基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統輸出特性分析

王　豐　孔鵬舉　Fred C. Lee　卓　放

（1. 西安交通大學電氣工程學院　西安　710049

2. iWatt公司　加州　美國　95008

3. 弗吉尼亞理工大學　弗吉尼亞州　美國　24060）

基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統輸出特性分析

王豐1孔鵬舉2Fred C. Lee3卓放1

（1. 西安交通大學電氣工程學院西安710049

2. iWatt公司加州美國95008

3. 弗吉尼亞理工大學弗吉尼亞州美國24060）

分布式最大功率跟蹤（DMPPT）光伏系統可以有效地抑制實際環境中因為光照不均影響所造成的產電率下降的問題。以DMPPT的光伏系統為研究對象，針對多個分布式最大功率跟蹤模塊組網的優化問題，基于系統靜態輸出特性對多個光伏優化模塊級聯的結構進行了分析，提出了一種新型的DMPPT光伏系統結構。通過分析和研究，闡明了光照條件、系統結構及單個光伏優化模塊本身限壓值、限流值等參數與光伏陣列最大輸出功率之間的關系。所提出的新型DMPPT光伏系統結構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，該結構有效地提高了光伏陣列在失配問題下產電率，并且適用于高電壓母線系統。最后搭建了實驗平臺，通過硬件實驗平臺驗證了所提出的新型DMPPT光伏系統結構對光伏系統產電率的優化效果。

分布式最大功率跟蹤光伏光照不均結構優化

0　引言

太陽能發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，清潔無污染及地理上不受限制等優勢，同時，太陽能發電系統安全穩定，易于實施和維護。近十幾年里，在工業界和學術界的努力推廣下，光伏發電的效率顯著提高，成本不斷降低，從而使得整個產業鏈快速成長，成為全球增速最快的高新技術產業之一，太陽能發電也逐漸由補充能源轉變為可替代能源。然而，在實際的光伏系統應用環境中，周圍物體陰影的遮擋和太陽能板的具體安裝朝向不同會導致光伏系統產電率嚴重下降（10%～20%）[1-4]，上述問題通常被稱為光伏系統的失配問題。失配問題會導致光伏陣列整體的輸出靜態特性曲線呈現出“多個最大功率點（Multiple Maximum Power Point，MMPP）”的現象，對傳統集中式最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法也提出了挑戰。即便采用某種復雜先進的算法，可以找到多個最大功率點中的全局最高點，整個系統仍舊無法保證所有光伏板都工作在自身的最大功率點。因此傳統光伏系統對光伏組件的電氣參數和運行環境的一致性要求高，日常系統維護和清理較為麻煩，人工成本高昂，限制了光伏產業的進一步發展。

2001年，Toshihisa Shimizu對光照不均情況下的光伏系統輸出特性進行了分析，從單塊光伏單元的角度去尋求解決失配問題對光伏系統造成的影響的方法。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），通過單塊光伏板連接獨立的最大功率跟蹤優化單元的結構擴大模塊，輸出最大功率的范圍，并且基于不同的電路拓撲進行了分析和比較。2006年，Eduardo Román將傳統串并聯結構的光伏系統與分布式最大功率跟蹤的概念相結合，從系統級的角度對分布式光伏系統進行了分析[5-7]。

基于DMPPT的概念，本文在分析光伏模塊輸出特性的基礎上，對于失配條件下多模塊級聯組網的系統靜態輸出特性曲線進行了詳細的分析，提出一種基于DMPPT光伏系統的優選方法。并且通過這種方法得出一種適合于高壓母線的光伏陣列結構，可以保證在任何失配條件下，各個光伏板都工作在各自的最大功率點，該結構可以有效地提高光伏系統在實際應用中的產電率。

本文主要分為如下部分：①文章以屋頂光伏系統為例，通過Matlab仿真，比較了DMPPT光伏系統和傳統光伏系統在失配條件下的靜態輸出特性，量化分析了失配條件對傳統光伏系統產電率的影響。②對不同結構的DMPPT光伏系統輸出特性進行了詳細分析，提出一種衡量DMPPT光伏系統在不同光照條件下是否保證最大功率輸出的準則。③提出了一種適用于高壓母線的DMPPT光伏系統結構，該結構可以保證光伏系統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在實際環境中的產電率。④最后通過搭建實驗平臺，驗證了所提出的系統結構。

1　失配條件對光伏系統影響分析

圖1a所示為美國加州的一個屋頂的光伏系統，由30塊光伏板構成，因為屋頂面積和朝向所限，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塊光伏板串聯構成，分別安裝在屋頂的兩個朝向，光伏串C也是由10塊光伏板串聯構成，安裝在屋頂的剩余面積。每塊光伏板的額定功率為170W，整個系統為5.1kW。為了盡量還原光伏系統的實際輸出特性，本文以美國加州地區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　屋頂光伏系統示例Fig.1　Case study of residential PV system

可見對于用戶光伏系統，充分利用所有的受光面的同時，光照不均問題是在所難免的。

1.1傳統光伏系統

以光伏串C為例，它由10塊光伏板串聯構成，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，因為光照不均，整個光伏串C的P-V曲線呈現出多峰值（Multi-Peak，MP）的輸出特性，這種特性會對傳統的MPPT算法造成困擾，后級電力電子變換器的穩態工作點有可能停留在任何一個峰值（A、B和M中的任何一點），無法保證輸出光伏串的最大功率。即使通過某種較為先進的MPPT算法，可以在這種情況下找到全局的最大功率點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，另外4塊板子中，有2塊光伏板（1 000W/m2）沒有工作在自己的最大功率點，還有2塊光伏（300W/m2）因為旁路二極管的反向截止，完全沒有輸出功率，并且如果長時間維持在截止狀態，會導致光伏板的損壞，進一步影響整個光伏系統的產電率。通過對比可以看出，即使光伏串C工作在自己的全局最大功率點M，它依舊無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30%。

以此類推，可以得到光伏串A、B的輸出特性曲線。因為3個光伏串輸出并聯，將其疊加就可以得到整個光伏陣列在當前光照條件下的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個光伏串的輸出P-V特性曲線，每條曲線上的點分別代表各自的最大功率點。實線為三條虛線的縱坐標值疊加，表示整個光伏陣列的輸出P-V特性曲線，其中“M”點表示該光伏陣列在當前不均衡光照下的全局最大功率點。

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

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

1.2基于DMPPT的光伏系統

分布式最大功率跟蹤的概念是將一個DC-DC變換器與一塊標準光伏板相連構成一個模塊（稱之為“光伏優化模塊”），再以該模塊為基本單元進行串并聯構成一個光伏陣列，來提高抗失配能力的概念，如圖4a所示。光伏優化模塊中的DC-DC變換器在其輸入端通過最大功率跟蹤的算法對光伏板的輸出電壓（電流）進行控制，使之輸出最大功率；在不考慮DC-DC變換器本身損耗的前提下，DC-DC變換器的輸出功率永遠等于輸入功率，可以等效為一個恒功率源，其具體的工作點取決于后級變換器或者母線電壓控制。圖4b中，虛線和實線分別表示光伏板本身和光伏優化器在不同光照條件下的輸出特性曲線。可以看出，在不同的光照條件下，光伏優化模塊將傳統太陽能板的最大功率區域從一個點延展到了一個寬泛的恒功率區域，該恒功率區域的大小由DC-DC變換器開關器件的功率等級決定[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，在每個光伏板上安裝MPPT變換器，整個光伏串的輸出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光伏串C輸出特性，實線表示基于DMPPT結構的光伏串C的輸出特性曲線。可以看出基于DMPPT結構的光伏串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現每塊光伏板均輸出各自的最大功率，并且最大功率呈現出很寬的恒功率區。傳統光伏板構成的光伏串中多個最大功率點的問題也得以消除。對于后級變換器，即便最簡單的MPPT算法也可以有效輕易地找到系統的最大功率點。同樣得到基于DMPPT結構的光伏串A、B輸出特性曲線，將其疊加就可以得到整個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，實線為三條虛線的縱向疊加，表示整個光伏陣列的輸出P-V特性曲線。比較圖3可以看出，通過引入光伏優化模塊，光伏系統在光照不均條件下的輸出功率得到了顯著提升，約為20%。

本小節中，通過引入光伏優化模塊：①緩解了傳統光伏系統因為失配現象引發的能量損失，提高了光伏系統產電率，縮短了光伏系統投資回報周期；②擴大了光伏系統的最大功率區域，解決了失配情況下系統多個最大功率點的問題；③對于DMPPT光伏系統，后級并網變流器仍然需要最大功率跟蹤的功能，但是由于引入DMPPT，后級的最大功率跟蹤算法更為簡單和快速；④光伏系統的設計和安裝更為靈活、簡單，對于光照區域的利用率也大大提高。

2　基于DMPPT光伏系統的輸出特性分析

本節首先以光伏優化模串聯（并聯）構成光伏串（組）為例，分析其整體輸出特性以及保證其系統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成光伏陣列并研究其輸出特性和最大功率輸出的判定準則。

如果將基于DMPPT的光伏模塊串聯，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代表最大功率區域的低壓點（Maximum Power region Lower point，MPRLP，MPL），MPH代表最大功率區域的高壓點（Maximum Power region Higher point，MPRHP，MPH）。當整個光伏串的輸出電流位于電流限流值Ilimit，并且每個模塊都處于輸出最大功率的條件下時，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結構的光伏串中的模塊數；Pmi為第i塊光伏板在當前光照條件下自身的最大輸出功率；Ilimit為光伏優化模塊本身的電流限流值。

最大功率區域的高壓點VMPH為

式中，Pmax為輻照度最高的光伏板的最大輸出功率；Vlimit為光伏優化模塊本身的限壓值。因為輻照度的不確定性，在這里將光伏板的額定輸出功率定義為Ps，式（3）可以標準化為定義整個光伏串的光照條件系數為

當Kmis=1時說明光照情況理想，無失配問題；當Kmis越小，光照越不均衡，失配問題就越嚴重。將式（5）代入式（1）和式（2）中可以得到

可以得到，基于光伏優化模塊的光伏串的最大功率區域可以表示為

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

基于DMPPT的光伏系統中，根據式（8）和式（9）可以推得：

（1）其輸出特性曲線中最大功率區域的范圍的寬窄與Kmis和n呈正比例關系。

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

（3）從損耗角度理解，同樣的光伏優化模塊數，串聯構成光伏串后的整體輸出特性為電壓高、電流小；并聯構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。光伏串聯結構更具效率方面的優勢。

對于基于DMPPT的光伏陣列而言，其輸出最大功率的區域大小取決于各個光伏串（組）輸出的最大功率區域的重合區，如圖6所示。如果將多個DMPPT的光伏串并聯構成光伏陣列，其最大功率區域開始于X點（恒功率區低壓端），結束于Y點（恒功率區高壓端）。對應到各個光伏串的輸出特性曲線上可以看出，決定整個光伏陣列恒功率區域起點的是光伏串A的恒功率區的起點Z點（恒功率區低壓端），決定整個光伏陣列恒功率區域的終點的是光伏串C的恒功率區的終點W點（恒功率區高壓端）。可以看出，基于DMPPT光伏系統的輸出特性曲線中，其恒功率輸出范圍的起點（低壓點）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（高壓點）則由光照不均現象最嚴重的光伏串來決定。

在圖9中，將a圖所示結構稱為結構Ⅰ：假設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；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塊光伏板都完全無光照（失配問題最嚴重）。如果上述這兩串光伏模塊存在共同的輸出最大功率區域，就可以保證結構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，即

圖9　基于DMPPT的光伏陣列結構比較Fig.9　DMPPT based structure I and II

可以得到結構Ⅰ最大輸出功率的判據

式中，n為每個光伏串中串聯光伏優化模塊的數量。根據相同的分析思路，可以得到圖9b中的DMPPT光伏陣列結構Ⅱ的輸出特性曲線中最大功率區域的判據為

式中，m為每個DMPPT光伏組中串聯光伏優化模塊的數量。

通過前述分析可以看出，保證結構Ⅰ、Ⅱ能夠輸出理想最大功率的標準由4個參數決定：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，由光伏系統的設計者和屋頂面積決定；Vlimit、Ilimit由光伏模塊的開關器件決定。通過上述分析，可以得到如下結論：

（1）單個光伏優化模塊的限壓值Vlimit和限流值Ilimit對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該盡可能的擴大限壓值和限流值，也就是擴大光伏優化模塊恒功率輸出的范圍。

（2）保證結構Ⅰ能夠輸出理想最大功率的標準和每個光伏模塊串聯模塊的數目密切相關。在單個光伏優化模塊參數確定的情況下，串聯數目越多，能夠輸出理想最大功率的標準越苛刻。

（3）保證結構Ⅱ能夠輸出理想最大功率的標準和每個光伏模塊組的并聯模塊的數目密切相關。在單個光伏優化模塊參數確定的情況下，并聯數目越多，能夠輸出理想最大功率的標準越苛刻。

（4）基于同樣的光伏優化模塊數和同樣的光伏優化模塊參數，結構Ⅱ在高電壓的應用場合具有更好的抗失配能力。

3　硬件平臺及實驗結果

3.1硬件平臺搭建

為了驗證前述的系統結構的分析和比較，本文搭建了一套額定功率為15kW的DMPPT光伏系統實驗平臺，如圖10所示。該實驗平臺用于驗證不同結構的光伏系統輸出特性，系統由下面三個部分構成。

圖10　實驗平臺Fig.10　Picture of test platform

（1）太陽能仿真器陣列。因為環境條件所限，本文通過20臺Agilent E4361型太陽能仿真器來模擬一個由30個光伏板組成的光伏陣列。該仿真器可以通過設置開路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點電壓VMPPT和最大功率電流IMPPT這4個參數快速的模擬不同型號太陽能單元在不同光照情況下的輸出特性曲線。

（2）光伏優化模塊。光伏優化模塊采用30個SolarMagic公司定制的基于Buck-Boost拓撲的單元化光伏優化模塊。該模塊可用于最高600V的串聯電壓等級，最大功率點電壓VMPPT的范圍為15～40V，最大功率點電流IMPPT的最大值為8.5A，Vlimit為40V，Ilimit為9A。

（3）電子負載。輸出部分采用15kW的MCL488可編程電子負載。該電子負載具有多路獨立的、可調節的輸出通道，使用單個模塊或多個模塊并聯時可實現定電流、定電阻、定功率和定電壓輸出。

3.2實驗結果及分析

基于上述實驗平臺，實驗對圖9所示的兩種基于DMPPT的光伏陣列結構的判據進行驗證。因為電子負載的功率所限，在這里僅使用其中20臺光伏仿真器和相應數量的光伏優化器進行實驗。為了對應于相同的后級直流母線，結構Ⅰ由2串光伏模塊并聯構成，每串10個模塊（n=10）；結構Ⅱ由10個光伏模塊組串聯構成，每個光伏組串聯構成（m=2）。兩種結構輸出均和電子負載相接，通過調整電子負載的輸出，得出整個光伏串的輸出特性曲線，如圖11所示。

圖11　實驗平臺示意圖Fig.11　Schematic of testbed

當光照均勻時，兩種結構中的20塊光伏仿真器均工作在輻照度為1 000W/m2的情況，此時兩種結構輸出特性曲線完全一致。當發生失配現象時，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/m2，兩種結構的輸出特性曲線如圖12所示。圖12a代表仿真結果的P-V曲線，其中上方的水平線表示理論上該結構系統在當前光照下所有光伏板各自最大功率值的和。圖12b代表實驗結果的P-V曲線，結構Ⅰ曲線的最高點為1 007W，結構Ⅱ曲線的最高點為1 106W。可以看出在光照不均勻的條件下，結構Ⅱ相對結構Ⅰ的產電率提高了將近10%。

圖12　仿真結果和實驗結果Fig.12　Simulation and test results

4　結論

本文主要分析了基于DMPPT結構的新型光伏系統的工作原理和輸出特性。通過對不同組成結構的DMPPT光伏系統的分析，提出了用于衡量光伏系統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。在分析總結不同結構光伏系統特性的同時，本文針對不同的DMPPT光伏組網結構，通過所提出的判據進行量化評價，文章最后通過實驗平臺證明了所提判據的有效性，具有很好的理論和應用價值。

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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，研究方向為電力電子變換器、分布式新能源發電。

孔鵬舉男，1981年生，博士，研究方向為電力電子技術、電磁干擾的建模和噪聲抑制。

中國博士后科學基金面上項目（2014M552446），電力設備電氣絕緣國家重點實驗室中青年基礎研究創新基金（EIPE14313）和國家自然科學基金（51177130）資助項目。

2013-11-13改稿日期 2014-01-03