统的控制器时，应保证前级Boost变流器的响应速度快于后级网侧逆变器。

2.基于前级Boost变流器实现的MPPT控制

基于前级Boost变流器实现MPPT控制的两级光伏并网逆变器控制系统结构如图4-11所示，同样包括两套独立的控制器，分别控制Boost变流器和网侧逆变器。MPPT控制器根据光伏电池的输出电压和电流计算要实现MPPT所需的光伏电池工作电压指令值U_pvref，其与实际值的偏差通过PID调节器输出Boost变流器的占空比，实现对光伏电池直流母线电压的闭环控制，进而实现最大功率点跟踪。网侧逆变控制器与风电系统网侧变流器控制一致，控制目标为控制直流母线电压恒定，以平衡光伏发电单元和网侧的有功功率，同时根据系统运行相关要求控制网侧输出的无功功率。其中，有功和无功功率的动态解耦控制方法与风电系统网侧变流器中的一致，可参考图3-19，在此不再详述。

基于前级Boost变流器实现的MPPT控制方式由于控制结构简单；各级控制器的控制目标明确、相互之间不存在干扰，是光伏并网逆变器商业应用最为广泛的两级式控制方式。

基于图4-11所示的两级式光伏并网逆变器的控制框图可以建立并网型光伏发电系统的数学模型，本节通过MATLAB/Simulink仿真，对基于前级Boost变流器实现的MPPT方法的控制性能、并网逆变器矢量控制方法的有效性进行验证。

图4-11 基于前级DC/AC逆变器实现MPPT的并网逆变器控制系统(www.xing528.com)

仿真中，光伏阵列由66组光伏电池组件串并联组成，每组光伏电池组由5个光伏电池板串联而成，整个光伏阵列的最大输出功率为100.7kW（66×5×305.2W=100.7kW）。光伏电池模块的仿真参数见附录B表B-5。两级式光伏并网逆变器参数见附录B表B-6。仿真中，光伏阵列的电压、电流，并网侧电压、电流可直接测量，辐射照度变化曲线已知；并网变流器为理想的电压源型逆变器。1000W/m²辐射照度情况下，光伏阵列的最大输出功率为100kW。

在MPPT测试中，通常设置不同幅度的辐射照度变化曲线以检验系统的动态MPPT能力，由此，仿真中光照曲线设定具有两段不同的变化斜率。仿真采用基于前级Boost变流器的MPPT控制方式，网侧变流器控制直流母线电压，保证系统工作在单位功率因数状态，MPPT采用扰动观察法实现。

实验过程：

1）t=0.05s时，Boost变流器和网侧变流器开始工作，辐射照度为1000 W/m²，直流侧电压指令值为500V，Boost电路工作在50%占空比状态。

2）t=0.4s时，MPPT算法启用。

3）t=0.7～1.2s，辐射照度由1000W/m²缓慢降为250W/m²，再恢复为1000W/m²。

4）t=1.5～3s，辐射照度由1000W/m²快速降为250W/m²，再恢复为1000W/m²。

仿真结果如图4-12所示。由仿真结果可知，稳态条件下，并网变流器直流侧电压为500V。光伏阵列电压输出电压为（1-D）U_dc=250V（D为占空比），输出功率为96kW。进入MPPT过程中，光伏阵列电压跟踪到最大功率点电压，系统输出光伏阵列在此光照条件下的最大功率。在3）和4）阶段，光伏阵列电压能够在不同的光照变化条件下快速变化为最大功率点电压。整个阶段，网侧无功功率为0。仿真表明MPPT方法能够有效实现最大功率点跟踪，网侧变流器能够保证有功功率的有效传输和直流侧电压的稳定。

图4-12 光伏发电系统MPPT控制