基于部分功率变换的光伏组串电压补偿器研究

作者:王志鹍;朱越;吴建德;何湘宁 刊名:电力电子技术 上传者:尉冬冬

【摘要】研究了在光伏系统的每个组串中串联电压补偿器,从而提高组串输出功率的方法。通过分析补偿器的原理、实现拓扑及相关控制策略,使其在兼顾成本和效率的同时,实现组串级最大功率点跟踪(MPPT),并维持组串之间电压平衡。该结构不仅适用于改造传统集中式阵列,也可与光伏组件优化器配合应用。最后在光伏模拟平台上,实现了补偿器MPPT功能,验证了光伏组串补偿器具有提高系统发电效率的结论。

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l引言光伏发电具有清洁、可再生、安装方便等特点,已成为最有前途的可再生能源发电方式之一。集中式光伏发电系统中,一定数量的光伏组件串联形成光伏组串,多个组串通过直流汇流箱并联后,输入逆变器实现光伏发电|1]。为降低线损,提高系统发电效率,同时减少组串、线缆和汇流箱的数量,集中式光伏发电系统中的直流母线电压一般设置在400~1 000 V'局部阴影遮挡或部分组件老化等因素导致失配时,光伏发电系统面临发电效率降低的问题。失配可划分为组件级失配和组串级失配。现有的光伏发电系统采用组件旁路二极管防止失配严重的组件由于光斑效应损坏,采用组串防逆流二极管防止失配严重的组串输入反向电流而损坏。由于 二极管无法调节组件或组串的特性曲线,组串或阵列的P-J/特性会呈现多峰值现象,造成输出潜能的浪费。针对上述失配问题,主要解决方案有:①采用多峰值输出特性下全局MPPT(GMPPT)算法,但该算法存在输出潜能浪费和母线电压不稳定而引起功率振荡等问题;②通过对光伏阵列拓扑结构进行优化设计或增加硬件优化电路,实现组件级MPPT,但会导致初期投资成本增加'在此通过分析集中式光伏发电系统中失配条件下阵列的输出潜能浪费问题,研宄和设计了一种组串电压补偿器。该电压补偿器通过调节每个组串的输出电压,消除组串级失配的影响,从而实现每个组串的MPPT。同时,提出一种配合Buck型光伏优化器的最大功率输出解决方案。最后搭建光伏模拟平台,通过实验论证了补偿器的作用。2失配下光伏阵列的输出特性分析描述光伏组件输出特性的参数主要有开路电压短路电流最大功率点(MPP)电压、电流 Ud41。假设标准工作状况(光照强度kw/m2,组件温度7^=25°C)下,组件4个基本参数为和则当光照和温度条件变化时,通过引入相应补偿系数,近似推算出任意光照强度S和电池温度r下4个基本参数为:t/?=t/U(l-7Ar)ln(e+/3AS)]U^U^d-yAWe-^AS)] (1)4=4^似1+aAr)],/-=/)/仏(l+aA7〇]式中:A5为实际光照强度与标准值差值,A5=S-Srf;Ar为实际电池温度与标准值差值,AT^r-T^c^/^y为实验拟合得到的光伏组件温度和光照补偿系数,典型值为a=0.002 5°C-',/3=0.000 5(W/m2)-',y=0.002 88°C-'?S变化对乙和/?^影响较大,而对K和影响较小;r变化只对K和有影响,对4和/??>影响很小。当组件发生老化时,等效为串联电阻艮增大,其K和4基本不发生变化,而^/??和/??,随老化程度不同而变化|51。不失一般性,以图1所示3x3光伏阵列为例说明系统在失配条件下的输出特性。DC—令--_,slUu"21斐響PV,,1\PV21正.常+f/31llPV3,DC-1\S'…二气為"22t/|2/s21\…备…}-PV,2PV22受遮挡UnPV321\i/|3"23/s3PV,3PV23老化t/33PV33组串2Vi,arra:uz?组串3图1组串局部阴影遮挡示意图Fig.1 Schematic diagram of partial shaded strings定义阴影遮挡系数C=l-S/1 ooo,c越大表示组件受遮挡越严重。如图1所示,组串1正常工作,组串2中PV32受阴影遮挡(C=0.5),组串3中PV33老化,圪由正常条件下0.288(1变为3 n。利用PSIM仿真可得各组串和阵列/M7曲线如图2。L阵列C/mpp.s2{/mpp.A f/mpp s图2 P-f/特性曲线Fig.2 P-U characteristic c

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