丁 坤 ， 徐俊偉 ， 彭 韜 ， 卞新高 ， 張經(jīng)煒

（1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產(chǎn)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 常州 213022）

光伏陣列周圍建筑物、烏云、灰塵等陰影造成的非理想工況會大大減低光伏陣列的輸出功率。在非理想工況下，保證光伏陣列穩(wěn)定、高效地工作已成為了光伏發(fā)電的關(guān)注焦點(diǎn)[1]。因此，對于集中式或者分布式的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的陣列或者組件的直流控制器的研究至關(guān)重要。集中式MPPT的陣列控制器主要是通過不改變多個功率極值點(diǎn)的前提下完成全局最大功 率 點(diǎn) 跟 蹤 （Global Maximum Power Point Tracking，GMPPT），其組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高，但是對于光伏陣列處于局部陰影時引起的多峰現(xiàn)象需要尋找復(fù)雜的GMPPT方法來控制[2-4]，卻依舊不能使得每個組件均在MPPT處輸出功率。分布式MPPT的光伏發(fā)電系統(tǒng)是將每個光伏組件后接的組件優(yōu)化器通過串、并聯(lián)的方式級聯(lián)起來形成的發(fā)電系統(tǒng)[5-6]，該系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠保證每個組件都工作在各自的MPP處；各個模塊間是相互獨(dú)立的，能夠根據(jù)不同的外部環(huán)境和不同組件的特性進(jìn)行智能調(diào)整；能夠?qū)崟r、便捷地進(jìn)行各自模塊的監(jiān)控、測試，便于系統(tǒng)檢修和維護(hù)。本文主要對光伏組件級聯(lián)直流模塊化系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行分析研究。

1 光伏組件直流模塊化系統(tǒng)

1.1 級聯(lián)直流模塊總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)[5]提出了光伏組件級聯(lián)直流模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要原理是給每個光伏組件都配置一個帶有MPPT的直流斬波電路的組件優(yōu)化器，將光伏組件與對應(yīng)的組件優(yōu)化器成為一個級聯(lián)直流模塊，然后將這些模塊串、并聯(lián)起來形成一定的電壓和功率等級，再通過逆變器供給負(fù)載或者直接并網(wǎng)。典型的級聯(lián)直流模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 組件優(yōu)化器硬件主電路

關(guān)于光伏組件優(yōu)化器，文獻(xiàn)[5]也已對其直流斬波電路進(jìn)行了討論與分析。典型的Boost拓?fù)潆娐坊蛘連uck拓?fù)潆娐返墓ぷ餍矢?，但是在光伏發(fā)電系統(tǒng)處于嚴(yán)重失配工況時不能保證每個組件優(yōu)化器都能正常工作，從而產(chǎn)生系統(tǒng)輸出功率的較大損失；典型的Buck-Boost拓?fù)潆娐纺軌虮ＷC每個組件都能運(yùn)行在MPP處輸出功率，但是由于效率低下和成本昂貴的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中較少出現(xiàn)。因此一種基于雙開關(guān)管的Buck-Boost拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器被提出，拓?fù)潆娐啡鐖D2所示。

圖1 級聯(lián)直流模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure of cascaded DC/DCmodule connection

圖2 雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)潆娐稦ig.2 Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

圖2 中的雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)潆娐酚袃煞N工作模式：Boost工作模式和Buck工作模式。其主要工作原理是：功率開關(guān)管Mosfet1常閉，Mosfet2正常斬波工作，拓?fù)潆娐饭ぷ髟贐oost模式；功率開關(guān)管Mosfet1正常斬波工作，Mosfet2常開，拓?fù)潆娐饭ぷ髟贐uck模式。

2 組件優(yōu)化器控制策略

在光伏組件級聯(lián)直流模塊化系統(tǒng)中，雙開關(guān)管的Buck-Boost拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器的控制策略在于實(shí)現(xiàn)每個組件都能根據(jù)MPPT策略維持在MPP處輸出功率的條件下保持級聯(lián)直流模塊化系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。由于系統(tǒng)在嚴(yán)重失配工況下部分直流模塊不能工作在初始的工作模式下，因此需要根據(jù)電路的工作狀態(tài)對Boost工作模式和Buck工作模式進(jìn)行合適的選取。

圖3是雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)潆娐饭ぷ髂Ｊ降目刂撇呗粤鞒虉D。初始情況是每個組件優(yōu)化器通過軟啟動的方式均在Boost工作模式下進(jìn)行各自光伏組件的MPPT控制。工作模式切換的主要判定條件是：當(dāng)組件優(yōu)化器正處于Boost升壓工作模式進(jìn)行 MPPT，檢測到 Vin＞0.9Vout，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近Boost拓?fù)潆娐凡荒苷９ぷ鞯呐R界點(diǎn)，此時應(yīng)停止升壓驅(qū)動，進(jìn)入Buck降壓工作模式進(jìn)行MPPT；相反當(dāng)組件優(yōu)化器正處于Buck降壓模式進(jìn)行MPPT，檢測到Vin＜1.1Vout，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近Buck拓?fù)潆娐凡荒苷９ぷ鞯呐R界點(diǎn)，此時應(yīng)停止降壓驅(qū)動，進(jìn)入Boost升壓工作模式進(jìn)行MPPT。

另外，如果組件優(yōu)化器能夠在直流變換調(diào)節(jié)裕度范圍內(nèi)運(yùn)行并保持MPPT控制，則不需要進(jìn)行工作模式的切換控制。若電路運(yùn)行中出現(xiàn)故障，則驅(qū)動復(fù)位，停止所有驅(qū)動信號再重新初始化。

圖3 拓?fù)潆娐房刂撇呗訤ig.3 The control strategies of topology circuit

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將每個光伏組件依次連接到以雙開關(guān)管的Buck-Boost為拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器的輸入端，再將各組件優(yōu)化器的輸出端的正、負(fù)極相互串聯(lián)起來接至固定負(fù)載便構(gòu)成雙開關(guān)管的Buck-Boost拓?fù)涞募壜?lián)直流模塊化系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)涔夥绷髂K系統(tǒng)Fig.4 The series PV DC/DCmodule system of Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選取億晶50 W功率等級的光伏組件，組件優(yōu)化器是基于DSP控制的雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)潆娐贰?shí)驗(yàn)主電路圖參數(shù)：電感均為470μH，Mosfet功率管的工作頻率均為25 kHz，輸入電容均為470μF，輸出電容均為220μF，負(fù)載阻值為50Ω。

實(shí)驗(yàn)過程中初始設(shè)定系統(tǒng)在無失配工況下，兩個組件優(yōu)化器均在Boost工作模式下運(yùn)行。測得兩個組件所受的輻照度均為860 W/m2，組件的溫度均為40℃，因此每個組件在MPP處的輸出功率均為43 W。在3 s時刻轉(zhuǎn)動光伏組件1的傾斜角度，使得其所受的入射輻照度不變減小，一直轉(zhuǎn)動到8 s左右停止，此時光伏組件1的入射輻照度低至使得系統(tǒng)處于嚴(yán)重失配工況下。每個光伏組件MPPT的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5和圖7所示，其對應(yīng)的組件優(yōu)化器在工作時的占空比如圖6和圖8所示。

圖6 光伏組件1優(yōu)化器占空比曲線Fig.6 The duty curves of PV module 1's optimizer

從圖5和圖7可以看出，在前3 s時間內(nèi)，兩組件均處于MPPT階段并且能在MPP處輸出功率，在大約3～8 s之間，由于不斷地向輻照度低的方向轉(zhuǎn)動光伏組件1的傾斜角，因此光伏組件1的輸出功率在不斷減小。當(dāng)在7～8 s之間時，光伏組件1后接的組件優(yōu)化器觸發(fā)了模式切換條件，由初始的Boost工作模式切換到Buck工作模式，從圖6可以看出，光伏組件1后接的組件優(yōu)化器的控制Mosfet2占空比從正常跟蹤光伏組件1的占空比逐漸降低變?yōu)?，而控制Mosfet1的占空比由1開始降低直至使得光伏組件1跟蹤到當(dāng)前條件下的MPP；另外光伏組件2在MPP處跟蹤的功率和電壓變化不是很明顯，依舊能保持在MPP處輸出功率，如圖7所示，另外從圖8分析光伏組件2后接的組件優(yōu)化器由于沒有觸發(fā)到模式切換條件，依舊在Boost工作模式下運(yùn)行。

4 結(jié)束語

圖8 光伏組件2優(yōu)化器占空比曲線Fig.8 The duty curves of PV module 2's optimizer

根據(jù)在光伏組件級聯(lián)直流模塊系統(tǒng)處于嚴(yán)重失配工況時部分組件優(yōu)化器出現(xiàn)失效的情況，本文提出一種雙開關(guān)管Buck-Boost拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器，另外設(shè)計(jì)了滿足不同工況下的控制策略，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在嚴(yán)重失配工況下級聯(lián)的直流模塊能夠使得每個光伏組件均運(yùn)行在MPP處，大大提高了系統(tǒng)的能效。

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