孫航，杜海江，季迎旭，楊博

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083)

光伏陣列系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化控制研究

孫航，杜海江，季迎旭，楊博

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083)

在光照不均勻的工況下，光伏陣列的輸出功率會(huì)受到很大影響，采用分布式MPPT控制可取得較好的效果，但關(guān)于系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化的研究較少。本文考慮到系統(tǒng)的保護(hù)和安全、在對(duì)光伏組串中各光伏模塊進(jìn)行限壓保護(hù)及直流母線采取卸荷保護(hù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了分布式功率優(yōu)化控制的工作機(jī)理和算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并利用仿真對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證以及和集中式MPPT控制進(jìn)行比較，結(jié)果證明分布式MPPT優(yōu)化控制不僅可以更好地提高光伏組串的發(fā)電量，而且可以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

光伏陣列;最大功率優(yōu)化控制;分布式;卸荷保護(hù)

1 引言

光伏發(fā)電作為新能源應(yīng)用的一種方式近年來(lái)發(fā)展迅速，光伏電站得到了大力發(fā)展和建設(shè)。為了獲得更多的能量輸出，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)是一種有效的控制手段。目前，大型光伏電站中應(yīng)用的大功率光伏變流器常用的MPPT方法為爬山法。當(dāng)光伏陣列中的光伏模塊受光照不均勻時(shí)，由于旁路二極管的作用，光伏陣列將出現(xiàn)多個(gè)功率峰值，集中式MPPT方法不容易找到最大功率點(diǎn)值，或者由于直流母線工作電壓的范圍限制，光伏陣列無(wú)法達(dá)到最大功率點(diǎn)值，造成了能量損失。為了解決這一問(wèn)題，分布式最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［1］得到了研究和應(yīng)用，尤其是集散式拓?fù)鋺?yīng)用較多。

完全分布式結(jié)構(gòu)有待深入研究，該方式為用DC-DC變換器替代光伏陣列中每個(gè)光伏模塊并聯(lián)的旁路二極管，其機(jī)理是一般維持直流母線電壓恒定，光伏組串中每個(gè)光伏模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，保證各自輸出最大功率，同時(shí)輸出電壓的和等于直流母線電壓。研究?jī)?nèi)容集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略兩方面。在分布式DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)［1，2］中變換器的拓?fù)洳捎肂uck電路，考慮較為簡(jiǎn)單，忽視了變換器的升壓作用;文獻(xiàn)［3］對(duì)變換器僅采用Boost和Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析，但是變換器應(yīng)該具有升壓和降壓雙重功能，所以分析結(jié)果缺乏實(shí)用價(jià)值;文獻(xiàn)［4］針對(duì)如何提高功率轉(zhuǎn)化，對(duì)變換器拓?fù)溥M(jìn)一步研究。在分布式MPPT控制算法方面，文獻(xiàn)［5］分析了基于等效負(fù)載阻抗擾動(dòng)的分布式MPPT方法，但是應(yīng)用對(duì)象限于光伏組件;同樣文獻(xiàn)［6，7］提出的分布式MPPT控制方法研究對(duì)象也較為簡(jiǎn)單?？傊槍?duì)光伏陣列的系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化控制以及分布式和集中式MPPT控制功率的比較研究較少，而其具有較高的研究?jī)r(jià)值，需要進(jìn)一步探究。

綜上，本文首先詳細(xì)闡述系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化控制的工作機(jī)理，然后利用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，并與集中式MPPT控制進(jìn)行比較，最后得出結(jié)論。

2 系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化工作機(jī)理

在光照強(qiáng)度不均勻的工況下，給定直流母線電壓，采用集中式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光伏陣列輸出功率存在多峰現(xiàn)象，每個(gè)組串的最大功率點(diǎn)很有可能不同，由于各組串并接于一條直流母線，若有光伏組串最大功率點(diǎn)電壓不在直流母線工作電壓范圍內(nèi)，該組串無(wú)法達(dá)到最大功率，所以以光伏組串為單位采用集中式功率優(yōu)化控制會(huì)造成功率損失。若對(duì)整個(gè)光伏陣列采用集中式控制，會(huì)造成更大的能量損失。采用分布式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光伏陣列中的每一個(gè)光伏組串以及組串中的每個(gè)光伏模塊可以相對(duì)獨(dú)立工作，使得整個(gè)陣列的每個(gè)模塊都可達(dá)到最大功率。由于陣列工況下，分布式控制時(shí)各組串相互獨(dú)立，所以對(duì)光伏組串的分析結(jié)果同樣適用于光伏陣列。

在標(biāo)準(zhǔn)工況(無(wú)遮擋)下，設(shè)光伏模塊的短路電流為Isc，開(kāi)路電壓為Voc，最大輸出功率為Pm，最大功率點(diǎn)處電壓和電流分別為Vm和Im，直流母線額定工作電壓Uo為

式中，N表示串聯(lián)模塊個(gè)數(shù)。

正常工作時(shí)，直流母線電壓Uo在一定范圍內(nèi)工作，可以定為最小電壓為0.9Uo，最大電壓為1.1Uo。光伏模塊經(jīng)DC-DC變換器后的輸出電壓為Vo，輸出電流為Io。考慮到系統(tǒng)安全和設(shè)備選型經(jīng)濟(jì)性，規(guī)定光伏模塊經(jīng)DC-DC變換器升壓后的限值電壓Vlim為

即當(dāng)Vo＞Vlim時(shí)，光伏模塊退出最大功率跟蹤，輸出電壓Vo進(jìn)行限值，其值等于Vlim。

光伏模塊經(jīng)DC-DC變換器降壓后的限值電流Ilim為

即當(dāng)Io＞Iim時(shí)，光伏模塊退出最大功率跟蹤，輸出電流Io進(jìn)行限值，其值等于Ilim。實(shí)際上，在直流母線電壓Uo工作范圍內(nèi)，光伏模塊的限流保護(hù)很難發(fā)生，如果發(fā)生輸出電流Io限流保護(hù)，由功率守恒可知，此時(shí)組串中無(wú)遮擋光伏模塊經(jīng)DC-DC變換器后的輸出電壓Vo最大為0.5Vm，其他遮擋光伏模塊的輸出電壓一定小于0.5Vm，則總的輸出電壓會(huì)小于直流母線的工作電壓。由于光伏陣列中的每個(gè)光伏組串為防止逆流均串聯(lián)防逆流二極管，因此輸出電流Io應(yīng)為0，與發(fā)生限流保護(hù)矛盾，因此光伏模塊的限流保護(hù)很難發(fā)生?；诖耍谙到y(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化工作機(jī)理中，不再對(duì)限流保護(hù)進(jìn)行分析。

直流母線的保護(hù)電壓Upro定義為

假設(shè)一個(gè)光伏組串由N個(gè)光伏模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)光伏模塊的遮擋率用Si(無(wú)遮擋時(shí)Si=1)表示(i=1，2，…，N)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

給定直流母線電壓Uo，光伏組串中的各光伏模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得經(jīng)DC-DC變換器后的輸出電壓Vo，i之和等于母線電壓Uo，即

圖1 光伏組串分布式功率優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig．1Distributed power optimization structure of PV string

如果不考慮模塊的限壓保護(hù)作用，則各模塊均會(huì)達(dá)到最大功率值Pm，i，光伏組串的輸出功率Po等于各模塊的功率之和，即

組串中各光伏模塊的輸出電壓Vo，i為

若考慮光伏模塊的限壓保護(hù)作用，當(dāng)光伏組串中有的光伏模塊遮擋比較嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致遮擋輕的模塊經(jīng)變換器后的輸出電壓達(dá)到或者超過(guò)限值電壓，對(duì)超壓模塊采取限壓處理后，其他模塊為了保證輸出電壓Vo，i之和等于直流母線電壓Uo以及達(dá)到最大功率，會(huì)繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)再有光伏模塊出現(xiàn)升壓超限情況，會(huì)繼續(xù)重復(fù)上面的過(guò)程。

設(shè)光伏組串中各光伏模塊的遮擋由輕到重，對(duì)應(yīng)序號(hào)由小到大，限壓工況遮擋最輕模塊首先發(fā)生。遮擋情況的輕重以光伏模塊無(wú)遮擋為標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)遮擋的情況下，光照強(qiáng)度為100%，全遮擋的情況下，光照強(qiáng)度為0。以遮擋率從0到100%來(lái)描述遮擋由輕到重的情況。假設(shè)第一次限壓情況發(fā)生，光伏模塊1經(jīng)變換器的輸出電壓Vo，1為

光伏模塊1退出分布式MPPT，電壓限值為Vlim，在直流母線電壓Uo恒定前提下，其他光伏模塊會(huì)繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

設(shè)再?zèng)]有限壓情況發(fā)生，即其他模塊均工作于最大功率點(diǎn)，電路中的輸出電流為Io為

光伏模塊1的輸出功率Po，1為

此時(shí)光伏組串的輸出功率Po為

若又有限壓情況發(fā)生，說(shuō)明遮擋較光伏模塊1重的模塊2發(fā)生了限壓，光伏模塊1、2經(jīng)變換器的輸出電壓Vo，1、Vo，2為

光伏模塊1、2退出分布式MPPT，其他光伏模塊會(huì)繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流母線的輸出電壓Uo保持不變。若其他模塊無(wú)限壓情況發(fā)生，說(shuō)明其他模塊均工作于最大功率點(diǎn)，輸出電流Io為

光伏模塊1、2的輸出功率Po，1、Po，2均為

此時(shí)光伏組串的輸出功率Po為

若再有光伏模塊發(fā)生限壓情況，可以依次進(jìn)行類(lèi)推，得到組串中各光伏模塊的輸出特性和最終輸出功率。

通常情況下，當(dāng)光伏組串中串聯(lián)的光伏模塊個(gè)數(shù)小于等于4個(gè)時(shí)，一般只會(huì)出現(xiàn)一次限壓情況，因?yàn)楣夥K個(gè)數(shù)N=4，直流母線的額定電壓Uo= 4Vm，當(dāng)其中一個(gè)模塊被限壓為Vlim=2Vm后，其他三個(gè)模塊經(jīng)變換器輸出電壓之和等于2Vm，很難再出現(xiàn)限壓的情況。

當(dāng)光伏組串中串聯(lián)的光伏模塊個(gè)數(shù)大于4個(gè)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)二次或以上限壓情況，如光伏模塊個(gè)數(shù)N=6，直流母線的額定電壓Uo=6Vm，當(dāng)出現(xiàn)二次限壓，則有兩個(gè)模塊被限壓為Vlim=2Vm，那么其他四個(gè)模塊經(jīng)變換器輸出電壓之和小于等于2Vm，很難再出現(xiàn)限壓的情況。

最后，由于并網(wǎng)電壓出現(xiàn)異?；蛘吣孀兤靼l(fā)生故障，直流母線電流為零，光伏組串中的各模塊會(huì)持續(xù)升壓，導(dǎo)致母線電壓過(guò)高，這時(shí)需在直流母線側(cè)設(shè)置卸荷保護(hù)，如圖1所示。當(dāng)電壓高于直流母線的保護(hù)電壓Upro時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，電阻消耗能量降低直流母線電壓，此電路保證了在無(wú)通信時(shí)即使出現(xiàn)逆變器異常也不致?lián)p壞設(shè)備。

前述分析過(guò)程可用一種改進(jìn)狀態(tài)機(jī)描述［8］，如圖2所示。

圖2 光伏組串分布式功率優(yōu)化分析計(jì)算過(guò)程Fig．2Distributed power optimization algorithm implementation process of PV strings

3 集中式和分布式MPPT控制的算例仿真分析

在光照不均勻的工況下，通過(guò)仿真算例，對(duì)采用集中式MPPT結(jié)構(gòu)和分布式MPPT結(jié)構(gòu)的光伏組串分別進(jìn)行功率優(yōu)化控制，并對(duì)比分析。

假設(shè)一個(gè)光伏組串由6個(gè)光伏模塊串聯(lián)構(gòu)成，下面給出各光伏模塊參數(shù)，如表1所示。

表1 不同光照強(qiáng)度下光伏模塊參數(shù)值Tab．1Five typical parameter values of photovoltaic module under different insolation conditions

其中光照1為標(biāo)準(zhǔn)工況典型參數(shù)，設(shè)限值電壓Vlim=2Vm=32V，直流母線額定工作電壓Uo=6Vm= 96V，其工作電壓范圍為［86.4V，105.6V］。

從表1中選擇設(shè)定組串中6個(gè)模塊的光照強(qiáng)度組合，設(shè)計(jì)2種算例分析集中式和分布式MPPT控制的效果。

(1)仿真算例1:組串中6個(gè)模塊的光照強(qiáng)度依次為1、1、1、2、3、5。

當(dāng)采用集中式MPPT結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，可以參考文獻(xiàn)［9］中光伏組串建模方法，得到光伏組串的P-V輸出特性曲線如圖3所示。

圖3 算例1光伏組串的P-V輸出特性曲線Fig．3Example 1 P-V output characteristic curve of PV string

光伏組串能夠輸出的最大功率為363.5W，但是采用集中式MPPT控制，由于最大功率點(diǎn)處的電壓不在母線工作電壓范圍內(nèi)，因此光伏組串不會(huì)運(yùn)行在該點(diǎn)，會(huì)運(yùn)行在86.4V，輸出功率為268W。

當(dāng)采用分布式MPPT結(jié)構(gòu)對(duì)光伏組串進(jìn)行功率優(yōu)化時(shí)，由圖2可以得到每個(gè)光伏模塊經(jīng)變換器后的輸出電壓、電流和功率，如表2所示。

由表2看出，每個(gè)光伏模塊經(jīng)變換器后的輸出電壓均小于限值電壓32V，因此各模塊實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，光伏組串的功率輸出488.9W，分布式MPPT控制要比集中式MPPT控制光伏組串輸出的功率提高45.2%。

表2 算例1光伏模塊經(jīng)變換器后輸出的電壓、電流和功率Tab．2Example 1 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

(2)仿真算例2:組串中6個(gè)模塊光照強(qiáng)度依次為1、2、3、4、5、6。

同理可得到光伏組串的P-V輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 算例2光伏組串的P-V輸出特性曲線Fig．4Example 2 P-V output characteristic curve of PV string

光伏組串能夠輸出的最大功率為168.4W，同算例1，由于最大功率點(diǎn)處的電壓不在母線工作電壓范圍內(nèi)，因此采用集中式MPPT控制，光伏組串同樣會(huì)運(yùn)行在86.4V，輸出功率為57.2W。分布式MPPT結(jié)果如表3所示。

表3 算例2光伏模塊經(jīng)變換器后輸出的電壓、電流和功率Tab．3Example 2 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

由表3可以看出，光伏模塊1、2經(jīng)變換器后的輸出電壓由于被限值為32V，沒(méi)有達(dá)到最大功率輸出，而剩下各模塊均實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，光伏組串的功率輸出=212.7W，分布式MPPT比集中式輸出功率提高73.1%。

(3)仿真算例3:重新設(shè)計(jì)6種不同光照強(qiáng)度，參數(shù)如表4所示。

表4 算例3中不同光照強(qiáng)度下光伏模塊參數(shù)Tab．4Example 3 PV module parameters under different insolation conditions

同理可得到光伏組串的P-V輸出特性曲線如圖5所示。

圖5 算例3光伏組串的P-V輸出特性曲線Fig．5Example 3 P-V output characteristic curve of PV string

光伏組串能夠輸出的最大功率為118.6W，同算例1、2，最大功率點(diǎn)電壓很低，因此集中式MPPT控制的有效運(yùn)行點(diǎn)在86.4V，輸出功率為13.1W。分布式MPPT輸出如表5所示。

表5 算例3光伏模塊經(jīng)變換器后輸出的電壓、電流和功率Tab．5Example 3 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

由表5可以看出，光伏模塊1、2經(jīng)變換器后的輸出電壓由于被限值為32V，沒(méi)有達(dá)到最大功率輸出，而剩下各模塊均實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，光伏組串的功率輸出=108.1W，因此分布式MPPT控制要比集中式MPPT控制光伏組串輸出的功率多88%。

算例1中各光伏模塊經(jīng)過(guò)DC-DC變換器后輸出電壓沒(méi)有限壓，各光伏模塊均達(dá)到最大功率輸出，算例2中有2個(gè)光伏模塊經(jīng)過(guò)DC-DC變換器后輸出電壓被限壓，剩余各模塊達(dá)到最大功率，即使不考慮母線工作電壓范圍，集中式MPPT控制達(dá)到最大功率點(diǎn)，其功率輸出也沒(méi)有分布式MPPT控制得到的功率大。算例3中也有2個(gè)光伏模塊經(jīng)過(guò)DC-DC變換器后輸出電壓被限壓，剩余各模塊達(dá)到最大功率，若不考慮母線工作電壓范圍，集中式MPPT控制達(dá)到的最大功率大于分布式MPPT控制得到的功率，但是實(shí)際應(yīng)用中，母線的工作電壓有一定范圍，集中式MPPT的最大功率點(diǎn)處電壓一般不在母線工作電壓范圍，因此無(wú)法達(dá)到最大功率，分布式MPPT控制得到的功率還是要大于集中式MPPT的功率。

4 結(jié)論

當(dāng)光伏陣列受光照不均勻時(shí)，功率輸出會(huì)受到很大影響，采用集中式MPPT結(jié)構(gòu)對(duì)其控制時(shí)，很難保證光伏陣列最大功率輸出，由此造成了較大的能量損失。分布式MPPT功率優(yōu)化是解決這一問(wèn)題的有效方法。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)級(jí)分布式功率優(yōu)化控制機(jī)理進(jìn)行分析，并與集中式MPPT控制的功率輸出進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)對(duì)光伏組串中各模塊進(jìn)行限壓和限流保護(hù)以及直流母線的卸荷保護(hù)保證了無(wú)需通信也能保證電站系統(tǒng)安全。

(2)分布式功率優(yōu)化控制算法可以利用改進(jìn)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行描述，給出了算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(3)當(dāng)光伏組串中的串聯(lián)光伏模塊個(gè)數(shù)小于等于4個(gè)時(shí)，考慮到模塊的輸出限壓保護(hù)，當(dāng)光照不均勻時(shí)，一般最多會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光伏模塊達(dá)到限壓。當(dāng)光伏組串中的串聯(lián)光伏模塊個(gè)數(shù)大于4個(gè)、各模塊受光照不均勻時(shí)，出現(xiàn)限壓的模塊可以達(dá)到二個(gè)或以上。

(4)一般情況下，分布式MPPT控制使得光伏陣列輸出的功率要大于集中式MPPT控制。

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Research on photovoltaic array system-level distributed power optimization control

SUN Hang，DU Hai-jiang，JI Ying-xu，YANG Bo
(College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

Under non-uniform insolation conditions，the output power of the PV array will be greatly affected．Better results can be achieved with distributed MPPT control，but the research about the system-level power optimization is rare．Considering the protection and safety of the systems and based on limiting voltage protection for each PV module of the PV strings and taking unloading protection for DC bus，the paper analyses the working mechanisms of the distributed power optimization control and the algorithm implementation process，and uses the simulation to verify this algorithm and compares with centralized MPPT control，and draws a conclusion that the distributed MPPT optimization control can better improve the generating capacity of PV strings and ensure the safe and reliable operation of the system．

photovoltaic array;maximum power optimization control;distributed;unloading protection

TM615

A

1003-3076(2015)08-0032-06

2014-06-09

孫航(1987-)，男，江蘇籍，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電;杜海江(1971-)，男，河北籍，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電(通信作者)。