王　豐　孔鵬舉　Fred C. Lee　卓　放

（1. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院　西安　710049

2. iWatt公司　加州　美國(guó)　95008

3. 弗吉尼亞理工大學(xué)　弗吉尼亞州　美國(guó)　24060）

基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統(tǒng)輸出特性分析

王豐1孔鵬舉2Fred C. Lee3卓放1

（1. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西安710049

2. iWatt公司加州美國(guó)95008

3. 弗吉尼亞理工大學(xué)弗吉尼亞州美國(guó)24060）

分布式最大功率跟蹤（DMPPT）光伏系統(tǒng)可以有效地抑制實(shí)際環(huán)境中因?yàn)楣庹詹痪绊懰斐傻漠a(chǎn)電率下降的問(wèn)題。以DMPPT的光伏系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)多個(gè)分布式最大功率跟蹤模塊組網(wǎng)的優(yōu)化問(wèn)題，基于系統(tǒng)靜態(tài)輸出特性對(duì)多個(gè)光伏優(yōu)化模塊級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了一種新型的DMPPT光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析和研究，闡明了光照條件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及單個(gè)光伏優(yōu)化模塊本身限壓值、限流值等參數(shù)與光伏陣列最大輸出功率之間的關(guān)系。所提出的新型DMPPT光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保證在不同的光照條件下每塊光伏板都可以工作在各自的最大功率點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)有效地提高了光伏陣列在失配問(wèn)題下產(chǎn)電率，并且適用于高電壓母線系統(tǒng)。最后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提出的新型DMPPT光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)光伏系統(tǒng)產(chǎn)電率的優(yōu)化效果。

分布式最大功率跟蹤光伏光照不均結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

太陽(yáng)能發(fā)電作為清潔能源供能的主要方法之一，其自身具有能源總量巨大，清潔無(wú)污染及地理上不受限制等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定，易于實(shí)施和維護(hù)。近十幾年里，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的努力推廣下，光伏發(fā)電的效率顯著提高，成本不斷降低，從而使得整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈快速成長(zhǎng)，成為全球增速最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，太陽(yáng)能發(fā)電也逐漸由補(bǔ)充能源轉(zhuǎn)變?yōu)榭商娲茉?。然而，在?shí)際的光伏系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中，周圍物體陰影的遮擋和太陽(yáng)能板的具體安裝朝向不同會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)產(chǎn)電率嚴(yán)重下降（10%～20%）[1-4]，上述問(wèn)題通常被稱為光伏系統(tǒng)的失配問(wèn)題。失配問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致光伏陣列整體的輸出靜態(tài)特性曲線呈現(xiàn)出“多個(gè)最大功率點(diǎn)（Multiple Maximum Power Point，MMPP）”的現(xiàn)象，對(duì)傳統(tǒng)集中式最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法也提出了挑戰(zhàn)。即便采用某種復(fù)雜先進(jìn)的算法，可以找到多個(gè)最大功率點(diǎn)中的全局最高點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)仍舊無(wú)法保證所有光伏板都工作在自身的最大功率點(diǎn)。因此傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)對(duì)光伏組件的電氣參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境的一致性要求高，日常系統(tǒng)維護(hù)和清理較為麻煩，人工成本高昂，限制了光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2001年，Toshihisa Shimizu對(duì)光照不均情況下的光伏系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行了分析，從單塊光伏單元的角度去尋求解決失配問(wèn)題對(duì)光伏系統(tǒng)造成的影響的方法。2004年，G. R. Walker和P. C. Sernia examined提出了分布式最大功率跟蹤的概念（Distributed Maximum Power Point Tracking，DMPPT），通過(guò)單塊光伏板連接獨(dú)立的最大功率跟蹤優(yōu)化單元的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大模塊，輸出最大功率的范圍，并且基于不同的電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析和比較。2006年，Eduardo Román將傳統(tǒng)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏系統(tǒng)與分布式最大功率跟蹤的概念相結(jié)合，從系統(tǒng)級(jí)的角度對(duì)分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行了分析[5-7]。

基于DMPPT的概念，本文在分析光伏模塊輸出特性的基礎(chǔ)上，對(duì)于失配條件下多模塊級(jí)聯(lián)組網(wǎng)的系統(tǒng)靜態(tài)輸出特性曲線進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出一種基于DMPPT光伏系統(tǒng)的優(yōu)選方法。并且通過(guò)這種方法得出一種適合于高壓母線的光伏陣列結(jié)構(gòu)，可以保證在任何失配條件下，各個(gè)光伏板都工作在各自的最大功率點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)可以有效地提高光伏系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)電率。

本文主要分為如下部分：①文章以屋頂光伏系統(tǒng)為例，通過(guò)Matlab仿真，比較了DMPPT光伏系統(tǒng)和傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)在失配條件下的靜態(tài)輸出特性，量化分析了失配條件對(duì)傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)產(chǎn)電率的影響。②對(duì)不同結(jié)構(gòu)的DMPPT光伏系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出一種衡量DMPPT光伏系統(tǒng)在不同光照條件下是否保證最大功率輸出的準(zhǔn)則。③提出了一種適用于高壓母線的DMPPT光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以保證光伏系統(tǒng)在任何光照條件下的最大功率輸出，極大地提高了光伏系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的產(chǎn)電率。④最后通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1　失配條件對(duì)光伏系統(tǒng)影響分析

圖1a所示為美國(guó)加州的一個(gè)屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)，由30塊光伏板構(gòu)成，因?yàn)槲蓓斆娣e和朝向所限，30塊光伏板的安裝位置如圖1b所示。光伏串A和光伏串B由10塊光伏板串聯(lián)構(gòu)成，分別安裝在屋頂?shù)膬蓚€(gè)朝向，光伏串C也是由10塊光伏板串聯(lián)構(gòu)成，安裝在屋頂?shù)氖Ｓ嗝娣e。每塊光伏板的額定功率為170W，整個(gè)系統(tǒng)為5.1kW。為了盡量還原光伏系統(tǒng)的實(shí)際輸出特性，本文以美國(guó)加州地區(qū)2010年4月16日15∶00的輻照度作為仿真參考，每塊光伏板的輻照度如圖1b所示。

圖1　屋頂光伏系統(tǒng)示例Fig.1　Case study of residential PV system

可見(jiàn)對(duì)于用戶光伏系統(tǒng)，充分利用所有的受光面的同時(shí)，光照不均問(wèn)題是在所難免的。

1.1傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)

以光伏串C為例，它由10塊光伏板串聯(lián)構(gòu)成，其中有6塊光伏板的輻照度為400W/m2，有2塊光伏板的輻照度為300W/m2，有2塊光伏板的輻照度為1 000W/m2。光伏串C的輸出特性曲線由10塊光伏板各自的輸出特性曲線相互疊加而成，整串輸出I-V特性曲線如圖2a所示。將光伏串C的I-V曲線上的每一點(diǎn)的電壓電流值相乘，可以得到其輸出P-V特性曲線，如圖2b所示。

圖2　光伏串C的輸出特性曲線Fig.2　Output characteristic curve of string C

從圖2b可以看出，因?yàn)楣庹詹痪?，整個(gè)光伏串C的P-V曲線呈現(xiàn)出多峰值（Multi-Peak，MP）的輸出特性，這種特性會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的MPPT算法造成困擾，后級(jí)電力電子變換器的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)有可能停留在任何一個(gè)峰值（A、B和M中的任何一點(diǎn)），無(wú)法保證輸出光伏串的最大功率。即使通過(guò)某種較為先進(jìn)的MPPT算法，可以在這種情況下找到全局的最大功率點(diǎn)M（Global Peak, GP），即便如此也只能使其中的6塊光伏板（400W/m2）工作在自己的最大功率點(diǎn)，另外4塊板子中，有2塊光伏板（1 000W/m2）沒(méi)有工作在自己的最大功率點(diǎn)，還有2塊光伏（300W/m2）因?yàn)榕月范O管的反向截止，完全沒(méi)有輸出功率，并且如果長(zhǎng)時(shí)間維持在截止?fàn)顟B(tài)，會(huì)導(dǎo)致光伏板的損壞，進(jìn)一步影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的產(chǎn)電率。通過(guò)對(duì)比可以看出，即使光伏串C工作在自己的全局最大功率點(diǎn)M，它依舊無(wú)法合理的輸出每塊光伏板的最大功率，這部分的功率損失高達(dá)30%。

以此類推，可以得到光伏串A、B的輸出特性曲線。因?yàn)?個(gè)光伏串輸出并聯(lián)，將其疊加就可以得到整個(gè)光伏陣列在當(dāng)前光照條件下的P-V輸出特性曲線如圖3所示，圖中的虛曲線分別代表A、B和C 3個(gè)光伏串的輸出P-V特性曲線，每條曲線上的點(diǎn)分別代表各自的最大功率點(diǎn)。實(shí)線為三條虛線的縱坐標(biāo)值疊加，表示整個(gè)光伏陣列的輸出P-V特性曲線，其中“M”點(diǎn)表示該光伏陣列在當(dāng)前不均衡光照下的全局最大功率點(diǎn)。

圖3　光伏陣列的P-V特性曲線Fig.3　P-V output curve of the PV system

通過(guò)圖3可以看出，在本例中即使通過(guò)某些先進(jìn)的MPPT算法[8-12]可以找到傳統(tǒng)光伏陣列輸出P-V曲線上的全局最大功率點(diǎn)M，其各自的光伏串A、B和C依舊無(wú)法工作在自己的最大功率點(diǎn)，因此會(huì)損失13%的輸出功率。

1.2基于DMPPT的光伏系統(tǒng)

分布式最大功率跟蹤的概念是將一個(gè)DC-DC變換器與一塊標(biāo)準(zhǔn)光伏板相連構(gòu)成一個(gè)模塊（稱之為“光伏優(yōu)化模塊”），再以該模塊為基本單元進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)光伏陣列，來(lái)提高抗失配能力的概念，如圖4a所示。光伏優(yōu)化模塊中的DC-DC變換器在其輸入端通過(guò)最大功率跟蹤的算法對(duì)光伏板的輸出電壓（電流）進(jìn)行控制，使之輸出最大功率；在不考慮DC-DC變換器本身?yè)p耗的前提下，DC-DC變換器的輸出功率永遠(yuǎn)等于輸入功率，可以等效為一個(gè)恒功率源，其具體的工作點(diǎn)取決于后級(jí)變換器或者母線電壓控制。圖4b中，虛線和實(shí)線分別表示光伏板本身和光伏優(yōu)化器在不同光照條件下的輸出特性曲線?？梢钥闯觯诓煌墓庹諚l件下，光伏優(yōu)化模塊將傳統(tǒng)太陽(yáng)能板的最大功率區(qū)域從一個(gè)點(diǎn)延展到了一個(gè)寬泛的恒功率區(qū)域，該恒功率區(qū)域的大小由DC-DC變換器開(kāi)關(guān)器件的功率等級(jí)決定[13]。

圖5　DMPPT光伏串C的輸出特性曲線Fig.5　Output curve of string C with optimizers

仍以光伏串C為例，在相同的光照條件下，在每個(gè)光伏板上安裝MPPT變換器，整個(gè)光伏串的輸出I-V曲線和P-V曲線如圖5a和圖5b所示。其中虛線所示為傳統(tǒng)光伏串C輸出特性，實(shí)線表示基于DMPPT結(jié)構(gòu)的光伏串C的輸出特性曲線?？梢钥闯龌贒MPPT結(jié)構(gòu)的光伏串C的輸出功率有了明顯的提高，不僅在光照不均的情況下可以實(shí)現(xiàn)每塊光伏板均輸出各自的最大功率，并且最大功率呈現(xiàn)出很寬的恒功率區(qū)。傳統(tǒng)光伏板構(gòu)成的光伏串中多個(gè)最大功率點(diǎn)的問(wèn)題也得以消除。對(duì)于后級(jí)變換器，即便最簡(jiǎn)單的MPPT算法也可以有效輕易地找到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。同樣得到基于DMPPT結(jié)構(gòu)的光伏串A、B輸出特性曲線，將其疊加就可以得到整個(gè)DMPPT光伏陣列在的P-V輸出特性曲線如圖6所示。

圖6　DMPPT光伏陣列的P-V特性曲線Fig.6　Output P-V curve of the DMPPT PV system

圖6中的虛線分別代表A、B和C三條光伏串的輸出P-V特性曲線，實(shí)線為三條虛線的縱向疊加，表示整個(gè)光伏陣列的輸出P-V特性曲線。比較圖3可以看出，通過(guò)引入光伏優(yōu)化模塊，光伏系統(tǒng)在光照不均條件下的輸出功率得到了顯著提升，約為20%。

本小節(jié)中，通過(guò)引入光伏優(yōu)化模塊：①緩解了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)因?yàn)槭洮F(xiàn)象引發(fā)的能量損失，提高了光伏系統(tǒng)產(chǎn)電率，縮短了光伏系統(tǒng)投資回報(bào)周期；②擴(kuò)大了光伏系統(tǒng)的最大功率區(qū)域，解決了失配情況下系統(tǒng)多個(gè)最大功率點(diǎn)的問(wèn)題；③對(duì)于DMPPT光伏系統(tǒng)，后級(jí)并網(wǎng)變流器仍然需要最大功率跟蹤的功能，但是由于引入DMPPT，后級(jí)的最大功率跟蹤算法更為簡(jiǎn)單和快速；④光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝更為靈活、簡(jiǎn)單，對(duì)于光照區(qū)域的利用率也大大提高。

2　基于DMPPT光伏系統(tǒng)的輸出特性分析

本節(jié)首先以光伏優(yōu)化模串聯(lián)（并聯(lián)）構(gòu)成光伏串（組）為例，分析其整體輸出特性以及保證其系統(tǒng)最大功率輸出的條件；其次再以基于DMPPT的光伏串和光伏組構(gòu)成光伏陣列并研究其輸出特性和最大功率輸出的判定準(zhǔn)則。

如果將基于DMPPT的光伏模塊串聯(lián)，如圖7a所示（以光伏串C的光照情況為例），其輸出特性曲線如圖8所示。其中MPL代表最大功率區(qū)域的低壓點(diǎn)（Maximum Power region Lower point，MPRLP，MPL），MPH代表最大功率區(qū)域的高壓點(diǎn)（Maximum Power region Higher point，MPRHP，MPH）。當(dāng)整個(gè)光伏串的輸出電流位于電流限流值Ilimit，并且每個(gè)模塊都處于輸出最大功率的條件下時(shí)，所有模塊的輸出電壓之和就是VMPL。

圖7　基于DMPPT光伏串和光伏組Fig.7　DMPPT string and row

圖8　DMPPT光伏串C的輸出特性曲線Fig.8　Output curve of DMPPT string C

式中，n為基于DMPPT結(jié)構(gòu)的光伏串中的模塊數(shù)；Pmi為第i塊光伏板在當(dāng)前光照條件下自身的最大輸出功率；Ilimit為光伏優(yōu)化模塊本身的電流限流值。

最大功率區(qū)域的高壓點(diǎn)VMPH為

式中，Pmax為輻照度最高的光伏板的最大輸出功率；Vlimit為光伏優(yōu)化模塊本身的限壓值。因?yàn)檩椪斩鹊牟淮_定性，在這里將光伏板的額定輸出功率定義為Ps，式（3）可以標(biāo)準(zhǔn)化為定義整個(gè)光伏串的光照條件系數(shù)為

當(dāng)Kmis=1時(shí)說(shuō)明光照情況理想，無(wú)失配問(wèn)題；當(dāng)Kmis越小，光照越不均衡，失配問(wèn)題就越嚴(yán)重。將式（5）代入式（1）和式（2）中可以得到

可以得到，基于光伏優(yōu)化模塊的光伏串的最大功率區(qū)域可以表示為

根據(jù)相同的分析思路，可以得到圖7b中的光伏組的輸出特性曲線中最大功率區(qū)域的表達(dá)式為

基于DMPPT的光伏系統(tǒng)中，根據(jù)式（8）和式（9）可以推得：

（1）其輸出特性曲線中最大功率區(qū)域的范圍的寬窄與Kmis和n呈正比例關(guān)系。

（2）對(duì)于光伏模塊本身參數(shù)Ilimit和Vlimit，在已知光照條件下，保證最大功率區(qū)域的存在的必要條件為

（3）從損耗角度理解，同樣的光伏優(yōu)化模塊數(shù)，串聯(lián)構(gòu)成光伏串后的整體輸出特性為電壓高、電流??；并聯(lián)構(gòu)成光伏組后的整體輸出特性為電壓低、電流大，并且需要單個(gè)模塊具有很高的電壓變比才可以輸出足夠高的電壓。光伏串聯(lián)結(jié)構(gòu)更具效率方面的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于基于DMPPT的光伏陣列而言，其輸出最大功率的區(qū)域大小取決于各個(gè)光伏串（組）輸出的最大功率區(qū)域的重合區(qū)，如圖6所示。如果將多個(gè)DMPPT的光伏串并聯(lián)構(gòu)成光伏陣列，其最大功率區(qū)域開(kāi)始于X點(diǎn)（恒功率區(qū)低壓端），結(jié)束于Y點(diǎn)（恒功率區(qū)高壓端）。對(duì)應(yīng)到各個(gè)光伏串的輸出特性曲線上可以看出，決定整個(gè)光伏陣列恒功率區(qū)域起點(diǎn)的是光伏串A的恒功率區(qū)的起點(diǎn)Z點(diǎn)（恒功率區(qū)低壓端），決定整個(gè)光伏陣列恒功率區(qū)域的終點(diǎn)的是光伏串C的恒功率區(qū)的終點(diǎn)W點(diǎn)（恒功率區(qū)高壓端）?？梢钥闯?，基于DMPPT光伏系統(tǒng)的輸出特性曲線中，其恒功率輸出范圍的起點(diǎn)（低壓點(diǎn)）由該陣列中輸出能量最高的光伏串決定。而其恒功率輸出范圍的終點(diǎn)（高壓點(diǎn)）則由光照不均現(xiàn)象最嚴(yán)重的光伏串來(lái)決定。

在圖9中，將a圖所示結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)Ⅰ：假設(shè)其中第一串光伏模塊的輻照度為理想光照（best case），所有光伏板都工作在額定輸出功率狀態(tài)；第二串光伏模塊為最惡劣的光照情況（worst case），僅有一塊光伏板工作在理想光照下，其余n-1塊光伏板都完全無(wú)光照（失配問(wèn)題最嚴(yán)重）。如果上述這兩串光伏模塊存在共同的輸出最大功率區(qū)域，就可以保證結(jié)構(gòu)Ⅰ在任何光照條件下都可以讓所有光伏板工作在各自的最大功率點(diǎn)，即

圖9　基于DMPPT的光伏陣列結(jié)構(gòu)比較Fig.9　DMPPT based structure I and II

可以得到結(jié)構(gòu)Ⅰ最大輸出功率的判據(jù)

式中，n為每個(gè)光伏串中串聯(lián)光伏優(yōu)化模塊的數(shù)量。根據(jù)相同的分析思路，可以得到圖9b中的DMPPT光伏陣列結(jié)構(gòu)Ⅱ的輸出特性曲線中最大功率區(qū)域的判據(jù)為

式中，m為每個(gè)DMPPT光伏組中串聯(lián)光伏優(yōu)化模塊的數(shù)量。

通過(guò)前述分析可以看出，保證結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ能夠輸出理想最大功率的標(biāo)準(zhǔn)由4個(gè)參數(shù)決定：Vlimit、Ilimit、n(m)和Ps。其中Ps表示光伏板的額定輸出功率，由光伏板的制造廠商決定；n（m）是光伏電池串（組）中的模塊數(shù)，由光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和屋頂面積決定；Vlimit、Ilimit由光伏模塊的開(kāi)關(guān)器件決定。通過(guò)上述分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）單個(gè)光伏優(yōu)化模塊的限壓值Vlimit和限流值Ilimit對(duì)光伏陣列的整體輸出特性具有重要影響，在硬件條件允許的情況下應(yīng)該盡可能的擴(kuò)大限壓值和限流值，也就是擴(kuò)大光伏優(yōu)化模塊恒功率輸出的范圍。

（2）保證結(jié)構(gòu)Ⅰ能夠輸出理想最大功率的標(biāo)準(zhǔn)和每個(gè)光伏模塊串聯(lián)模塊的數(shù)目密切相關(guān)。在單個(gè)光伏優(yōu)化模塊參數(shù)確定的情況下，串聯(lián)數(shù)目越多，能夠輸出理想最大功率的標(biāo)準(zhǔn)越苛刻。

（3）保證結(jié)構(gòu)Ⅱ能夠輸出理想最大功率的標(biāo)準(zhǔn)和每個(gè)光伏模塊組的并聯(lián)模塊的數(shù)目密切相關(guān)。在單個(gè)光伏優(yōu)化模塊參數(shù)確定的情況下，并聯(lián)數(shù)目越多，能夠輸出理想最大功率的標(biāo)準(zhǔn)越苛刻。

（4）基于同樣的光伏優(yōu)化模塊數(shù)和同樣的光伏優(yōu)化模塊參數(shù)，結(jié)構(gòu)Ⅱ在高電壓的應(yīng)用場(chǎng)合具有更好的抗失配能力。

3　硬件平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1硬件平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證前述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和比較，本文搭建了一套額定功率為15kW的DMPPT光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)的光伏系統(tǒng)輸出特性，系統(tǒng)由下面三個(gè)部分構(gòu)成。

圖10　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10　Picture of test platform

（1）太陽(yáng)能仿真器陣列。因?yàn)榄h(huán)境條件所限，本文通過(guò)20臺(tái)Agilent E4361型太陽(yáng)能仿真器來(lái)模擬一個(gè)由30個(gè)光伏板組成的光伏陣列。該仿真器可以通過(guò)設(shè)置開(kāi)路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點(diǎn)電壓VMPPT和最大功率電流IMPPT這4個(gè)參數(shù)快速的模擬不同型號(hào)太陽(yáng)能單元在不同光照情況下的輸出特性曲線。

（2）光伏優(yōu)化模塊。光伏優(yōu)化模塊采用30個(gè)SolarMagic公司定制的基于Buck-Boost拓?fù)涞膯卧夥鼉?yōu)化模塊。該模塊可用于最高600V的串聯(lián)電壓等級(jí)，最大功率點(diǎn)電壓VMPPT的范圍為15～40V，最大功率點(diǎn)電流IMPPT的最大值為8.5A，Vlimit為40V，Ilimit為9A。

（3）電子負(fù)載。輸出部分采用15kW的MCL488可編程電子負(fù)載。該電子負(fù)載具有多路獨(dú)立的、可調(diào)節(jié)的輸出通道，使用單個(gè)模塊或多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)可實(shí)現(xiàn)定電流、定電阻、定功率和定電壓輸出。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)對(duì)圖9所示的兩種基于DMPPT的光伏陣列結(jié)構(gòu)的判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)殡娮迂?fù)載的功率所限，在這里僅使用其中20臺(tái)光伏仿真器和相應(yīng)數(shù)量的光伏優(yōu)化器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了對(duì)應(yīng)于相同的后級(jí)直流母線，結(jié)構(gòu)Ⅰ由2串光伏模塊并聯(lián)構(gòu)成，每串10個(gè)模塊（n=10）；結(jié)構(gòu)Ⅱ由10個(gè)光伏模塊組串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)光伏組串聯(lián)構(gòu)成（m=2）。兩種結(jié)構(gòu)輸出均和電子負(fù)載相接，通過(guò)調(diào)整電子負(fù)載的輸出，得出整個(gè)光伏串的輸出特性曲線，如圖11所示。

圖11　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.11　Schematic of testbed

當(dāng)光照均勻時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)中的20塊光伏仿真器均工作在輻照度為1 000W/m2的情況，此時(shí)兩種結(jié)構(gòu)輸出特性曲線完全一致。當(dāng)發(fā)生失配現(xiàn)象時(shí)，光伏模塊#1～#11的輻照度為1 000W/m2，而光伏模塊#12～#20的輻照度為100W/m2，兩種結(jié)構(gòu)的輸出特性曲線如圖12所示。圖12a代表仿真結(jié)果的P-V曲線，其中上方的水平線表示理論上該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在當(dāng)前光照下所有光伏板各自最大功率值的和。圖12b代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果的P-V曲線，結(jié)構(gòu)Ⅰ曲線的最高點(diǎn)為1 007W，結(jié)構(gòu)Ⅱ曲線的最高點(diǎn)為1 106W?？梢钥闯鲈诠庹詹痪鶆虻臈l件下，結(jié)構(gòu)Ⅱ相對(duì)結(jié)構(gòu)Ⅰ的產(chǎn)電率提高了將近10%。

圖12　仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12　Simulation and test results

4　結(jié)論

本文主要分析了基于DMPPT結(jié)構(gòu)的新型光伏系統(tǒng)的工作原理和輸出特性。通過(guò)對(duì)不同組成結(jié)構(gòu)的DMPPT光伏系統(tǒng)的分析，提出了用于衡量光伏系統(tǒng)在不同光照條件下是否總是可以保證最大功率輸出的判據(jù)。在分析總結(jié)不同結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)特性的同時(shí)，本文針對(duì)不同的DMPPT光伏組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)所提出的判據(jù)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，文章最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)證明了所提判據(jù)的有效性，具有很好的理論和應(yīng)用價(jià)值。

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Wang Feng，Wu Xinke，F(xiàn)red C Lee，et a1. Application of unified output MPPT control in DMPPT PV system[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(21): 81-89.

Output Characteristic Analysis of Distributed Maximum Power Point Tracking PV System

Wang Feng1Kong Pengju2Fred C. Lee3Zhuo Fang1
（1. Xi’an Jiao Tong UniversityXi’an710049China
2. iWatt HeadquartersCampbell95008CAUS
3. Virginia Polytechnic Institute and State UniversityBlacksburg24060VAUS）

Traditional PV systems always suffer mismatched issues, resulting in disproportionate impacts on energy generation. Distributed maximum power point tracking (DMPPT) PV system, is hereby proposed to solve such problem. To study the smart panel based DMPPT PV system, this paper proposes a new system structure. The relationship among the irradiance case, voltage limit and current limit of the PV optimizer is also analyzed. With the proposed structure, each panels under mismatched cases can work on its independent maximum power point, so a better performances of the PV system can be guaranteed. The new system structure improves the power generation of the PV system in real case effectively, especially in higher voltage bus system. Finally the efficiency of the proposed new DMPPT PV system is verified by experiments.

Distributed max power point tracking, photovoltaic, mismatch, system optimization

TK514

王豐男，1983年生，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器、分布式新能源發(fā)電。

孔鵬舉男，1981年生，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電磁干擾的建模和噪聲抑制。

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2014M552446），電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中青年基礎(chǔ)研究創(chuàng)新基金（EIPE14313）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51177130）資助項(xiàng)目。

2013-11-13改稿日期 2014-01-03