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 ， 張經煒

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.常州市光伏系統集成與生產裝備技術重點實驗室 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，保證光伏陣列穩定、高效地工作已成為了光伏發電的關注焦點[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），其組成的光伏發電系統結構簡單、效率高，但是對于光伏陣列處于局部陰影時引起的多峰現象需要尋找復雜的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的光伏發電系統是將每個光伏組件后接的組件優化器通過串、并聯的方式級聯起來形成的發電系統[5-6]，該系統主要優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，能夠根據不同的外部環境和不同組件的特性進行智能調整；能夠實時、便捷地進行各自模塊的監控、測試，便于系統檢修和維護。本文主要對光伏組件級聯直流模塊化系統及其控制策略進行分析研究。

1 光伏組件直流模塊化系統

1.1 級聯直流模塊總體系統結構圖

文獻[5]提出了光伏組件級聯直流模塊化系統結構，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化器，將光伏組件與對應的組件優化器成為一個級聯直流模塊，然后將這些模塊串、并聯起來形成一定的電壓和功率等級，再通過逆變器供給負載或者直接并網。典型的級聯直流模塊系統結構示意圖如圖1所示。

1.2 組件優化器硬件主電路

關于光伏組件優化器，文獻[5]也已對其直流斬波電路進行了討論與分析。典型的Boost拓撲電路或者Buck拓撲電路的工作效率高，但是在光伏發電系統處于嚴重失配工況時不能保證每個組件優化器都能正常工作，從而產生系統輸出功率的較大損失；典型的Buck-Boost拓撲電路能夠保證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，在實際應用中較少出現。因此一種基于雙開關管的Buck-Boost拓撲電路的組件優化器被提出，拓撲電路如圖2所示。

圖1 級聯直流模塊系統結構圖Fig.1 The system structure of cascaded DC/DCmodule connection

圖2 雙開關管Buck-Boost拓撲電路Fig.2 Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

圖2 中的雙開關管Buck-Boost拓撲電路有兩種工作模式：Boost工作模式和Buck工作模式。其主要工作原理是：功率開關管Mosfet1常閉，Mosfet2正常斬波工作，拓撲電路工作在Boost模式；功率開關管Mosfet1正常斬波工作，Mosfet2常開，拓撲電路工作在Buck模式。

2 組件優化器控制策略

在光伏組件級聯直流模塊化系統中，雙開關管的Buck-Boost拓撲電路的組件優化器的控制策略在于實現每個組件都能根據MPPT策略維持在MPP處輸出功率的條件下保持級聯直流模塊化系統穩定地運行。由于系統在嚴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，因此需要根據電路的工作狀態對Boost工作模式和Buck工作模式進行合適的選取。

圖3是雙開關管Buck-Boost拓撲電路工作模式的控制策略流程圖。初始情況是每個組件優化器通過軟啟動的方式均在Boost工作模式下進行各自光伏組件的MPPT控制。工作模式切換的主要判定條件是：當組件優化器正處于Boost升壓工作模式進行 MPPT，檢測到 Vin＞0.9Vout，表明組件優化器逐漸靠近Boost拓撲電路不能正常工作的臨界點，此時應停止升壓驅動，進入Buck降壓工作模式進行MPPT；相反當組件優化器正處于Buck降壓模式進行MPPT，檢測到Vin＜1.1Vout，表明組件優化器逐漸靠近Buck拓撲電路不能正常工作的臨界點，此時應停止降壓驅動，進入Boost升壓工作模式進行MPPT。

另外，如果組件優化器能夠在直流變換調節裕度范圍內運行并保持MPPT控制，則不需要進行工作模式的切換控制。若電路運行中出現故障，則驅動復位，停止所有驅動信號再重新初始化。

圖3 拓撲電路控制策略Fig.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管的Buck-Boost為拓撲電路的組件優化器的輸入端，再將各組件優化器的輸出端的正、負極相互串聯起來接至固定負載便構成雙開關管的Buck-Boost拓撲的級聯直流模塊化系統，如圖4所示。

圖4 串聯雙開關管Buck-Boost拓撲光伏直流模塊系統Fig.4 The series PV DC/DCmodule system of Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

實驗系統中選取億晶50 W功率等級的光伏組件，組件優化器是基于DSP控制的雙開關管Buck-Boost拓撲電路。實驗主電路圖參數：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，負載阻值為50Ω。

實驗過程中初始設定系統在無失配工況下，兩個組件優化器均在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處于嚴重失配工況下。每個光伏組件MPPT的實驗曲線如圖5和圖7所示，其對應的組件優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，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。當在7～8 s之間時，光伏組件1后接的組件優化器觸發了模式切換條件，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為0，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后接的組件優化器由于沒有觸發到模式切換條件，依舊在Boost工作模式下運行。

4 結束語

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

根據在光伏組件級聯直流模塊系統處于嚴重失配工況時部分組件優化器出現失效的情況，本文提出一種雙開關管Buck-Boost拓撲電路的組件優化器，另外設計了滿足不同工況下的控制策略，并通過實驗驗證了在嚴重失配工況下級聯的直流模塊能夠使得每個光伏組件均運行在MPP處，大大提高了系統的能效。

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