光伏组件直流模块的控制策略研究

丁 坤 ， 徐俊伟 ， 彭 韬 ， 卞新高 ， 张经炜

（1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022；2.常州市光伏系统集成与生产装备技术重点实验室 江苏 常州 213022）

光伏阵列周围建筑物、乌云、灰尘等阴影造成的非理想工况会大大减低光伏阵列的输出功率。在非理想工况下，保证光伏阵列稳定、高效地工作已成为了光伏发电的关注焦点[1]。因此，对于集中式或者分布式的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的阵列或者组件的直流控制器的研究至关重要。集中式MPPT的阵列控制器主要是通过不改变多个功率极值点的前提下完成全局最大功 率 点 跟 踪 （Global Maximum Power Point Tracking，GMPPT），其组成的光伏发电系统结构简单、效率高，但是对于光伏阵列处于局部阴影时引起的多峰现象需要寻找复杂的GMPPT方法来控制[2-4]，却依旧不能使得每个组件均在MPPT处输出功率。分布式MPPT的光伏发电系统是将每个光伏组件后接的组件优化器通过串、并联的方式级联起来形成的发电系统[5-6]，该系统主要优点是能够保证每个组件都工作在各自的MPP处；各个模块间是相互独立的，能够根据不同的外部环境和不同组件的特性进行智能调整；能够实时、便捷地进行各自模块的监控、测试，便于系统检修和维护。本文主要对光伏组件级联直流模块化系统及其控制策略进行分析研究。

1 光伏组件直流模块化系统

1.1 级联直流模块总体系统结构图

文献[5]提出了光伏组件级联直流模块化系统结构，其主要原理是给每个光伏组件都配置一个带有MPPT的直流斩波电路的组件优化器，将光伏组件与对应的组件优化器成为一个级联直流模块，然后将这些模块串、并联起来形成一定的电压和功率等级，再通过逆变器供给负载或者直接并网。典型的级联直流模块系统结构示意图如图1所示。

1.2 组件优化器硬件主电路

关于光伏组件优化器，文献[5]也已对其直流斩波电路进行了讨论与分析。典型的Boost拓扑电路或者Buck拓扑电路的工作效率高，但是在光伏发电系统处于严重失配工况时不能保证每个组件优化器都能正常工作，从而产生系统输出功率的较大损失；典型的Buck-Boost拓扑电路能够保证每个组件都能运行在MPP处输出功率，但是由于效率低下和成本昂贵的缺点，在实际应用中较少出现。因此一种基于双开关管的Buck-Boost拓扑电路的组件优化器被提出，拓扑电路如图2所示。

图1 级联直流模块系统结构图Fig.1 The system structure of cascaded DC/DCmodule connection

图2 双开关管Buck-Boost拓扑电路Fig.2 Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

图2 中的双开关管Buck-Boost拓扑电路有两种工作模式：Boost工作模式和Buck工作模式。其主要工作原理是：功率开关管Mosfet1常闭，Mosfet2正常斩波工作，拓扑电路工作在Boost模式；功率开关管Mosfet1正常斩波工作，Mosfet2常开，拓扑电路工作在Buck模式。

2 组件优化器控制策略

在光伏组件级联直流模块化系统中，双开关管的Buck-Boost拓扑电路的组件优化器的控制策略在于实现每个组件都能根据MPPT策略维持在MPP处输出功率的条件下保持级联直流模块化系统稳定地运行。由于系统在严重失配工况下部分直流模块不能工作在初始的工作模式下，因此需要根据电路的工作状态对Boost工作模式和Buck工作模式进行合适的选取。

图3是双开关管Buck-Boost拓扑电路工作模式的控制策略流程图。初始情况是每个组件优化器通过软启动的方式均在Boost工作模式下进行各自光伏组件的MPPT控制。工作模式切换的主要判定条件是：当组件优化器正处于Boost升压工作模式进行 MPPT，检测到 Vin＞0.9Vout，表明组件优化器逐渐靠近Boost拓扑电路不能正常工作的临界点，此时应停止升压驱动，进入Buck降压工作模式进行MPPT；相反当组件优化器正处于Buck降压模式进行MPPT，检测到Vin＜1.1Vout，表明组件优化器逐渐靠近Buck拓扑电路不能正常工作的临界点，此时应停止降压驱动，进入Boost升压工作模式进行MPPT。

另外，如果组件优化器能够在直流变换调节裕度范围内运行并保持MPPT控制，则不需要进行工作模式的切换控制。若电路运行中出现故障，则驱动复位，停止所有驱动信号再重新初始化。

图3 拓扑电路控制策略Fig.3 The control strategies of topology circuit

3 实验验证

将每个光伏组件依次连接到以双开关管的Buck-Boost为拓扑电路的组件优化器的输入端，再将各组件优化器的输出端的正、负极相互串联起来接至固定负载便构成双开关管的Buck-Boost拓扑的级联直流模块化系统，如图4所示。

图4 串联双开关管Buck-Boost拓扑光伏直流模块系统Fig.4 The series PV DC/DCmodule system of Buck-Boost topology circuit with two controlled switches

实验系统中选取亿晶50 W功率等级的光伏组件，组件优化器是基于DSP控制的双开关管Buck-Boost拓扑电路。实验主电路图参数：电感均为470μH，Mosfet功率管的工作频率均为25 kHz，输入电容均为470μF，输出电容均为220μF，负载阻值为50Ω。

实验过程中初始设定系统在无失配工况下，两个组件优化器均在Boost工作模式下运行。测得两个组件所受的辐照度均为860 W/m2，组件的温度均为40℃，因此每个组件在MPP处的输出功率均为43 W。在3 s时刻转动光伏组件1的倾斜角度，使得其所受的入射辐照度不变减小，一直转动到8 s左右停止，此时光伏组件1的入射辐照度低至使得系统处于严重失配工况下。每个光伏组件MPPT的实验曲线如图5和图7所示，其对应的组件优化器在工作时的占空比如图6和图8所示。

图6 光伏组件1优化器占空比曲线Fig.6 The duty curves of PV module 1's optimizer

从图5和图7可以看出，在前3 s时间内，两组件均处于MPPT阶段并且能在MPP处输出功率，在大约3～8 s之间，由于不断地向辐照度低的方向转动光伏组件1的倾斜角，因此光伏组件1的输出功率在不断减小。当在7～8 s之间时，光伏组件1后接的组件优化器触发了模式切换条件，由初始的Boost工作模式切换到Buck工作模式，从图6可以看出，光伏组件1后接的组件优化器的控制Mosfet2占空比从正常跟踪光伏组件1的占空比逐渐降低变为0，而控制Mosfet1的占空比由1开始降低直至使得光伏组件1跟踪到当前条件下的MPP；另外光伏组件2在MPP处跟踪的功率和电压变化不是很明显，依旧能保持在MPP处输出功率，如图7所示，另外从图8分析光伏组件2后接的组件优化器由于没有触发到模式切换条件，依旧在Boost工作模式下运行。

4 结束语

图8 光伏组件2优化器占空比曲线Fig.8 The duty curves of PV module 2's optimizer

根据在光伏组件级联直流模块系统处于严重失配工况时部分组件优化器出现失效的情况，本文提出一种双开关管Buck-Boost拓扑电路的组件优化器，另外设计了满足不同工况下的控制策略，并通过实验验证了在严重失配工况下级联的直流模块能够使得每个光伏组件均运行在MPP处，大大提高了系统的能效。

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