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并联型单开关管光伏组件正弦波逆变器的研究与设计方案

在光伏发电系统中,因局部阴影遮挡造成的特性失配是引起输出功率降低的重要原因。

传统方案大多针对组串及组件失配问题,将每个光伏组件的输出经过变换器独立的最大功率跟踪后再串联加以解决,改变了原有系统连接结构。针对小功率分布式光伏发电系统主要遭遇的组件内失配问题,研究了一种不改变原有光伏组件结构的优化方法,并采用单开关的拓扑实现。

 

该方法在光伏组件遇到局部阴影等造成的组件内特性失配时,可以从光伏组件的输出抽取能量,对受遮挡部分进行补偿,使得各个光伏子串的工作状态可调,从而提高这种情况下的总输出功率。

 

该方法属于部分功率变换,且电路拓扑仅采用单个开关管,控制算法简单,电路损耗和成本较低。仿真和样机实验结果表明,该方法能够显著提高局部阴影条件下光伏组件的输出功率。

 

随着全球能源需求的日益增长,光伏发电因其清洁、便利、安全、适合分布式组网等优势,受到了越来越广泛的关注,并已成为最有前途的可再生能源发电方式之一[1-5]。然而,光伏发电系统对外部环境变化和组件的一致性较为敏感,当遭遇局部阴影遮挡或光伏组件个体差异形成的失配问题时,系统的输出功率将显著下降。这一问题已经成为制约光伏发电进一步推广应用的重要因素之一[6,7]。

 

研究光伏发电失配问题的解决方案,首先需要对失配问题的类别进行划分[8]。在集中式光伏发电系统中,由于架设地点一般选在开阔的平原或荒漠,各个光伏组件的光照条件一致程度很高,仅在大片云朵飘过时易出现组串失配和组件失配等组件外部的失配问题;而在分布式光伏发电系统如建筑物集成光伏系统(BuildingIntegrated Photovoltaic System, BIPV)中,发电条件更加复杂多变。

 

光伏组件数目少,并且极易受到由建筑物、树木、鸟兽排泄物等造成的局部阴影问题的影响,主要遇到的是组件内部的失配问题[9]。由局部阴影遮挡造成的各类光伏失配问题如图1所示。

 并联型单开关管光伏组件正弦波逆变器的研究与设计方案

图1 由局部阴影遮挡造成的光伏失配问题示意图

光伏发电系统在失配条件下输出功率衰减的原因主要有两个方面:一是由于输出特性曲线呈现多峰值现象,传统的最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking, MPPT)算法受到多个极值点干扰,无法寻到真正的最大功率点;二是由于特性失配,系统各部分的最大功率点工作电流不同,即便工作在系统特性曲线的最大功率点,也存在发电潜能的浪费。

 

针对光伏发电的失配问题,许多学者做了深入的研究,并且形成了光伏正弦波逆变器(PV optimizer)这一概念。光伏正弦波逆变器,在一些文献中也被称为嵌入式变换器(ModuleIntegrated Converter, MIC)、光伏调节器(PV conditioner)或发电控制电路(GenerationControl Circuit, GCC)等。光伏正弦波逆变器是一种与光伏组件串联连接的DC-DC电路。按照其用途可分为用于解决组件外部的组串失配和组件失配的正弦波逆变器,以及用于解决组件内部的组件内部失配问题的正弦波逆变器。

 

按照光伏正弦波逆变器与光伏组件的连接结构,可以分为串联型光伏正弦波逆变器和并联型光伏正弦波逆变器,具体分类如图2所示。

 并联型单开关管光伏组件正弦波逆变器的研究与设计方案

图2 光伏正弦波逆变器的分类

针对组串失配和组件失配问题,主要是采用串联型光伏正弦波逆变器解决。相关研究已经较为成熟。这类方法需要改变光伏发电系统的连接结构,将每个光伏组件的输出经过DC-DC变换器的调节,再串联形成组串,最终通过逆变器并网。这样的结构可以对每个光伏组件进行独立的分布式MPPT,从而在组串失配和组件失配的情况下使得各个光伏组件仍然工作在各自的最大功率点。

 

文献[10]详细总结了该类电路的类型和拓扑选择,并选取了一个最优拓扑加以实现,用样机验证了其有效性。文献[11,12]分析了基于上述思路的光伏正弦波逆变器产品SolarMagic的原理和适用条件。

 

文献[13]在文献[11,12]基础上研究了光伏正弦波逆变器的硬件设计与控制策略,分析了串联分布式系统中最合适的拓扑和控制方法。另外还有学者研究利用机械结构的解决方案。文献[14]采用了组态控制的方法。通过控制开关矩阵切换,实现输出功率最大化,取得了较好的效果。上述方法很好地解决了组串失配和组件失配问题带来的功率下降问题。

 

对于分布式应用中最关键的组件内部失配问题,如果采用上述的串联型正弦波逆变器,则必须将光伏组件中的子串断开连接,通过相应数量的正弦波逆变器进行功率变换后再进行串联,在实际使用中可操作性不强。

 

文献[15,16]总结了一些针对局部阴影的改进算法,但是这些改进算法仅能改善MPPT算法受到多极值点干扰的情况,光伏系统中仍然存在发电潜能浪费。经过研究发现,更为有效的方法是利用特殊设计的光伏正弦波逆变器,对组件内各个光伏子串的发电条件加以控制,从而提高输出功率。

 

在文献[17-19]中,作者提出了发电控制电路(GenerationControl Circuit, GCC)的概念,并且归纳了两种实现的原理。一种是采用一个多级Buck-Boost电路,其各级占空比与各个光伏子串的MPP电压之比相等;另一种是采用多输出的DC-DC电路,输入接光伏组件的总输出,控制每个光伏子串的电压相等。

 

这种方法可以用来解决组件内部失配问题。然而,前者需要对每个光伏子串的输出进行扰动,控制维度过多,控制算法复杂,另外采用了较多的开关管和磁性元件,电路也较为复杂;后者的控制目标是均压,并不能使失配条件下的光伏组件发挥全部发电潜能。上述两种方法虽然为解决组件内部失配问题奠定了基础,但是都存在各自的不足。

 

文献[20]提出了虚拟并联的概念,通过两个辅助相将光伏模块中三个串联光伏子串等效为并联连接,从而使其电压相等。这种方法具有便于控制的优点,但是需要将各个光伏子串电压强制钳位到相同值,存在错过光伏组件在该条件下的最大功率点的可能。

 

本文基于并联型优化方法,研究和设计了一种单开关管光伏正弦波逆变器电路,采用电流控制方法,能够在不改变光伏组件外部电气连接方式的前提下,实现组件内部失配部分的能量均衡,调节各个光伏子串的工作点,从而提升光伏组件在组件内部失配情况下的输出功率。

 并联型单开关管光伏组件正弦波逆变器的研究与设计方案

图12 样机电路图片

结论

本文分析了光伏组件局部阴影条件下并联型功率优化方法的原理和适用条件,并采用单开关管的多绕组反激拓扑实现。实验证明,本文方法在光伏组件遭受不同阴影遮挡的条件下,能够实现2%~15%的功率提升。

本方法的优势明显。首先,本文提出的并联型正弦波逆变器从释放局部阴影条件下光伏组件浪费的发电潜能入手,在不改变光伏组件内部结构的前提下,消除了光伏组件P-U特性曲线的多峰值现象,提高了光伏组件在该情况下的最大输出功率。其次,本文提出的并联型正弦波逆变器采用多绕组反激拓扑实现,仅有一个功率开关管,电路结构与控制算法均较为简单。 

然而,需要指出的是,并联型正弦波逆变器需要与具有MPPT功能的光伏组件功率正弦波逆变器或微逆变器配合使用,才能保证在更广泛的输出电压范围内保持最大功率输出。另外,当光伏子串数量较多,而各个光伏子串的遮挡情况不一致时,该电路仅能实现输出功率一定程度的提升。无法确保达到真正的全局最大功率点。并联型功率优化方法仍需要进行进一步的深入研究。

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