串联型集成光伏组件运行特性研究

李建宜 刘海明 史旺旺

摘 要：在串联分布式光伏系统中，通常采用固定的限压或限流值进行保护，但当系统中多个组件均工作于限压或限流保护控制，会出现的功率不稳定的问题。为此提出了一种具备倾斜特性保护的集成光伏组件功率控制方法，保证了系统功率输出的稳定性。

关键词：分布式光伏系统；倾斜特性；串联；稳定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.155

0 引言

光伏发电系统通过最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）技术使其工作在最大功率点，提高了系统效率，降低了发电成本。常规光伏系统假设所有光伏组件的特性一致，因此整个光伏系统只有一个最大功率点，采用扰动观察法、电导增量法等MPPT方法容易实现最大功率点跟踪[1-3]。但光伏組件在实际运行中受老化、太阳光线被遮挡等因素的影响，光伏系统的功率特性表现为多峰，常规MPPT技术很难找到全局最优工作点。全局最大功率点跟踪技术还没有达到实用程度，这样组件功率特性不一致时仍然存在功率损失[4-5]。分布式MPPT技术在每个光伏组件输出端配置一个DC/DC控制器实现MPPT功能，也称为集成光伏组件较好地解决了上述问题[6-7]。这样每个光伏组件工作在最大功率点，DC/DC控制器的输出特性表现为恒功率特性。

当恒功率的DC/DC的输出经串联后接入逆变器，如果总功率过大或母线电压偏低，会导致串联回路电流过大，此时应进行限流控制。如果采用恒定值限流而限流控制的DC/DC的电流采样存在误差时会导致串联组件的输出功率不稳定，从而影响系统的整体稳定性。本文提出了倾斜保护特性，消除了因采样干扰而引起的不稳定。

1 恒功率电源串联特性分析

图1为串联型集成光伏组件发电系统结构图，图中光伏组件输出端与DC/DC变换器输入端相连，DC/DC变换器输出端与相邻DC/DC变换器输出端串联，实现DMPPT以及限压限流等保护功能，串联后的输出端接逆变器或直流负载。

由图1可知，DC/DC控制器输出端串联，DC/DC控制器输出电流相等，串联运行的总电压为各DC/DC控制器输出电压之和，系统的总输出功率为各DC/DC控制器输出功率之和，DC/DC控制器输出电压与其输出功率成正比。

集成光伏组件的输出电压、电流超过限定值时，系统会限压或限流保护。传统的恒定值限压限流保护的DC/DC控制器的输出V/I特性如图2。由图2可以看出，在串联系统或者并联系统中，若多个集成光伏组件控制器均工作在限压、限流状态下，则相应的光伏组件输出电流或电压大小处于不可控状态，从而导致光伏组件输出功率不可控，影响系统稳定性。

为验证上述现象，在PSIM中搭建串联电路进行仿真。以两个集成光伏组件为例，组件1光照强度为800W/m2，组件2的光照强度为1000 W/m2，母线初始电压为160V，1秒后母线电压变为80 V，在1.35秒左右加入一个低频正弦扰动Iout=Iout0-5*sin（2*pi*40*t），扰动时间持续80个采样周期，设电流限定为3.2A。对电路进行仿真得到如图3所示，图中（a）为功率变化曲线，（b）为串联支路电流变化曲线，（c）为DC/DC控制器输出电压曲线，（d）为母线电压曲线。由图3知，当为160V时，串联支路电流为2.15A，组件均工作在最大功率点；当降为80V时，支路电流迅速上升并超过限流值3.2A，此时功率输出下降。在1.35秒时母线上采样电流收到短暂干扰，干扰引起电流环调节，此时DC/DC控制器输出端电压的发生改变，但总电压不变，DC/DC控制器输出功率发生改变，功率分配关系受干扰影响大而出现不稳定现象。

2 倾斜保护控制算法

由上述分析可知，电流采样的干扰引起了功率的重新分配，此现象是恒值限流特性引起，为了使干扰消失后，功率分配能回到原来状态，本文研究了倾斜限压限流的特性。考虑倾斜限压限流串联电路V-I曲线如图4，倾斜特性曲线可表示为：

其中是取值较小的限压曲线斜率，为DC/DC控制器输出电压额定值，与相差较小， y是限压设定值，x是串联支路电流值， 是DC/DC控制器输出功率，当时，退出MPPT控制，而进入限压调节。

其中为取值较大的倾斜限流曲线的斜率，数值与相差较小，y为限流值，x为DC/DC控制器输出电压值，为DC/DC控制器输出电流额定值，为第i个DC/DC控制器输出功率，当时，退出MPPT控制而进行限流控制。

3 仿真结果

为测试倾斜特性的效果，在PSIM仿真平台上进行仿真实验。仍然以两个组件串联为例，光伏组件1的光照度，组件2的光照度为，在1秒之前为100V，1秒后降至50V，1.8秒串联支路的电流采样值叠加了如下扰动：

PSIM下的仿真结果如图5，从图中可以看出，当工作在100V时，串联支路电流为2.7A，没有超过Xmax，从而不需要限流控制；当电压下降到50V时，支路电流上升且超过Xmax，由倾斜限流特性曲线可计算出限流值，如图5（b）所示。经电流调节后，支路电流达到电流设定值。1.8秒采样电流受到干扰后，DC/DC控制器1和DC/DC控制器2输出电压发生变化，电压电流在干扰消失后，逐渐恢复扰动前数值并保持稳定，验证了倾斜特性的效果。

4 结论

在串联型光伏集成组件发电系统中，一旦出现支路电流过大，则所有串联的DC/DC控制器均工作在限流状态下，因而使得每个光伏组件控制器输出电压不可控，而总输出电压保持恒定，从而导致DC/DC控制器之间的电压和功率分配不确定。因此，若串联系统中电流采样信号受到干扰，则光伏组件控制器的输出电压会出现较大变化。为此，提出了具有倾斜特性的限压限流方法，并在PSIM中进行了仿真实验验证，解决了因干扰引起的功率波动，具有倾斜特性保护的集成光伏组件系统能够始终保持功率分配的稳定，在干扰过后功率能够恢复到干扰前的数值。

参考文献：

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基金项目：江苏省高等学校大学生创新训练重点项目“级联均压式光伏集成组件控制器的研究与开发”（编号：201711117022Z）；江苏省水利科技项目“农业智能节水灌溉系统与控制设备研制开发”（编号：2017066）。

作者简介：李建宜（1996-），男，江苏扬州人，本科在读，从事电气工程与自动化方向研究。

为通讯作者