李瀟瀟 趙爭鳴 鞠振河

（1.清華大學電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084；2.遼寧太陽能研究應用有限公司，沈陽 110136）

在同樣的輻照度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以在不同的電壓下輸出直流電，但只有在某一個電壓下輸出功率才能達到最大，因此提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的一個重要途徑就是實現(xiàn)對光伏電池的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）[1-3]。在一個光伏電池串中，如果某塊電池被陰影遮擋不能發(fā)出功率，它將產(chǎn)生損耗和發(fā)熱，表現(xiàn)為負載狀態(tài)[4]。電池串中其他電池將以更高的電壓輸出以彌補被遮擋電池的失壓，這樣會使該串所有電池板的工作狀態(tài)都偏離最大功率點。根據(jù)美國國家半導體實驗室所收集的測試和現(xiàn)場試驗結(jié)果，由于陰影或其他因素造成的電池板輸出特性不匹配會導致電池板輸出功率不均勻，其中10%的陰影可導致50%的能量損耗[4]。

文獻[5]比較了幾種常用MPPT跟蹤技術(shù)并逐一進行了仿真和實驗，文獻[6-7]提出了對現(xiàn)有 MPPT計算的改進和優(yōu)化方法。文獻[8]比較了單臺大功率逆變器和多臺小功率逆變器的發(fā)電效率，得到的結(jié)論是由于多臺小功率逆變器存在多路 MPPT，其發(fā)電量明顯大于只有一路 MPPT的單臺大功率逆變器。文獻[9]提出采用多臺中功率逆變器代替一臺大型逆變器進行發(fā)電，使更多的光伏方陣擁有獨立的MPPT模塊，從而降低因為光伏方陣之間功率偏差等因素對光伏系統(tǒng)效率的影響。近些年美國開發(fā)了SolarMagic技術(shù)，運用高級算法和混合信號技術(shù)可以監(jiān)控并優(yōu)化每塊太陽能電池板的電能，即使陣列中有電池板出現(xiàn)失配問題，其他電池板仍然能輸出最大電力[10]。

傳統(tǒng)的集中式MPPT光伏系統(tǒng)中，多塊電池板經(jīng)過串聯(lián)和并聯(lián)后連接至集中式逆變器，逆變器對光伏陣列的最大功率點進行統(tǒng)一跟蹤。本文設(shè)計的分離式MPPT系統(tǒng)中每塊電池板都連接一個MPPT優(yōu)化器，優(yōu)化器對每塊電池板的最大功率點進行獨立跟蹤，使即使陣列中有一部分電池板不能正常工作，其他電池板仍能工作在最大功率點，這種設(shè)計特別適合于存在陰影遮擋的BAPV系統(tǒng)。

1 分離式MPPT光伏系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的BAPV光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)位于遼寧省某建筑大樓樓頂，省氣象觀測站從1971—2005年期間觀測到的當?shù)厮矫嫣柲芷骄椪樟繑?shù)據(jù)見表1。光伏組件分別安裝在東、西側(cè)和中央天臺 3個平臺。樓頂建筑面積 2700m2，共安裝 96.18kWp多晶硅組件，分為20個子單元通過20臺額定功率5kWp光伏并網(wǎng)逆變器進行發(fā)電，發(fā)出的電能全部送入市電電網(wǎng)，其中東側(cè)平臺陣列如圖1所示。

表1 該地區(qū)水平面太陽能平均輻照量數(shù)據(jù)

圖1 BAPV并網(wǎng)電站照片

安裝的20臺5kWp并網(wǎng)逆變器包括兩種，一種逆變器帶有MPPT功能（MPPT集中式逆變器），另一種逆變器不帶有MPPT功能（MPPT分離式逆變器），如圖2所示。其中分離式逆變器需要配合MPPT優(yōu)化器使用，如圖3所示。其中MPPT集中式逆變器的CEC效率為96.4%，MPPT分離式逆變器的CEC效率為97.2%，MPPT優(yōu)化器的CEC效率為97%。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器照片

圖3 MPPT優(yōu)化器

前端太陽能電池板的接線方式也不相同。一種需要在電池板上安裝MPPT優(yōu)化器，另外一種不需要安裝，兩種系統(tǒng)中電池板接線方式如圖4所示。使用集中式逆變器的陣列中，每9塊電池板一串，

圖4 兩種陣列的電池板接線圖

在輻照度、溫度等自然條件和電池板參數(shù)相同的情況下，分離式MPPT和集中式MPPT逆變系統(tǒng)的發(fā)電量沒有差別。當多種因素的差異引起電池板輸出電能特性不一致時，例如存在局部陰影遮擋情況下，將導致光伏陣列中的多個電池板具有多個不同的最大功率點。對于采用集中式MPPT技術(shù)的陣列，只能對陣列的最大功率點進行整體跟蹤，這種情況下各電池板往往停滯在次優(yōu)最大功率點上，系統(tǒng)發(fā)電效率大大降低。而對于采用分離式MPPT技術(shù)的陣列，可對每塊電池板特有的最大功率點進行精確跟蹤，發(fā)揮每塊電池板的最大發(fā)電能力。每兩串接入一臺集中式逆變器，這種屬于傳統(tǒng)的光伏組件連接方式。而使用分離式逆變器的陣列中，每塊電池板與MPPT優(yōu)化器連接，將每9臺MPPT優(yōu)化器的輸出端串接起來，每兩串接入一臺分離式逆變器。MPPT優(yōu)化器所起到的作用就是對每塊電池板的最大功率點進行跟蹤，保證每塊電池板以最大功率輸出，其中一塊或幾塊的故障對整個陣列其它電池板的功率輸出沒有影響。而使用集中式逆變器的陣列，由于存在光伏系統(tǒng)自身的“木桶效應”，陣列中某一塊的故障就會引起整個陣列輸出功率的大幅下降。并且由于集中式MPPT逆變器只對一串的最大功率點進行跟蹤，而不是對每一塊進行跟蹤，所鎖定的最大功率點并不實際該串組件所能達到的最大功率。

2 光伏陣列建模與仿真

采用Bishop模型模擬光伏電池特性，光伏電池等效電路如圖5所示。

圖5 光伏電池Bishop等效模型

光伏電池模型的基本方程為

式中，I為電池輸出電流；Iph為光生電流；Id為暗電流；Ios為短路電流；Ior為二極管反向電流；U為電池端電壓；Ub為電池端電壓 Rsh為并聯(lián)電阻；Rs為串聯(lián)電阻；λ為光照強度；Tr為參考溫度；T為電池溫度；q為電子電量；k為波爾茲曼常數(shù)；Ego為能帶系能量；A、B為曲線擬合系數(shù)；KI為溫度系數(shù)；a、n為曲線擬合系數(shù)[11-14]。

使用 Matlab建立230Wp光伏組件仿真模型如

選取大樓東側(cè)天臺的3號單元和6號單元進行對比實驗（如圖1所示）。這兩個單元東側(cè)有建筑物遮擋，建筑物高度 4.65m，從早晨太陽升起到接近中午會對該兩個單元產(chǎn)生相同的陰影遮擋。兩個單元的太陽能電池板裝機容量都是 4140Wp，其中 3號單元使用的是集中式逆變器，6號單元使用的是圖6所示，搭建的光伏陣列模型如圖7所示，每九塊組件串接，每兩串并聯(lián)，圖7為模擬的每串有一塊組件被遮擋的情況。

230Wp組件的開路電壓37V，短路電流8.4A，最大功率點處工作電壓 29.5V，工作電流 7.8A。由于當?shù)囟路莸墓庹諒姸容^弱，輻射量僅為3.03k·Wh/m2·day。并且實驗系統(tǒng)支架的傾角是年最佳傾角38°，不是月最佳傾角57°，使光照強度有一定折減。所以仿真時取無遮擋下光照強度600W/m2，有遮擋下光照強度 100W/m2。圖 8為通過上述模型仿真得到的幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-P特性曲線，圖9為光伏陣列輸出的U-I特性曲線，其中每串遮擋一塊對應于圖7的連接方式，其他情況依此類推。從圖中看出遮擋情況下光伏陣列出現(xiàn)功率失配現(xiàn)象，并且光伏陣列的填充因子大大降低。

表2為仿真得到的遮擋情況下分離式MPPT與集中式MPPT系統(tǒng)輸出功率對比?？煽闯鲭S遮擋電池板數(shù)量的增加，分離式MPPT發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率比集中式MPPT系統(tǒng)提高的越來越顯著，在每串遮擋一塊情況下將功率提升了10.4%，在每串遮擋4塊情況下提升了95%。

圖6 使用Matlab搭建的光伏電池模型

圖7 使用Matlab模擬光伏陣列遮擋情況

圖8 幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-P特性曲線

圖9 幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-I特性曲線

表2 不同遮擋情況下分離式MPPT與集中式MPPT系統(tǒng)的輸出功率對比

3 實驗分析

分離式逆變器，在2月9日進行了實驗。當日天氣晴朗，日出時間06∶34，日落時間17∶06，光伏組件傾角38°，主要運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩個發(fā)電單元的主要運行數(shù)據(jù)

每個單元由兩串電池板組成，每串9塊串接，在上午08∶00時刻9塊中有7塊被遮擋，隨著太陽的升起，遮擋區(qū)域逐漸減小，一直過渡到上午10∶28至完全沒有遮擋，兩個時刻發(fā)電單元的照片如圖10所示。

圖10 兩個時刻發(fā)電單元照片

實驗記錄了上午08∶00—10∶28之間，兩個單元在同樣陰影遮擋情況下的發(fā)電功率曲線，記錄時間間隔為 3min，如圖 11所示。從實驗數(shù)據(jù)看出，上午 08∶00—08∶48之間兩個單元的發(fā)電功率都在100～200W之間，差別不大。在該時間段內(nèi)，兩個單元的遮擋情況是由每9塊遮擋7塊緩慢過渡到每9塊遮擋3塊。08∶48后分離式單元的發(fā)電功率突然大幅度上升，遠遠超出集中式單元的發(fā)電功率，這種情況一直持續(xù)到09∶58。09∶58時刻每9塊中只有最后一塊的一個角受到遮擋，該時刻集中式單元的發(fā)電功率突然上升至正常發(fā)電水平，此后兩個單元的發(fā)電功率基本相同。

圖11 陰影遮擋下兩個單元的發(fā)電功率曲線

從上午 08∶00—10∶28時間段內(nèi)分離式單元的發(fā)電量為3.6kW·h，而集中式單元的發(fā)電量只有1.8kW·h，遮擋時間段內(nèi)分離式單元的發(fā)電量是集中式單元的兩倍?？梢钥闯鲈诠夥嚵胁糠謪^(qū)域收到陰影遮擋情況下，分離式MPPT系統(tǒng)可充分利用無遮擋部分的電池板發(fā)電。集中式系統(tǒng)由于不是對每一塊電池板的最大功率點進行跟蹤，而是對多電池板串聯(lián)后的整體最大功率點進行跟蹤，在受到陰影遮擋時其發(fā)電量遠不及分離式系統(tǒng)。

圖12 兩個單元的全天發(fā)電功率曲線

圖12為兩個單元全天發(fā)電功率曲線?？煽闯鰺o陰影遮擋時間段內(nèi)分離式單元發(fā)電功率略低于集中式單元發(fā)電功率，這是由于分離式單元安裝的18個MPPT優(yōu)化器需要消耗少許電量。分離式單元全天發(fā)電量 15.4kW·h，集中式單元全天發(fā)電量14.2kW·h，MPPT分離式系統(tǒng)的全天發(fā)電量比集中式高8.45%。

表4統(tǒng)計了這兩個單元從二月至五月的發(fā)電量數(shù)據(jù)，在這4個月中分離式單元的發(fā)電量比集中式單元增加了6.48%。

表4 兩個單元4個月的發(fā)電量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

對光伏陣列建模仿真得到的結(jié)果為在每串遮擋 1～4塊各情況下，分離式 MPPT系統(tǒng)的輸出功率比集中式MPPT系統(tǒng)提高了10.4%～95%不等。然后在具體實驗中記錄了同樣遮擋情況下兩個建筑光伏陣列的發(fā)電功率曲線，在上午08∶00—10∶28時間段內(nèi)分離式 MPPT單元的發(fā)電量是集中式的兩倍，由全天發(fā)電功率曲線得到分離式MPPT單元將系統(tǒng)日發(fā)電量提高了8.45%。經(jīng)過連續(xù)4個月的發(fā)電量統(tǒng)計得到分離式單元將發(fā)電量提高了6.48%?？煽闯霰疚奶岢龅姆蛛x式 MPPT技術(shù)特別適合于存在遮擋或組件不匹配的光伏并網(wǎng)電站，尤其是BAPV系統(tǒng)。集中式MPPT技術(shù)只能對陣列級別最大功率點進行跟蹤，是對整個光伏陣列的發(fā)電進行的粗放式管理。而分離式MPPT技術(shù)可對組件級別最大功率點進行跟蹤，是對整個光伏陣列的發(fā)電進行的精細化管理，使各組件發(fā)揮出最大的發(fā)電能力。

[1] 趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛,等.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京:科學出版社, 2005.

[2] CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZ J T, et al. Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey[J].IEEE Trans. Industrial Electronics, 2006, 53(4):1002-1016.

[3] 胡寅.太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計[J].上海建設(shè)科技, 2009(1): 12-15.

[4] Ralf Muenster. 電源優(yōu)化器技術(shù):集中式與分布式MPPT的分析和比較[J].電子設(shè)計應用, 2009 (9):63-64.

[5] 陳劍,趙爭鳴,袁立強,等.光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)的比較[J].清華大學學報(自然科學版), 2010, 50(5): 700-704.

[6] 周德佳,趙爭鳴,袁立強,等.具有改進最大功率跟蹤算法的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)[J].中國電機工程學報, 2008, 28(5): 94-100.

[7] 賀凡波,趙爭鳴,袁立強.一種基于優(yōu)化算法的光伏系統(tǒng)MPPT方法[J].電力電子技術(shù), 2009, 43(10): 11-13.

[8] 唐峰.兩種形式太陽能并網(wǎng)逆變電源發(fā)電效率的研究[J].電源世界, 2010(8): 46-48.

[9] 時劍,劉俊,劉凱,等.中大功率組合型逆變器的優(yōu)勢[J].中國建設(shè)動態(tài):陽光能源, 2011(2): 68-69.

[10] Michele Sclocchi.分布式MPPT提高太陽能光伏系統(tǒng)的效率[J].集成電路應用, 2009(12): 40-41.

[11] ALONSO-GARCIAA M C, RUIZB J M, CHENLO F.Experimental study of mismatch and shading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module[J].Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006, 90(3):329-340.

[12] ALONSO-GARCIAA M C, RUIZB J M. Analysis and modeling the reverse characteristic of photovoltaic cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006,90(10): 1105-1120.

[13] MEYER E L， ERNEST VAN DYK E. Assessing the reliability and degradation of photovoltaic module performance parameters[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2004, 53(1): 83-92.

[14] JABOORI M G, HANAFY S M. A contribution to the simulation and design optimization of photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,1991, 6(3): 401-406.