作者 鲁兵 黄远洋 王卓 北京华联电力工程监理有限公司(北京 100067)
鲁兵(1991-)，男，硕士，研讨方向：电力电子与电力传动。
摘要：在光伏体系中，汇流箱起到了聚集光伏阵列输出电流的功用，汇流箱中搭载的功率优化器具有完结光伏电池最大功率点盯梢的功用。规划的光伏汇流箱中每个支路选用两层BOOST结构，MPPT算法选用变步长电阻增量法。由Simulink仿真可知，两层BOOST结构能够有用下降汇流箱输出电流纹波，在光照强度骤变后，选用变步长电阻增量法的功率优化器能够使光伏体系快速安稳地到达新的最大功率点而且使各个电感电流均流。
0 导言
在大型光伏体系中，因为逆变器直流侧电压高，输出功率大，所以应尽量防止光伏阵列同逆变器之间直接连线，一起为了体系的安稳运转，使体系发电功率到达最优，需求在光伏阵列和逆变器之间装置汇流箱[2]。本文研讨的汇流箱，搭载具有MPPT功用的功率优化器，增强了体系的可靠性。功率优化器是一种依据DC-DC转化电路的调节器[3]，它具有进步光伏阵列发电功率的功用。功率优化器的结构如图1中虚线框所示。
在光伏发电现场，因为暗影遮挡和地势方位不平等原因，往往形成光伏阵列失配问题，在大规模光伏发电场所，为汇流箱装置功率优化器可有用处理此问题。功率优化器对光伏阵列输出的电压、电流信号收集，通过MPPT操控，使光伏阵列不断调整盯梢最大功率点。
功率优化器的关键技术是MPPT算法。国内外研讨最多的MPPT算法有定电压盯梢法(CVT)、扰动观测法(P&O)、电导增量法(INC)[4]等，在产品开发过程中挑选MPPT算法至关重要。
1 光伏电池的数学模型和输出特性
本节首要建立了光伏电池的数学模型，得到各项参数之间的数学联系和改变规则，然后得到输出特性曲线。
1.1 光伏电池的数学模型
由光生伏特原理，在光照下，光伏电池内部会发生相离运动且生成空穴电子对，然后发生电流[6]。光伏电池等效电路模型如图2所示。图中各参数详解见表1[7]。
从图2中的光伏电池等效模型和界说，结合P-N结特性方程，并进行两个简化处理：1)因为串联电阻Rs很小，进行抱负电路核算时能够疏忽，因而光生电流可近似等于短路电流，即Iph=Isc;2)因为旁路并联电阻Rsh很大，可达上千欧姆，所以可近似于开路，进行抱负电路核算时可省掉。能够得出等效电路的电流、电压特性数学模型，如式(1)、式(2)所示：
(1)
(2)
式(1)和式(2)中，Io是二极管的总分散电流，q是电子电荷(1.6×10-19C)，k是玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为热力学温度，A为二极管特性因子，UL是光伏电池输出端电压，P为光伏电池输出功率。
1.2 光伏电池输出特性剖析
光伏电池最主要的电气特性为伏安特性、功率电压特性和功率电流特性。图3表明在周围气候温度为25℃时，不同光照强度对光伏电池电流—电压特性、功率—电压特性和功率—电流特性的影响。
由图3能够看出，在不同的光照强度下，光伏电池仅存在仅有的最大功率点，为了高效地运用太阳能，需求使光伏电池尽可能多的时刻作业在最大功率点或许其附近处，且在环境改变后快速追寻到新的最大功率点，这就需求参加功率优化器来对光伏电池进行最大功率点盯梢操控。
2 功率优化器规划
光伏阵列因为装置不匹配、暗影遮挡、地势、方位等问题形成组件(串)失配。为了使光伏电池在各种条件下都能宣布最大的功率，需求对汇流箱搭载带有MPPT功用的功率优化器。功率优化用具有升压功用，传统的功率优化器是依据单重BOOST的电路结构，为了按捺输出纹波，需求配备较大的输出电容或许选用较高的开关频率，大电容添加了本钱和体积，开关频率过高又会添加开关损耗。为处理此问题，选用一种两层BOOST电路结构，能够有用地减小输出电流纹波、下降开关频率、削减开关损耗。
2.1 两层BOOST改换电路
传统的MPPT操控器是依据单重BOOST电路结构，为了按捺输出电流纹波，需求较大的平波电容或许选用较高的开关频率，大电容添加了本钱和体积，过高开关频率必然会添加发热和开关损耗。为了处理此问题，构建了两层BOOST电路拓扑结构[8]，如图4所示。
单重BOOST电路中的电感电流和两层BOOST电路中的电感电流波形如图5所示。 图5(a)为单重BOOST电路，电感电流纹波为[9]：
(3)
式(3)中，L为电感，Ui为输入电压，D为占空比，T为开关周期。
依据图5(b)可知，两层BOOST电路的总电感电流由两个错相位的单重BOOOST电路电感电流叠加而成。其电流纹波分为占空比D<0.5和D≥0.5两种状况评论。
当占空比D<0.5时，在t0-t1期间，电流纹波为：
纹波ΔI2与纹波ΔI1的比值为：
由图6可知，输出电感电流纹波在两层BOOST电路结构下会显着减小，特别是在占空比挨近50%时，能大大减小电流纹波。
2.2 双路两层BOOST改换电路
本文研讨的智能汇流箱，将多路光伏组件串列进行汇流，每一路组件串列都连接到具有两层BOOST电路结构的功率优化器上。提出了一种应用于光伏汇流箱的双路两层BOOST电路结构，如图7所示，电路中的的两个主回路结构对称，输入独立，输出并联在一起。操控上有4个PWM信号，对双路两层BOOST电路的开关管进行操控，同一路两个PWM信号相位互错180°，两路4个PWM信号相位互错90°，当只要一路组件串列进行MPPT操控时，仍能保证180°的错相位操控。
由上一末节剖析可知，两层BOOST电路的总电感电流纹波是两个单重BOOST电路电感电流纹波的叠加。同理，在两路两层BOOST电路输出电流汇流后，因为相位互错90°，纹波系数将会进一步减小。此电路结构能够有用下降输出电流纹波，下降开关频率，然后下降开关损耗和发热，还能够减小输出平波%&&&&&%巨细。
3 最大功率点盯梢算法研讨
为了在光照强度骤变后使光伏电池能快速安稳地到达最大功率点，需求对光伏电池进行最大功率点盯梢操控。关于两层BOOST电路而言，持续运用依据光伏电池电压寻优的办法则无法保证各个电感支路均流，所以要选用依据电流寻优的操控办法，在保证完结MPPT操控的一起各个电感支路均流。
3.1 电导增量法
关于单极值的光伏电池P-U特性曲线来说，寻觅最大功率点的本质便是查找P-U曲线上导数等于零的横坐标。电导增量法便是运用曲线的导数特性来完结最大功率点的搜索，由图8可知，光伏电池P-U特性曲线及dP/dU的符号改变规则，即在仅存在一个最大功率点的基础上，在此方位的左边dP/dU符号为正，在此方位的右侧dP/dU符号为负，在最大功率点处时dP/dU=0。
