串聯型集成光伏組件運行特性研究

李建宜 劉海明 史旺旺

摘 要：在串聯分布式光伏系統中，通常采用固定的限壓或限流值進行保護，但當系統中多個組件均工作于限壓或限流保護控制，會出現的功率不穩定的問題。為此提出了一種具備傾斜特性保護的集成光伏組件功率控制方法，保證了系統功率輸出的穩定性。

關鍵詞：分布式光伏系統；傾斜特性；串聯；穩定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.155

0 引言

光伏發電系統通過最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）技術使其工作在最大功率點，提高了系統效率，降低了發電成本。常規光伏系統假設所有光伏組件的特性一致，因此整個光伏系統只有一個最大功率點，采用擾動觀察法、電導增量法等MPPT方法容易實現最大功率點跟蹤[1-3]。但光伏組件在實際運行中受老化、太陽光線被遮擋等因素的影響，光伏系統的功率特性表現為多峰，常規MPPT技術很難找到全局最優工作點。全局最大功率點跟蹤技術還沒有達到實用程度，這樣組件功率特性不一致時仍然存在功率損失[4-5]。分布式MPPT技術在每個光伏組件輸出端配置一個DC/DC控制器實現MPPT功能，也稱為集成光伏組件較好地解決了上述問題[6-7]。這樣每個光伏組件工作在最大功率點，DC/DC控制器的輸出特性表現為恒功率特性。

當恒功率的DC/DC的輸出經串聯后接入逆變器，如果總功率過大或母線電壓偏低，會導致串聯回路電流過大，此時應進行限流控制。如果采用恒定值限流而限流控制的DC/DC的電流采樣存在誤差時會導致串聯組件的輸出功率不穩定，從而影響系統的整體穩定性。本文提出了傾斜保護特性，消除了因采樣干擾而引起的不穩定。

1 恒功率電源串聯特性分析

圖1為串聯型集成光伏組件發電系統結構圖，圖中光伏組件輸出端與DC/DC變換器輸入端相連，DC/DC變換器輸出端與相鄰DC/DC變換器輸出端串聯，實現DMPPT以及限壓限流等保護功能，串聯后的輸出端接逆變器或直流負載。

由圖1可知，DC/DC控制器輸出端串聯，DC/DC控制器輸出電流相等，串聯運行的總電壓為各DC/DC控制器輸出電壓之和，系統的總輸出功率為各DC/DC控制器輸出功率之和，DC/DC控制器輸出電壓與其輸出功率成正比。

集成光伏組件的輸出電壓、電流超過限定值時，系統會限壓或限流保護。傳統的恒定值限壓限流保護的DC/DC控制器的輸出V/I特性如圖2。由圖2可以看出，在串聯系統或者并聯系統中，若多個集成光伏組件控制器均工作在限壓、限流狀態下，則相應的光伏組件輸出電流或電壓大小處于不可控狀態，從而導致光伏組件輸出功率不可控，影響系統穩定性。

為驗證上述現象，在PSIM中搭建串聯電路進行仿真。以兩個集成光伏組件為例，組件1光照強度為800W/m2，組件2的光照強度為1000 W/m2，母線初始電壓為160V，1秒后母線電壓變為80 V，在1.35秒左右加入一個低頻正弦擾動Iout=Iout0-5*sin（2*pi*40*t），擾動時間持續80個采樣周期，設電流限定為3.2A。對電路進行仿真得到如圖3所示，圖中（a）為功率變化曲線，（b）為串聯支路電流變化曲線，（c）為DC/DC控制器輸出電壓曲線，（d）為母線電壓曲線。由圖3知，當為160V時，串聯支路電流為2.15A，組件均工作在最大功率點；當降為80V時，支路電流迅速上升并超過限流值3.2A，此時功率輸出下降。在1.35秒時母線上采樣電流收到短暫干擾，干擾引起電流環調節，此時DC/DC控制器輸出端電壓的發生改變，但總電壓不變，DC/DC控制器輸出功率發生改變，功率分配關系受干擾影響大而出現不穩定現象。

2 傾斜保護控制算法

由上述分析可知，電流采樣的干擾引起了功率的重新分配，此現象是恒值限流特性引起，為了使干擾消失后，功率分配能回到原來狀態，本文研究了傾斜限壓限流的特性。考慮傾斜限壓限流串聯電路V-I曲線如圖4，傾斜特性曲線可表示為：

其中是取值較小的限壓曲線斜率，為DC/DC控制器輸出電壓額定值，與相差較小， y是限壓設定值，x是串聯支路電流值， 是DC/DC控制器輸出功率，當時，退出MPPT控制，而進入限壓調節。

其中為取值較大的傾斜限流曲線的斜率，數值與相差較小，y為限流值，x為DC/DC控制器輸出電壓值，為DC/DC控制器輸出電流額定值，為第i個DC/DC控制器輸出功率，當時，退出MPPT控制而進行限流控制。

3 仿真結果

為測試傾斜特性的效果，在PSIM仿真平臺上進行仿真實驗。仍然以兩個組件串聯為例，光伏組件1的光照度，組件2的光照度為，在1秒之前為100V，1秒后降至50V，1.8秒串聯支路的電流采樣值疊加了如下擾動：

PSIM下的仿真結果如圖5，從圖中可以看出，當工作在100V時，串聯支路電流為2.7A，沒有超過Xmax，從而不需要限流控制；當電壓下降到50V時，支路電流上升且超過Xmax，由傾斜限流特性曲線可計算出限流值，如圖5（b）所示。經電流調節后，支路電流達到電流設定值。1.8秒采樣電流受到干擾后，DC/DC控制器1和DC/DC控制器2輸出電壓發生變化，電壓電流在干擾消失后，逐漸恢復擾動前數值并保持穩定，驗證了傾斜特性的效果。

4 結論

在串聯型光伏集成組件發電系統中，一旦出現支路電流過大，則所有串聯的DC/DC控制器均工作在限流狀態下，因而使得每個光伏組件控制器輸出電壓不可控，而總輸出電壓保持恒定，從而導致DC/DC控制器之間的電壓和功率分配不確定。因此，若串聯系統中電流采樣信號受到干擾，則光伏組件控制器的輸出電壓會出現較大變化。為此，提出了具有傾斜特性的限壓限流方法，并在PSIM中進行了仿真實驗驗證，解決了因干擾引起的功率波動，具有傾斜特性保護的集成光伏組件系統能夠始終保持功率分配的穩定，在干擾過后功率能夠恢復到干擾前的數值。

參考文獻：

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基金項目：江蘇省高等學校大學生創新訓練重點項目“級聯均壓式光伏集成組件控制器的研究與開發”（編號：201711117022Z）；江蘇省水利科技項目“農業智能節水灌溉系統與控制設備研制開發”（編號：2017066）。

作者簡介：李建宜（1996-），男，江蘇揚州人，本科在讀，從事電氣工程與自動化方向研究。

為通訊作者