光伏組件直流模塊的控制策略研究

丁 坤 ， 徐俊偉 ， 彭 韜 ， 卞新高 ， 張經(jīng)煒

（1.河海大學(xué) 機電工程學(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)重點實驗室 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[1]。因此，對于集中式或者分布式的最大功率點跟蹤（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的前提下完成全局最大功 率 點 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。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每個組件都能運行在MPP處輸出功率，但是由于效率低下和成本昂貴的缺點，在實際應(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，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，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 實驗驗證

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

實驗系統(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嶒炛麟娐穲D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。

實驗過程中初始設(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的實驗曲線如圖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)計了滿足不同工況下的控制策略，并通過實驗驗證了在嚴(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行在MPP處，大大提高了系統(tǒng)的能效。

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