基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究

基于光伏集成变换器的发电系统工作

机理研究

22

张琦1，，刘佳昊1，孙向东1，，杨惠1，任碧莹1，安少亮1，康渊荣1

（1.西安理工大学电气系，陕西西安710048；2.西安理工大学陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室，陕西西安710048）

摘要：对于光伏阵列部分阴影问题，提出由光伏组件和与其并联的双向反激变换器组成的光伏组件集成变换器（PVMIC），并由PVMIC组成新型光伏发电系统。针对PVMIC的睡眠、馈能、旁路二极管、DCmodule4种工作模式进行分析，深入研究了各种工作模式的运行条件，使得新型光伏发电系统可以根据运行条件选择不同的工作模式，保证系统始终工作在最优状态，所以该系统即使在阴影条件下也具有较高的系统转换效率和更大的光伏阵列输出功率。通过仿真和实验验证了其解决阴影问题的可行性。

关键词：光伏发电；部分阴影；光伏组件集成变换器中图分类号：TM46

文献标识码：A

DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd19266

ResearchonWorkingMechanismofPowerGenerationSystemBased

22

ZHANGQi1，，LIUJiahao1，SUNXiangdong1，，YANGHui1，RENBiying1，ANShaoliang1，KANGYuanrong1

onPhotovoltaicIntegratedConverter

（1.ElectricalEngineeringDepartment，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China；

2.ShaanxiKeyLaboratoryofComplexSystemControlandIntelligentInformationProcessing，

Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China）

Abstract:Forthepartialshadowproblemofphotovoltaicarrays，aphotovoltaicmoduleintegratedconverter（PVMIC）whichwascomposedofaphotovoltaicmoduleandabidirectionalflybackconverterconnectedinparallelwasproposed，andanewphotovoltaicpowergenerationsystemwhichwascomposedofPVMICwasproposed.Accordingtotheanalysisforfourworkingmodesofsleep，feed，bypassdiodeandDCmoduleofPVMIC，theoperatingconditionsofvariousworkingmodesweredeeplystudied，sothatthenewphotovoltaicpowergenerationsystemcouldselectdifferentsystemhadhighersystemconversionefficiencyandgreaterPVarrayoutputpowerevenundershadowconditions.Thefeasibilityofsolvingtheshadowproblemisverifiedbysimulationandexperiment.

Keywords:photovoltaicpowergeneration；partialshading；photovoltaicmoduleintegratedconverter（PVMIC）workingmodesaccordingtooperatingconditionstoensurethatthesystemcouldalwaysworkinanoptimalstate，the

光伏阵列在运行过程中受到自然环境和自身因素等影响，会存在诸如灰尘、云朵、建筑物等遮挡阳光的问题，或者光伏组件不同朝向、参数以及部分电池组件老化等问题，这些统称为部分阴

［1］

影问题。部分阴影问题主要表现在以下3个方面：

2）若光伏组件没有并联旁路二极管，其端电压下降到负值时，会出现热斑效应，可能损坏光伏组件；3）若光伏组件装有旁路二极管，当导通的旁路二极管数量较多时，整个光伏发电系统可能由于无法正常工作而被迫停止，同时可能会导致光伏支路的P—U曲线出现多个极大值点，普通的MPPT算法失效。

1）光伏支路上的所有光伏组件都会偏离最大功率点，导致整个光伏支路的输出功率严重下降；

陕西省教育厅重点实验室基金（17JS087）

基金项目：国家自然科学基金项目（51607142）；陕西省自然科学基金项目（2017JQ5102）；作者简介：张琦（1982-），男，博士，硕士生导师，Email：zhangqi@xaut.edu.cn

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电气传动2019年第49卷第11期目前，部分阴影问题的解决方法主要集中在2个方面：1）适用于多峰值的新型MPPT算法，可以避免收敛于局部最大功率点，从而实现真正意义上的最大功率点跟踪［2-5］，但是新型MPPT算法比较复杂，需要适应各种工作环境，难度很大；2）分布式最大功率点跟踪，即每个光伏模块连接一个的用于实现最大功率点跟踪的变换器［6-11］，在此基础上对光伏模块进行串并联形成光伏发电系统，这种方法使得在阴影影响下每个光伏模块都能工作在最大功率点。本文正是基于分布式最大功率点跟踪的理念，提出了光伏组件集成变换器，并由其组成新型光伏发电系统，从而解决部分阴影问题。

11.1

新型光伏发电系统

电路结构

本文提出的光伏组件集成双向反激变换器PVMIC）如图1a所示，图1b为PVMIC的简化示意图。该PVMIC电路由对称结构的双向反激变换器实现，考虑到光伏组件的功率大多低于300W，比较适合反激变换器的应用范围，而且电路相对简单，因此本文选用反激变换器作为光伏组件集成双向变换器，当然，其他类型的高频隔离型DC-DC变换器也可以用作该目的的双向变换器。

图1光伏组件集成双向反激变换器示意图Fig.1

SchematicbidirectionalofPVflybackmoduleconverter

integrated图2为由PVMIC组成的新型单支路式光伏发电系统。整个系统由PVMIC串联组成光伏总线PV-bus，PV-bus作为公共开关变换器的直流输入端。每个PVMIC的光伏组件串联连接，通过58

张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究

防反充二极管连接PV-bus的正极，每个PVMIC的输出并联连接到PV-bus，即每个PVMIC相当于低压侧（光伏组件侧）串联、高压侧（PV-bus侧）并联。

图2基于PVMIC的新型单支路光伏发电系统示意图Fig.2

Schematic1.2新型光伏支路工作模式

powergenerationdiagramsystemofanewbasedsingleon-PVMIC

branchphotovoltaic对于图2所示的单支路光伏发电系统，PVMIC包括4种工作模式：睡眠模式、馈能模式、旁路二极管模式和DCmodule模式，下面简要说明各种工作模式。

1）睡眠模式：当整个光伏发电系统没有阴影或部分阴影程度较轻时，所有PVMIC都不动作，PVMIC没有损耗，相当于传统的光伏发电系统，如图3a所示。

2）馈能模式：当小部分光伏组件受到部分阴影影响时，对应的PVMIC电路动作，将PV-bus能量反馈给对应受阴影影响的光伏组件，保证PV-bus电流一直是未受阴影影响的最优电流，此时没有受到部分阴影影响的PVMIC电路仍处于睡眠模式，这样可以保证系统效率得到较大程度的提高，如图3b所示。

3）旁路二极管模式：利用其二极管的单导通原理，当光伏组件受到严重阴影影响，且趋于出现负压时，对应的PVMIC电路禁止动作，与光伏组件并联的二极管和高频变压器低压侧线圈提供电流通路，钳位光伏组件端电压，使得遮挡电池的反向漏电流足够小，保证二极管正常导通，不会导致电池组件严重发热，产生热斑效应［13-14］，

组件不被遮挡，二极管不会导通，因此没有二极管导通损耗，如图3c所示。

4）DCmodule模式：有2种情况，一是当工作在旁路二极管模式的PVMIC电路较多而导致PV-bus电压不能满足系统发电要求时，保持旁路二极管模式的PVMIC电路不变，使不受阴影影响的PVMIC电路工作在DCmodule模式，此时相

（张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究当于传统的并联型DCmodule模式；二是当阴影比较严重或者受到阴影影响的光伏组件较多时，馈能模式中有很大一部分功率回馈给光伏组件，而有极少功率流向负载，此时可工作在DCmod-ule模式，如图3d所示。

图3新型光伏发电系统工作模式等效电路图Fig.3

inEquivalentthenovelcircuitsPVpoweroffourgenerationoperatingsystemmodes

电气传动2019年第49卷第11期

1.3工作模式条件分析

以2块电池组件PV1与PV2串联为例进行分

析，如图4所示。

图4

2块光伏电池组件串联电路示意图

Fig.4

Schematicdiagramoftwophotovoltaiccellmodulesinseries

图4中，2块电池组件输出的电压与电流分

别为Upv1

，Upv2

，Ipv1

与Ipv2

，PV1正常工作，PV2受

到阴影影响，2块电池组件的短路电流分别为Isc1

与Isc2

。由于串联连接，所以存在：

ìíIpv1

=Ipv2

=Is

îU+U=（1）

pv

1

pv2

U

s式中：

Us为串联光伏支路输出电压；Is为串联光伏支路输出电流。

光伏组件的工程数学模型描述为［15-16］

Ipv=Isc其中

-ε[exp(ξUpv)-1]

（2）

ε=Ido

ξ=q/nAkTc

式中：

Ido为反向饱和电流；q为电子的电荷量，n为无伏电池串联个数；A为二极管特性因子；

k为波尔兹曼常数；

Tc为光伏电池绝对温度。ε与ξ在温度一定时为常数。由式（2）可知光伏组件输出电压为

Isc-IpvUln(pv=

ε+1)

ξ（3）

由式（3）得PV1和PV2的输出电压差为

ΔU=Upv1

-Upv

2

Isc-Ipv=

ln(

1

1

+1)-ln(Isc2

-Ipv

2

ε+1)ξεln(Isc1-Is+ε=I2

-)scξIs+ε（4）

由式（4）可以得出以下结论：如果Isc1

=Isc2

，

则Upv1

=Upv2

，即2块电池组件光照情况相同，没有阴影影响时，输出电压相同；如果Isc1

>Isc2

，则

59

电气传动2019年第49卷第11期Upv1

>Upv2

，即串联连接的光伏组件由于光照不同

发生阴影后，受光较强组件的输出端电压较高。所以可通过观测组件端电压判断串联支路是否有阴影发生，如果串联支路所有光伏组件的电压基本相同，则工作在睡眠模式，否则说明有阴影发生，切换工作模式［17-18］。

令ΔIsc=Isc1

-Isc2

≥0，则由式（1）与式（2）可得：

U=1ξln[exp(ξU+ΔI

scpv1

pv2

)ε]（5）

结合式（1）与式（5）可得，串联支路的输出电

压、电流和功率分别为

U=U12

ξln[exp(ξUΔI

scspv+pv2

)+ε]=f(Upv2

)（6）

Is=Ipv2

=Isc2

-ε{exp[ξf-1(Us)]-1}

（7）Ps=UsIs=UsIsc-εUs{exp[ξf-1

2

(Us)]-1}

（8）

根据式（1）、式（5）和式（6）可推得：ìïUïpv1>0ïïïUï

pv2<0Us<1ΔIscξln(1+

ε)íïïU1ln(1+ΔIsc（9）

pv2=0Us=)ïïξεïïU0UΔIscî

pv2

>s>1ξln(1+ε)

根据上述分析可知，二极管D1反向截止，二极管D2导通，即PV2电池组件工作在旁路二极管模

式的条件为光伏支路输出电压Us满足下式：

0scsε)（10）

若光伏支路输出电压Us满足下式：

1ξln(1+ΔIscε)oc

（11）

则D1与D2都反向截止，

Uoc为串联支路开路电压，此时工作在睡眠模式。

在馈能模式下，经过补偿以后，光伏支路电流始终为最优电流，每块光伏组件都能工作在最大功率点处，忽略温度对开路电压的影响，认为最优电压始终不变，PV1和PV2的最优电流Impp，Impp-shading和最优电压Umpp满足下式：

ìïImpp=Isc1

-ε[exp(ξUmpp)-1]íïImpp-shading=Isc2

-ε[exp(ξUmpp)-1]（12）

îImpp-I

mpp-shading=ΔIsc

所以光伏组件发出的总功率为

Pmppt=Ppv1

+Ppv2

=Umpp(Impp+Impp-shading)（13）式中：

Ppv1

和Ppv2

分别为2块光伏组件的输出功率。补偿给PV2的功率为60

张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究

Ppv

2-feedback

=UmppIpv

2-feedback

=Umpp(Impp-Impp-shading)

（14）

由式（13）和式（14）得到流向负载的功率：

Pload=Pmppt-Ppv2

-feedback

=2UmppImpp-shading

=2Umpp(Impp-ΔIsc)

（15）

根据以上分析，决定PVMIC电路的工作条件如下：

1）馈能模式工作条件：必须保证流向负载的功率Pload大于补偿以前光伏组件自身发出的功率Ps。因此，在式（11）描述的工作范围内，当Pload≥Ps时，工作在馈能模式；当Pload2）睡眠模式工作条件：如果串联支路所有光伏模块的电压基本相同，则工作在睡眠模式。

3）DCmodule模式工作条件：当系统工作在旁路二极管模式时，应检测PV-bus电压，当它低于负载电压最低要求时，切换到DCmodule模

式；另外，系统进入馈能模式前后，流向负载的功率变小，即馈能模式下所得到的负载功率小于原来工作模式下负载所得到的功率，此时切换到DCmodule模式。

4）旁路二极管模式工作条件：满足式（10），即电池组件端电压出现负压时，则工作于旁路二极管模式。

总之，通过检测串联支路光伏组件的电压，可以判断是否有阴影发生。如果没有阴影发生，则工作在睡眠模式。如果有阴影发生，则根据阴影程度切换工作模式：如果部分阴影较轻，工作在馈能模式；如果阴影很严重，导致光伏组件端电压趋于负值，则工作在旁路二极管模式；如果工作在旁路二极管模式的光伏组件较多，导致光伏母线电压较低，不能满足负载电压要求时，切换至DCmodule模式，或者工作在馈能模式时，串联支路有多块电池组件受到较严重阴影影响，导致大部分功率都用于回馈补偿能量，而有极少部分功率流向负载，此时也切换至DCmodule模式。

2仿真验证

在PSIM仿真环境下搭建了新型单支路式光伏发电系统仿真模型，其中，3块PVMIC串联，分别编号为PV1，PV2和PV3；公共开关变换器采用Boost斩波电路，连接电阻负载。光伏组件参数为：开路电压44.4V，短路电流5.15A，最优电压

张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究35.6V，最优电流4.78A，最大功率170W。仿真波形如图5～图8所示。图5～图8中，光照强度系数L（xx=1，2，3）为当前光照强度与标准光照强度的比值，标准光照强度为1000W/m2；Ix，Ux，Px分别为某块电池组件输出电流、电压和功率；Pload为负载功率；UPV-bus为PV-bus电压；i为PV1的旁路二极管电流。

1）睡眠模式：图5中，3块电池组件没有阴影影响，于是系统处于睡眠工作模式，稳态时在标准光照强度下每块光伏组件各自工作在最大功率点处，输出功率170W。

图5睡眠模式下仿真波形

Fig.5

Simulationwaveformsinsleepingmode

2）馈能模式：图6中，在0.6s时，PV1光照强度从1000W/m2变为800W/m2，PV2和PV3光照强度不变，仍为1000W/m2。由图6可知，经过对PV1光伏组件馈能补偿，3块电池组件依旧工作在各自的最大功率点处，PV2和PV3并没有受到阴影影响。

图6馈能模式下仿真波形

Fig.6

Simulationwaveformsinenergyfeedbackmode

3）旁路二极管模式：图7中，在0.6s时，PV1

电气传动2019年第49卷第11期

光照强度从1000W/m2变为100W/m2，PV2和PV3光照不变，仍为1000W/m2。此时PV1受到严重阴影影响，工作在负压区域，对应的反激变换器不动作，通过开关管的体二极管与变压器低压侧线圈形成电流通路，钳位组件端电压。PV1经过二极管钳位，端电压为0，输出功率也为0，而其他2块电池组件依然各自工作在最大功率点处。

图7旁路二极管模式下仿真波形

Fig.7

Simulationwaveformsinbypassdiodemode

4）DCmodule模式：图8中，在0.6s时，PV1和PV2光照强度从1000W/m2都变为100W/m2，PV3

光照不变，为1000W/m2。此时PV1和PV2对应的反激变换器不动作，处于旁路二极管模式，而PV3对应的反激变换器工作在DCmodule模式，用来稳定PV-bus电压。

图8DCmodule模式下仿真波形

Fig.8

SimulationwaveformsinDCmodulemode

3实验结果验证

搭建新型单支路式光伏发电系统实验平台

61

电气传动2019年第49卷第11期进行实验，光伏组件的实验参数与仿真参数一致。3块光伏组件分别编号为电池组件PV1，PV2和PV3。由于只有3块电池组件串联，PV-bus电压太低，在阴影影响下不能对受阴影影响的电池组件进行完全补偿，所以采用市电进行整流以后代替PV-bus进行补偿，这种电路拓扑适合用于低压系统。

图9为睡眠模式实验结果，

Upv1

，Upv2

和Upv3

分别为电池组件PV1，PV2和PV3的输出电压；i为光伏支路电流。从波形可以看出，3块电池组件的输出电压和输出电流与实际的最大功率点电压和电流略有差异，这是由于天气、环境等原因，电池板不可能工作在标准条件下，所以其参数会发生变化，实际测得开路电压为39～40V，实际上此时3块电池组件都大约工作在最大功率点处，每块电池板输出功率大约115W左右。

图9

睡眠模式实验结果

Fig.9

Experimentalresultsinsleepingmode

图10为1块电池组件受到阴影影响时馈能模式的实验结果，其中图10a、图10b分别为补偿

前和补偿后的实验波形，

Upv1

，Upv2

和Upv3

分别为电池组件PV1，PV2和PV3的输出电压；i为光伏支

路电流。图10c为电池组件2的输出电压、输出电流和对应反激变换器的驱动波形。

从图10可以看出，补偿前，电池组件PV2的输出功率为13.5W；电池组件PV1和PV3的功率分别为62W和63.7W；3块电池组件输出的总功率约139.2W，3块电池组件都偏离了最大功率点。经过补偿以后，支路电流上升为2.3A，而3块组件的输出电压都大约稳定在各自的最优电压处，3块电池组件均工作在最大功率点处，总功率约为171.5W；电池组件PV1，PV2和PV3的输出功率分别为70.8W，69.2W和72.7W；而经过计算得出补偿给PV2的功率为14.5W，该功率由电网提62

张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究

供。由此可见，补偿后，电池组件PV1和PV3的输出功率分别提高了8.8W和9W。

图10

1块电池组件被遮挡时馈能模式实验结果Fig.10

modeExperimentalforonePVMIC

resultsofenergyfeedback

图11为旁路二极管模式的实验结果，电池组件2受严重阴影影响，其中图11a为3块电池

组件各自的电压与支路电流，

Upv1

，Upv2

和Upv3

分别为电池组件PV1，PV2和PV3的输出电压，i为光伏支路电流。图11b为电池组件PV2的端电压和输出电流。由图11可以看出，电池组件PV2经过二极管钳位后端电压为二极管的导通压降，而输出电流为0，电池组件PV1和PV3的工作状态不

张琦，等：基于光伏集成变换器的发电系统工作机理研究受阴影影响，都能大约稳定工作在各自的最优电压处，此时电池组件PV1和PV3的输出功率均约为120W。

图11

二极管旁路模式实验结果

Fig.11Experimentalresultsinthebypassdiodemode

4结论

本文从模块化电路角度出发，提出光伏组件集成双向反激变换器（PVMIC）用于解决部分阴影问题，多个PVMIC单元串联连接组成新型光伏支路，与公共开关变换器组成新型光伏发电系统，它具有睡眠、馈能、旁路二极管和DCmodule4种工作模式。由PVMIC组成的新型光伏发电系统可以根据运行条件选择工作在不同的工作模式，睡眠模式下，PVMIC不动作，PVMIC没有损耗；PV组件受到阴影影响时，对应的PVMIC工作在馈能模式，补偿公共支路电流，保证其他无阴影影响的PV组件工作在最大功率点；当PV组件阴影严重时，进入旁路二极管模式；当工作在旁路二极管模式的PV组件较多时，正常的PVMIC进入DCmodule模式。总之，该系统在阴影条件下具有更高的转换效率，更大的PV输出功率，更强的系统运行能力。

电气传动2019年第49卷第11期

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