光伏组件智能接线盒设计研究

成 涛，汪 炜，马 龙

(南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016)

光伏组件智能接线盒设计研究

成 涛，汪 炜，马 龙

(南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016)

根据光伏组件输出电压与输出电流之间单调连续非线性的特性，以阻抗匹配为设计思想，提出光伏组件智能接线盒的具体实现方法。在此基础上，完成了包含最大功率跟踪 (MPPT)功能的智能接线盒硬件电路设计和算法流程设计。通过集成的无线通讯模块实现接线盒的智能监控功能。最后通过实验证明了智能接线盒的有效性。

阻抗匹配;最大功率点跟踪;智能监控

智能接线盒是相对于传统的旁路二极管式接线盒的新一代光伏功率优化产品。为适应光伏组件工作环境的复杂及多变性，需要根据负载实际情况调整其工作电压，以达到充分利用太阳能资源的目的。智能接线盒是具备光伏阵列最大输出功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ，MPPT)功能的DC/DC变换器，其相应的MPPT算法的实用性及可靠性成为该领域的核心竞争力。不同的MPPT算法，其判断是否工作于最大功率点(Maximum Power Point，MPP)的标准各有不同，控制策略也不相同。国内外文献提出了多种跟踪方法，可分为自寻优和非自寻优方法两大类型。其中，常见的自寻优方法有固定电压法、扰动观测法、电导增量法、间歇扫描法和智能控制法等[1]。本文将采用一种基于阻抗匹配的能够实时跟踪且更新速率可调、输出纹波小的MPPT算法。在电路实现上，采用单片机作为控制单元，四开关Buck-Boost电路作为调节单元，并且采用无线通讯模块收集系统的工作状况信息，实现光伏阵列的远距离监控。

1 光伏发电的阻抗匹配思想

阻抗匹配是指负载阻抗与电源内阻抗相互适配，达到最大功率输出的一种工作状态。通过图1简要推导定值阻抗的匹配原理：直流电压源等效为理想电压源E和电压源内阻r，负载为纯阻抗电阻R；设流过电阻R上的电流为I，负载电阻R上的电压为U。可知，当R越大时，其流过的电流越小，相反其两端电压越大。

负载R所消耗的功率：

图1 基本直流电路

(1)

若电源内阻为定值，当负载阻抗值R与内阻抗r相等时，存在最大功率值P，这就是阻抗匹配的原理[2]。

对于定值内阻抗，上述结论成立。然而，其他条件不变，对于具有单调型非线性特性内阻抗，上述结论不成立。电源的真实内阻抗等于负载的等效输入阻抗时，电路回路传输的效率并不是最高，电源输出功率并不是最大[3]。

根据太阳能电池的直流模型，可知光伏组件的直流模型如下：

(2)

式中：i为光伏组件的电流；u为光伏组件的电压；Iph为电池片光生电流；K为波尔兹曼常数,K=1.38×10-23J/K；T为电池片表面温度；q为基本电荷量,q=1.6×10-19C；A为二极管因子,一般取值为1或2；Rs为串联内阻；Rsh为并联内阻；I0为二极管反向饱和电流；np为并联电池片数量；ns为串联电池片的数量。

由于并联内阻远远大于组件的电压，因此忽略u/Rsh，将式(2)变换得到：

(3)

式(3)为单调连续非线性函数，即光伏组件的数学模型具有单调非线性[4]。用曲线来表示这个式子，即可得到光伏组件的V-I曲线。

根据文献[4]所提出的非线性内阻抗的线性处理方法，可以知道光伏组件内阻抗实际测量方法：

(4)

为减小系统误差，本文采用连续采样取平均值的方法。具体实现过程：在一个采样周期内，系统采集从光伏组件输出的电流AIIN、电压AVIN，通过式(4)对电流、电压进行差分计算，从而得到组件的动态等效阻抗：

(5)

采集负载端口电压和电流AVOUT、AIOUT，根据阻抗计算理论得到负载阻抗：

(6)

依据阻抗匹配理论，比较动态等效内阻抗r与负载阻抗R，调整组件的输出电压，使得功率输出最大化。

2 系统实现

系统硬件结构如图2所示。基于动态等效阻抗的MPPT算法，采集的数据以及涉及到的运算非常简单。采用单片机作为控制单元就可以满足要求。

图2 系统结构示意图

单片机应该包含的主要功能：数据采集(通过AD通道采集)、可产生脉宽调制信号(PWM)。相关的外围电路如MOSFET驱动、电流电压采集、温度采集、电源指示以及过压保护等辅助性功能电路，在此不多做介绍。

电路调节单元采用四开关Buck-Boost电路[5]。电路结构如图3所示。

图3 四开关Buck-Boost电路

四开关的Buck-Boost电路由Buck电路和Boost电路共用一个电感变换得来，其中场效应管Q1与Q4为主控管，Q2与Q3为同步整流管。以D1为Q1的占空比，D2为Q4的占空比。Q2，Q3分别与Q1，Q4互补。

不同的匹配状态下，PWM信号的占空比理论值如下。

a.R>r，采用降压模式：

D2=0

b.R

D1=1

c.R=r，对电压不做调整：

D1=1

D2=0

根据所设计的硬件电路以及相应的控制策略，程序设计流程如图4所示。

图4 算法流程图

3 智能监控

在功率跟踪基础上集成传感器无线节点，实现对每个组件的智能监控。智能监控由无线传感、智能管理、网络数据库3个单元组成。图5为智能监控的构架以及3个单元之间信息的传递示意图。

图5 智能监控构架

若干无线节点形成传感单元，负责采集光伏组件各项数据，通过网关板上传数据，同时接收智能管理单元对光伏组件的控制指令。

智能管理单元主要有3个功能：(1)获取电站周边环境信息和电站管理人员命令。(2)处理无线传感器网络单元上传的数据，依据数据处理结果、电站外部环境和电站管理人员指令发送组件工作参数控制信号，发现组件工作异常情况进行通知并记录。(3)保存光伏组件数据，并上传数据至网络数据库。

网络数据库单元接受智能管理单元上传的电站数据并加以保存，用户通过网络查询平台对电站的发电情况进行查询。监测和控制信息在智能接线盒与上位机之间双向传输。

带有无线传感节点的智能接线盒，不仅能够实现最大功率的跟踪，优化各个组件的功率输出，而且能够实时监测光伏组件运行状况，报告异常，同时记录光伏组件发电情况，供用户查询，能够有效地实现分布式光伏电站的智能化监控。

4 实验效果

针对标称功率250W的光伏组件研制的接线盒样机测试数据如图6所示。

图6 接线盒测试数据

实验平台为南京航空航天大学小型光伏系统。试验采用大功率纯阻抗性负载。实验测试时间段为上午10：00至下午16:00，测试数据共8组。

从实验结果来看，相对于传统的不带MPPT功能的接线盒，智能接线盒确实能够增加光伏组件的输出功率。本实验条件下普遍提升功率30W左右，最大增幅接近50%。这不仅验证了基于动态阻抗匹配的MPPT算法的可行性，也证明了智能接线盒的有效性。

5 结束语

针对光伏组件的功率损失问题，本文设计了一种以阻抗匹配理论为基础的智能接线盒，为解决光伏发电中的最大功率点跟踪问题提供了一条可行的实施途径。同时采用无线通讯技术实现了分布式光伏阵列的远距离智能化监控。

[1] 赵争鸣,刘建政,袁立强,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 孙元福.关于最大功率输出的探讨[J].中国民航学院学报,1997,15(1)：61-67.

[3] 邱关源.电路[M]. 北京:高等教育出版社,2000.

[4] 郑颖楠,王俊平,张霞.基于动态等效阻抗匹配的光伏发电最大功率点跟踪控制[J].中国电机工程学报,2011,31(2):111-118.

[5] 任小永,唐钊,阮新波,等.一种新颖的四开关Buck-Boost 变换器[J].中国电机工程学报,2008,28(21):15-19.

ResearchandDesignonIntelligentJunctionBoxforPVModules

CHENG Tao, WANG Wei,MA Long

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

According to the nonlinear continuous monotonic characteristics between output voltage and current of PV module, it proposes a specific implementation of intelligent PV module junction box in the idea of impedance matching, designs the hardware circuits and algorithm program of the intelligent junction box with MPPT (maximum power point tracking, MPPT) function. Based on the integration of wireless communications module, it achieves the intelligent monitoring function. Finally, it takes the experiments to prove the effectiveness of the intelligent junction box.

Impedance Matching; Maximum Power Point Tracking; Intelligent Monitoring

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.009

2013-12-26

成涛(1988—)，男，湖南衡阳人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为光伏发电最大功率点跟踪。

TH272

A

2095-509X(2014)03-0033-03