并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與仿真

許　天，陳小強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與仿真

許天，陳小強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

摘要：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)受安裝方向和角度的影響，時(shí)刻處在不同的光照條件，采用常規(guī)的集中式、串式電氣結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)容易產(chǎn)生熱斑問題，且部分處在低光照條件的電池影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，使最大功率點(diǎn)跟蹤效率大大降低.在分析實(shí)際屋頂光照情況下，提出了一種并聯(lián)式多支路分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，針對并聯(lián)式多支路結(jié)構(gòu)的電氣特點(diǎn)，分析選取一種有源鉗位變換器，在MATLAB環(huán)境下構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒎抡娣治?仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)抗陰影性能.

關(guān)鍵詞：分布式；光伏發(fā)電；并聯(lián)式多支路；有源鉗位變換器；抗陰影性能

0引言

光伏發(fā)電技術(shù)近年來得到了各國的重視，發(fā)展十分迅速.其中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量持續(xù)增長，這使得分布式光伏發(fā)電結(jié)合智能電網(wǎng)技術(shù)成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢[1-4].分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，可安裝在辦公樓宇、住宅小區(qū)等用電端，且成本較低，適合民間投資.然而，現(xiàn)有的分布式光伏系統(tǒng)多采用固定支架安裝，因光伏陣列的日照情況時(shí)刻變化，致使傳統(tǒng)的串聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)容易發(fā)生功率損失[4].筆者通過分析分布式光伏系統(tǒng)安裝環(huán)境，提出一種改進(jìn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效提升了系統(tǒng)抗陰影能力.

1光伏電池支路的特性及功率損失

光伏陣列的基礎(chǔ)元件是光伏電池.光伏電池的輸出特性曲線主要受光伏電池的溫度及輻照度影響，其中溫度越高，開路電壓越低，短路電流變化不明顯，最大功率越低；輻照度越高，開路電壓變化不明顯，短路電流越大，最大功率越大.因此，光伏電池輸出特性受溫度影響相對較小[5-6]，而輻照度大幅變化對系統(tǒng)的影響較大.

光伏發(fā)電系統(tǒng)使用光伏電池單元串、并聯(lián)以獲得設(shè)計(jì)的功率容量.常見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有集中式、串聯(lián)式多支路等結(jié)構(gòu)，使用光伏電池串聯(lián)可獲得高電壓.光伏電池串聯(lián)需要給光伏電池并聯(lián)旁路二極管以防止熱斑效應(yīng)[7-8]損壞元件，然而旁路二極管會(huì)在發(fā)生陰影遮蔽時(shí)導(dǎo)通，致使光伏元件短路，造成部分功率損失.此外，由于光伏電池是電壓控制電流源，出現(xiàn)被短路電池將導(dǎo)致整條串聯(lián)支路剩余光伏電池工作電壓較大地偏離最大功率點(diǎn)電壓，造成更大的損失.文獻(xiàn)顯示，使用相同數(shù)量的并聯(lián)光伏電池和串聯(lián)光伏電池做比較，當(dāng)光伏陣列處在不同輻照度條件時(shí)，串聯(lián)電池支路的輸出功率遠(yuǎn)小于并聯(lián)支路[9-11].

2并聯(lián)式多支路光伏系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多安裝于屋頂，采用固定支架安裝，不具備陽光追蹤功能.為充分利用屋頂?shù)墓庹?，一般?huì)在各斜面安裝光伏電池板[12].各斜面對太陽的角度不同，既投影面積不同，形成不同的輻照條件.同時(shí)，考慮到一天中太陽位置始終在變化，背陽面甚至出現(xiàn)陰影[13]，附近較高建筑也可能存在遮擋，因此，復(fù)雜的陽光照射情況始終存在.除此之外，串聯(lián)光伏電池支路的輸出特性決定了此類結(jié)構(gòu)在陰影情況下?lián)p失大量功率，采用光伏電池并聯(lián)可以解決此問題.

根據(jù)系統(tǒng)功率容量確定并聯(lián)光伏電池組件的數(shù)量，使用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)升壓及最大功率點(diǎn)跟蹤功能，使用逆變器將電能并網(wǎng).相較串聯(lián)式支路，并聯(lián)式支路在復(fù)雜光照分布情況下效率較高，更適合于安裝在多斜面屋頂,如別墅，或是被高樓包圍的建筑上.然而并聯(lián)式支路也存在一些問題，需要進(jìn)一步討論.

(1)并聯(lián)光伏模塊時(shí)，光伏電池模塊輸出電流較大，假設(shè)有n塊電池并聯(lián)，如果采用圖1所示鏈接方式，則靠近電源變換器的導(dǎo)線將承受n倍電流，其導(dǎo)線功率損耗

(1)

此時(shí)導(dǎo)線上功率損耗巨大，因此需要采用如圖2所示并聯(lián)拓?fù)?，將n條導(dǎo)線接入節(jié)點(diǎn)，致使n塊電池并聯(lián)的導(dǎo)線損耗僅為

P=nI2R.

(2)

此外，節(jié)點(diǎn)式并聯(lián)拓?fù)涞墓收先哂喽纫哂阪準(zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，一條線路斷路不會(huì)影響其他光伏板的運(yùn)行.

(2)并聯(lián)式支路輸出電壓為單塊光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，一般小于50 V，故而需要轉(zhuǎn)換到220 V/380 V電網(wǎng)電壓，因此對DC/DC變換器的要求較高，需要采用針對低壓大電流條件的高升壓比變換器.DC/DC變換器分為隔離型和非隔離型，非隔離型變換器為了達(dá)到高增益效果，一般需要采用多級變換、輸出串聯(lián)、耦合電感等復(fù)雜技術(shù)[14]，且不滿足某些國家關(guān)于分布式能源的安全要求.隔離型變換器分為工頻隔離型、高頻隔離型，其中工頻隔離型變換器需要將光伏組件輸出的直流電先逆變?yōu)楣ゎl交流電，在使用工頻變壓器變壓后需要進(jìn)行整流，且工頻變壓器一般鐵芯繞組較大，增加了設(shè)備成本及損耗；而高頻隔離型變換器相比工頻變換器具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，且容易得到高電壓增益，具有一定的優(yōu)勢.

圖1　鏈?zhǔn)酵負(fù)?/p>

光伏電池是電壓控制電流源，輸入電流紋波應(yīng)盡可能小，因此需要合適的變換器拓?fù)?隔離型變換器采用電流饋入型結(jié)構(gòu)可減小變壓器匝比，減少漏感，且控制簡單.選擇Boost型有源箝位型電流饋入的變換器拓?fù)?，具有效率高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[15]，適合應(yīng)用于并聯(lián)式支路結(jié)構(gòu)，其輸入紋波電流小，提高低壓大電流電源輸入的穩(wěn)定性，提高變換器壽命.綜上，并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖2　節(jié)點(diǎn)式拓?fù)?/p>

圖3　并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3仿真實(shí)驗(yàn)

3.1比較串聯(lián)結(jié)構(gòu)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)效率

根據(jù)以上分析搭建光伏電池模型，使用尚德STP250型電池板的參數(shù)，其峰值功率為250 W，開路電壓37.4 V，短路電流8.63 A，最佳工作電壓30.7 V，最佳工作電流為8.15 A.測試單塊光伏電池在輻照度為250、500、750和1 000 W/m2時(shí)的最大功率輸出，數(shù)據(jù)如表1.

表1　STP250型光伏電池在不同輻照度

設(shè)置光伏電池所受輻照度分別為250、500、750和1 000 W/m2,比較4塊光伏電池并聯(lián)和串聯(lián)的輸出，并聯(lián)結(jié)構(gòu)最大功率為566.5 W，串聯(lián)結(jié)構(gòu)最大輸出功率僅為381.5 W.仿真結(jié)構(gòu)圖及結(jié)果如圖4.其中串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出為多峰值曲線，其最大功率點(diǎn)為全局最大功率點(diǎn)，對跟蹤算法有更高的要求.

圖4　串并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出比較圖

3.2驗(yàn)證并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率

搭建12塊光伏電池板并聯(lián)式支路光伏系統(tǒng)前級電路，其仿真接線圖如圖5所示，光伏組件最大功率3 kW，最大功率點(diǎn)跟蹤算法采用固定電壓法，電壓為開路電壓的78%.模擬不規(guī)則的屋頂安裝條件，設(shè)置電池板輻照度為250、500、750和1 000 W/m2各3塊，代表不同斜面面對陽光的不同角度；Boost型有源鉗位變換器采用MOSFET開關(guān)管，MOSFET管電阻應(yīng)盡可能小，否則會(huì)有大量功率損失，參考實(shí)際已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，確定仿真參數(shù)；輔助開關(guān)支路的電容起到儲(chǔ)能作用，應(yīng)盡可能大；高頻變壓器對光伏系統(tǒng)輸入進(jìn)行升壓，該實(shí)驗(yàn)設(shè)置輸出400 V直流電以便并入電網(wǎng)配電側(cè)輸送電能；使用全橋整流將高頻變壓器輸出的交流電整流，以便進(jìn)一步逆變或并入直流母線.仿真的參數(shù)如表2所示，仿真得到變換器輸入輸出波形如圖6所示.

其中輸入電壓為28.8 V，輸入電流為54.6 A，輸入功率為1 575.2 W；輸出電壓為390.0 V，負(fù)載電流為3.9 A，輸出功率為1 521.0 W，變換后的電能符合要求.其中變換器的效率為96.6%.并且光伏電池接受太陽能功率為1 788.0 W，實(shí)際轉(zhuǎn)化率為85.0%.分析表1的數(shù)據(jù)與圖6的仿真電壓可知，不同輻照度下光伏組件最大功率點(diǎn)電壓各不相等，而固定電壓法的運(yùn)行電壓為固定值，當(dāng)此固定值偏離全局最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，將導(dǎo)致部分電池偏離最大功率點(diǎn)運(yùn)行，而由于此時(shí)偏離電壓相對較小，對全局最大功率的偏離影響較小，因此和串聯(lián)支路對比，并聯(lián)式支路的效率仍要比串聯(lián)支路高出很多.并且通過選擇其他全局跟蹤算法，可消除固定電壓法造成的偏差，進(jìn)一步提升跟蹤效率.

表2　仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5　并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)前級電路仿真圖

圖6　仿真結(jié)果圖

4結(jié)論

提出一種基于并聯(lián)式支路的分布式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)確保在光照條件不均情況下所有光伏電池都能近似工作在最大功率點(diǎn)；采用Boost型有源鉗位變換器，在得到高升壓比的同時(shí)起到隔離電網(wǎng)的作用，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方便擴(kuò)展，實(shí)際工程安裝方便，能高效利用建筑表面空間，適合千瓦級分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝；該系統(tǒng)適用于居民住宅屋頂以及不規(guī)則外形建筑等分布式環(huán)境.

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Research and Simulation of Parallel Branch Photovoltaic Power Generation System

XU Tian, CHEN Xiaoqiang

(School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:Distributed photovoltaic power generation system is affected by installation direction and angle, in different times illuminance condition changes, the conventional structures such as centralized or serial structures of the electrical power generation systems are prone to suffer hot spot phenomenon, the photovoltaic cell which is in low illuminance condition will affect the whole system performance, and the performance of the maximum power point tracking will decrease greatly. This paper analyzes the actual roof illuminance conditions, puts forward a paralleled multi-branch of distributed photovoltaic power generation system, combining photovoltaic cell’s own characteristics of series-parallel and roof sunshine distribution to change array structure, according to the electrical characteristics of parallel branch structure, and we choose a kind of active clamped converter, which can improve system’s security and shadow resistance. Construct the experimental prototype and the simulate in Matlab , verify that the system can run efficiently when partially shadowed.

Key words:distributed； photovoltaic power system； paralleled multi-branch; active clamped converter； shadow resistance

中圖分類號(hào)：TM91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201505023

通訊作者：陳小強(qiáng)(1966—)，男，蘭州交通大學(xué)教授，博士，主要從事電磁場與微波技術(shù)、計(jì)算電磁學(xué)研究，E-mail:13919289637@139.com.

基金項(xiàng)目:甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(145RJZA098)

收稿日期:2015-05-11；

修訂日期：2015-08-18

文章編號(hào):1671-6833(2016)02-0025-04

引用本文:許天，陳小強(qiáng).并聯(lián)式支路光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與仿真[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016,37(2)：25-28.