基于PV-IP 結構的差分功率處理光伏系統研究

胥 杰，劉 超，闞加榮

（1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江 212013；2.鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224003）

太陽能是世界上最清潔的能源之一，取之不盡，光伏發電是利用太陽能的主要形式[1-2]。為了獲得更高的輸出電壓，通常將光伏電池串聯。當發生局部陰影時，光伏模塊內部各子串特性不匹配，串聯的光伏子串輸出電流不一致會導致熱斑效應，嚴重的可能直接燒毀光伏模塊[3-5]。為避免熱斑效應，每個光伏子串都會并聯旁路二極管[6-8]。由于旁路二極管的存在，光伏模塊的功率輸出特性在各子串間功率失配時存在多峰值，使得傳統的最大功率點跟蹤（MPPT）算法存在失效的風險，不能保證光伏模塊工作在全局最大功率點（GMPP）處[9-10]。

為解決多峰值、效率不高等失配時出現的問題，常用方法是分布式最大功率點跟蹤，每個光伏子串都并聯一個全功率的DC/DC 變換器，使得每個光伏子串都工作在最大功率點處，缺點是所有輸出功率都要經過變換器進行處理，效率低、成本高[11]。差分功率處理技術一般都通過光伏子串并聯的DC/DC 變換器，將未遮擋的光伏子串電流補償給遮擋的光伏子串，對應變換器僅處理光伏子串之間的差值功率，功率損耗相對較小。文獻[12]分析了一種架構為光伏電池-直流母線（PV-BUS）的光伏系統，以單向反激式電路作為DPP 變換器，功率從總線傳送給光伏子串，控制策略可以使得每個光伏子串處于最大功率點處。文獻[13-14]架構為PV-PV，DPP 變換器都為雙向開關電感，控制策略分別為分布式控制算法與雙階段MPPT 算法，可以提高輸出效率，但是上述方法用于光伏子串較多的場合時，由于差值功率傳輸級數多導致效率偏低，因此難以大規模拓展。

文中提出以PV-IP 為架構，以雙向反激式變換器為DPP 變換器，采用兼顧了均壓和MPPT 的控制策略，實現了光伏子串間的功率平衡，每個光伏子串都可工作在最大功率點，提高了系統的功率輸出。

1 基本架構

如圖1（a）所示，為避免熱斑效應，每個光伏子串都并聯一個旁路二極管，但是在局部陰影嚴重時，光伏子串會被旁路二極管短路，造成光伏子串的功率獲取率低。圖1（b）所示為PV-BUS 架構系統，用單向的DC/DC 變換器代替旁路二極管，每個變換器的初級側連接光伏子串，次級側并聯到光伏模塊的輸出端，并聯的變換器只需處理光伏子串間的功率差值來實現各光伏子串之間的功率平衡。圖1（c）所示為PV-IP 架構系統，相較于PV-BUS 的差別在于：并聯變換器可實現雙向能量流動，且次級側與光伏模塊的輸出端不連接。圖2 為圖1 中3 種管架構光伏系統的功率輸出特性曲線，虛線為圖1（a）所示架構的特性曲線，該曲線呈現多峰值；實線為并聯變換器架構的功率曲線，呈單峰值，系統可使用傳統的MPPT 實現最大功率輸出。

圖1 3種光伏系統架構

圖2 功率輸出特性曲線

假設在正常情況下，單獨運行時，PV1 和PV2 產生功率為10 W，受遮擋的PV3 只能輸出5 W。采用圖1（a）架構，當旁路二極管沒有導通時，受制于PV3輸出的電流系統輸出功率為15 W，為局部最大功率點，對應圖2 中的B 點；當旁路二極管導通時，PV1 和PV2正常輸出，PV3被短路，系統輸出功率為20 W，對應A 點為全局最大功率點。采用圖1（b）架構，DPP1和DPP2 各處理5 W 功率，DPP 變換器共處理10 W功率，系統輸出功率為25 W，對應C點。采用圖1（c）架構時，DPP1 和DPP2各處理W功率，DPP3 處理W 功率，能量流通方向如圖1（c），DPP 變換器共處理W 功率，系統輸出功率為25 W，同樣對應C點。PV-BUS與PV-IP兩種架構理論上都可以輸出25 W 功率，但是前者DPP 變換器處理的總功率比后者多W，造成的損耗也相對多。

PV-IP 相較于PV-BUS 的優點在于使用均壓法時，無需用傳感器來測量DPP 變換器的電流，可降低一定成本。由于PV-IP架構的次級側電壓與光伏模塊無電氣連接，說明次級側電壓可以自主選擇，即DPP變換器的變比可設置為優化狀態，從而提高系統效率；此外，PV-IP架構中DPP變換器處理的功率也較少，可減少損耗，所以下面分析都是基于PV-IP 架構的。

在光照正常的情況下，各光伏子串匹配，DPP 變換器不工作，功率直接由集中式變換器處理，可減少不必要的損耗；在局部陰影下，DPP 變換器只需處理平衡子串所需的功率，使得電流平衡，從而保證每個光伏子串處于最大功率點。

2 控制方法與控制器的設計

2.1 控制方法

圖3 所示為不同光照下光伏子串功率輸出特性曲線圖。在不同光照下，各光伏子串的MPP 有差異，但各自MPP 電壓近似相等，根據這一特性提出一種折中的控制方法——均壓法，即控制DPP 變換器實現各光伏子串的輸出電壓相等，就可以消除光伏系統的多峰值現象；再對整個光伏系統采用擾動觀測法實現MPPT 控制，就可以實現每個光伏子串的MPPT。該控制策略相對簡單、穩定性好，且保證了較高的功率獲取率。

圖3 光伏子串功率輸出特性曲線

將光伏子串的電壓設為參考電壓Uref：

其中，Ubus為光伏模塊輸出電壓，n為光伏子串數量，即DPP 變換器數量。

設圖1（c）中DPP 變換器的原邊輸入電流iprii為參考電流irefi:

式中，K（s）為控制系數，可通過PI 調節，電流是電壓的誤差函數。

采用均壓法控制時，各光伏子串的功率是平衡的。系統到達穩態時，PV-IP 架構的串電流平衡到平均值：

其中，iPVi為每個光伏子串產生的電流，ibus為串電流。

2.2 控制器的設計

如圖4 所示，將光伏子串與DPP 變換器并聯的模塊稱為增強型光伏子串[15]。DPP 變換器為雙向反激式變換器，將傳統的反激式電路中變壓器副邊的二極管用開關管代替，以變壓器為中心成對稱結構。其能量流動方式與單向反激式電路相同。以能量從原邊流向副邊為例，此時副邊開關管總是關閉的，體二極管作為續流二極管，反之亦然。雙向反激式變換器存在兩種運行模式：連續模式（CCM）和斷續模式（DCM）。在此系統中要求DPP 變換器只能運行在DCM 模式下，一方面可消除二極管反向恢復的損耗，提高效率，另一方面此時電路動態特性表現地更為簡單，有利于控制器的設計，每個DPP 變換器都是自主控制的，兩兩不存在耦合關系。

圖4 增強型光伏子串

1）光伏子串模型：圖5 為光伏子串的等效模型，該模型包括一個電壓源Ug和電阻Rg，電阻是光伏子串工作在某一點時通過非線性電流-電壓曲線確定的。

圖5 光伏子串等效電路模型

2）DCM模式下電流參考控制占空比：反激型變換器在DCM 狀態時電路的原邊電流波形如圖6 所示。

圖6 斷續模式下原邊電流波形

圖中iwmax為原邊的峰值電流:

式中，Lpri為變壓器的初級側電感感值，T為開關周期。

根據平均電流與瞬時電流的關系:

將式（5）代入（6）得平均電流iprii：

在2.1 中提到，DPP 變換器初級側電流iprii（t）跟隨當前電流參考irefi（t）可實現子串電壓平衡。設iprii（t）=irefi（t），代入公式（7），得占空比dprii：

在數字控制器中，將irefi（t）和測得電壓Upvii（t）作為輸入，可利用查表法來計算占空比。假設采樣的頻率足夠高，可以認為在一個周期內Upvii（t）是一個常數，占空比dprii與irefi是一一對應的精確關系。

由于DPP 變換器的能量可以雙向流動，因此當初級側電流基準為負時，即irefi＜0，可以采用相同的方法來計算次級側開關管的占空比dseci：

其中，irefi*是由式（10）得到的，Lsec為變壓器副邊電感感值。

圖7 為DPP 變換器的控制框圖。輸入為光伏子串電壓與母線電壓，輸出為PWM 信號。原邊或副邊開關管的導通取決于irefi的符號，為正時，Qpri導通，Qsec關斷；為負時，Qpri關斷，Qsec導通。

圖7 控制框圖

3 仿真驗證與分析

在Matlab 中搭建了PV-IP 仿真模型，仿真模型中用直流電壓源與電阻串聯代替光伏子串。3 個光伏子串的具體參數如表1 所示。

表1 光伏子串參數

系統的主電路圖如圖8 所示，以圖1（c）為基礎架構，后接集中式變換器為BOOST 電路。其他器件的仿真參數：變壓器的額定功率為25 W，變比為1∶3，原邊自感為Lpri=5.1 μH；雙向反激式原邊電容Cpri=100 μF,副邊電容Csec=100 μF；開關頻率f=50 kHz；升壓電感L=20 μH；母線電容Co=100 μF。

圖8 光伏系統主電路圖

圖9 為3 個等效光伏子串的輸出電壓，當系統到達穩態時，3 塊光伏子串同步進行最大功率點跟蹤，電壓都控制在10 V 左右浮動。

圖9 3個光伏子串輸出電壓

圖10 為3 個DPP 變換器的原邊電流波形。電流ipri1平均值為正，電流ipri3平均值為負，可見PV1 產生部分電流通過DPP1 和DPP3 補償給PV3。ipri2值為零，表明ibus與iPV2的值相等，DPP2 變換器可以直接關閉，可減少一定的插入損耗。

圖10 3個DPP變換器的原邊電流

圖11 為母線電流ibus，根據式（3），當系統穩定時，電流穩定在平均值。計算得出理論值為2.033 A，與仿真中2 A 相差無幾，進一步說明仿真的正確性。

圖11 母線電流ibus

圖12 顯示了并聯DPP 變換器與并聯旁路二極管的功率曲線圖。當并聯旁路二極管時，功率曲線為多峰值，包括一個全局最大功率點和兩個局部最大功率點。當并聯DPP 變換器時，不僅可消除局部最大功率點，使功率曲線呈現單峰值，而且提高了系統的功率獲取率。

圖12 P-U曲線

4 結論

為了解決光伏系統的失配問題，文中提出了PV-IP 架構，提出以雙向反激式電路為DPP 變換器以及電壓平衡的控制方法，并說明了PV-IP 比PVBUS 的優勢，對并聯旁路二極管架構與PV-IP 進行了仿真，結果表明輸出功率得到了顯著的提高。