CN105227045A - 一种光伏dmppt系统最大功率跟踪区域的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，基于不同组成结构的DMPPT光伏系统，分析了其整体的输出特性，提出了用于衡量光伏DMPPT系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出的判据，并研究了最大功率区域的范围与光照条件系数、光伏板额定输出功率、光伏电池串(组)中的模块数、光伏优化模块的限压值和限流值参数之间的关系。在满足该判据时，在不同的光照条件下每块光伏板都可以工作在各自的最大功率点。通过选择和设计以上参数，可以扩大光伏DMPPT系统最大功率输出的范围，从而有效地提高了光伏阵列在失配条件下的电产率，并且适用于高电压母线系统。

Description

一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法

【技术领域】

本发明属于太阳能光伏发电研究领域，特别涉及一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法。

【背景技术】

太阳能发电作为清洁能源供能的主要方法，其自身具有能源总量巨大，清洁无污染以及地理上不受限制等优势，同时，太阳能发电系统安全稳定，易于实施和维护。近十几年里，在工业界和学术界的努力推广下，光伏发电的效率显著提高，成本不断降低，从而使得整个产业链快速成长，成为全球增速最快的高新技术产业之一，太阳能发电也逐渐由补充能源转变为了可替代能源。然而，在实际的光伏系统应用环境中，周围物体阴影的遮挡和太阳能板的具体安装朝向不同会导致光伏系统电产率严重下降(10-20％)，上述问题通常被称为光伏系统的失配问题。失配问题会导致光伏阵列整体的输出静态特性曲线呈现出“多个最大功率点(MultipleMaximumPowerPoint，MMPP)”的现象，对传统集中式最大功率跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制算法也提出了挑战。即便采用某种复杂先进的算法，可以找到多个最大功率点中的全局最高点，整个系统仍旧无法保证所有光伏板都工作在自身的最大功率点。因此传统光伏系统对光伏组件的电气参数和运行环境的一致性要求高，日常系统维护和清理较为麻烦，人工成本高昂，限制了光伏产业的进一步发展。

为了解决这一问题，在传统光伏系统中引入了光伏优化模块，构成了基于DMPPT的光伏系统。分布式最大功率跟踪(DistributedMaximumPowerPointTracking，DMPPT)的概念是将一个DC-DC变换器与一块标准光伏板相连构成一个模块(称之为“光伏优化模块”)，再以该模块为基本单元进行串并联构成一个光伏阵列。通过引入光伏优化模块：缓解了传统光伏系统因为失配现象引发的能量损失，提高了光伏系统电产率，缩短了光伏系统投资回报周期；扩大了光伏系统的最大功率区域，解决了失配情况下系统多个最大功率点的问题；对于DMPPT光伏系统，后级并网变流器仍然需要最大功率跟踪的功能，但是由于引入DMPPT，后级的最大功率跟踪算法更为简单和快速；光伏系统的设计和安装更为灵活，简单，对于光照区域的利用率也大大提高。然而在某些失配条件下，即使采用DMPPT，也无法确保每块光伏板输出自身的最大功率。如何衡量分布式光伏系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出以及如何扩大其最大功率输出的范围成为亟需解决的问题。

【发明内容】

本发明基于分布式光伏发电系统，分析了不同组成结构的DMPPT光伏系统的整体输出特性，提出了一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，用于衡量光伏DMPPT系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出，并研究了最大功率区域的范围与光照条件系数、光伏板额定输出功率、光伏电池串(组)中的模块数、光伏优化模块的限压值和限流值等参数之间的关系；在判断光伏DMPPT系统在不同光照条件下不能总是保证最大功率输出时，调整其参数设置，保证其在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出。

本发明采用如下技术方案：

一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，所述光伏DMPPT系统由若干组基于DMPPT结构的光伏电池串并联而成，每组光伏电池串由n个光伏优化模块串联而成；所述判别方法包括：采集光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S；然后判断下式是否成立：

I_limit·V_limit≥n·P_s

如果公式成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都能够让所有光伏板工作在各自的最大功率点；如果公式不成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都不能让所有光伏板工作在各自的最大功率点。

进一步的，如果公式不成立，通过调整每组光伏电池串中光伏优化模块的数量n、光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S中的一个或多个，使公式成立。

一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，所述光伏DMPPT系统由若干组基于DMPPT结构的光伏电池组串联而成，每组光伏电池组由m个光伏优化模块并联而成；所述判别方法包括：采集光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S；然后判断下式是否成立：

I_limit·V_limit≥m·P_s

如果公式成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都能够让所有光伏板工作在各自的最大功率点；如果公式不成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都不能让所有光伏板工作在各自的最大功率点。

进一步的，如果公式不成立，通过调整每组光伏电池组中光伏优化模块的数量m、光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S中的一个或多个，使公式成立。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种光伏DMPPT系统最大功率区域的优化设计方法。本发明基于不同组成结构的DMPPT光伏系统，分析了其整体的输出特性，提出了用于衡量光伏DMPPT系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出的判据，并研究了最大功率区域的范围与光照条件系数、光伏板额定输出功率、光伏电池串(组)中的模块数、光伏优化模块的限压值和限流值等参数之间的关系。在满足该判据时，在不同的光照条件下每块光伏板都可以工作在各自的最大功率点。通过选择和设计以上参数，可以扩大光伏DMPPT系统最大功率输出的范围，从而有效地提高了光伏阵列在失配条件下的电产率，并且适用于高电压母线系统。

【附图说明】

图1(a)为基于DMPPT的光伏串示意图，图1(b)为基于DMPPT的光伏组示意图。

图2为DMPPT光伏串的输出特性曲线示意图。

图3为DMPPT光伏阵列的P–V特性曲线示意图。

图4为基于DMPPT的光伏阵列结构的比较示意图；其中，图4(a)为先串后并结构；图4(b)为先并后串结构。

【具体实施方式】

(一)基于DMPPT的光伏模块串(组)的输出特性分析和最大功率输出的判定准则。

将基于DMPPT的光伏模块串联，如图1(a)所示，其输出特性曲线如图2。其中MPL代表最大功率区域的低压点(MaximumPowerRegionLowerPoint，简记为MPL)，MPH代表最大功率区域的高压点(MaximumPowerRegionHigherPoint，简记为MPH)。当整个光伏串的输出电流位于电流限流值I_limit时，并且每个模块都处于输出最大功率的条件下，所有模块的输出电压之和就是V_MPL：

$V_{MPL}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{P_{mi}}{I_{\lim it}}---\left(1\right)$

其中n为基于DMPPT结构的光伏串中的模块数，P_mi为第i块光伏板在当前光照条件下自身的最大输出功率，I_limit为光伏优化模块本身的电流限流值。

最大功率区域的高压点V_MPH为：

$V_{MPH}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{P_{mi}}{I_{mi}}---\left(2\right)$

其中

$I_{mi}=\frac{P_{max}}{V_{\lim it}}---\left(3\right)$

其中P_max为辐照度最高的光伏板的最大输出功率，V_limit为光伏优化模块本身的限压值。因为辐照度的不确定性，在这里将光伏板的额定输出功率定义为P_S，公式(3)可以标准化为：

$I_{mi}=\frac{P_s}{V_{\lim it}}---\left(4\right)$

定义整个光伏串的光照条件系数为：

$K_{mis}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{P_{mi}}{n\·P_s}---\left(5\right)$

当K_mis为1时说明光照情况理想，无失配问题；当K_mis越小，光照越不均衡，失配问题就越严重。将式(5)代入V_MPL和V_MPH的公式(1)、(2)中可以得到：

$V_{MPL}=K_{mis}\·n\·\frac{P_s}{I_{\lim it}}---\left(6\right)$

V_MPH＝K_mis·n·V_limit(7)

可以得到，基于光伏优化模块的光伏串的最大功率区域可以表示为：

$V_{M\_area}=K_{mis}\·n\·(V_{\lim it}-\frac{P_s}{I_{\lim it}})---\left(8\right)$

根据相同的分析思路，可以得到图1(b)中的光伏组的输出特性曲线中最大功率区域的表达式为：

$V_{M\_area}=K_{mis}\·n\·(I_{\lim it}-\frac{P_s}{V_{\lim it}})---\left(9\right)$

根据式(8)和(9)可以推得，基于DMPPT的光伏系统中：

1)其输出特性曲线中最大功率区域的范围的宽窄与K_mis和n呈正比例关系。

2)对于光伏模块本身参数I_limit和V_limit，在已知光照条件下，保证最大功率区域的存在的必要条件为：

I_limit·V_limit≥P_s(10)

3)从损耗角度理解，同样的光伏优化模块数，如果串联构成光伏串后整体输出特性：电压高、电流小；如果并联构成光伏组后整体输出特性：电压低、电流大，并且需要单个模块具有很高的电压变比才可以输出足够高的电压。光伏串联结构更具效率方面的优势。

(二)基于DMPPT的光伏阵列的输出特性分析和最大功率输出的判定准则。

对于基于DMPPT的光伏阵列而言，其输出最大功率的区域大小取决于各个光伏串(组)输出的最大功率区域的重合区。如图3所示，如果将多个DMPPT的光伏串并联构成光伏阵列，其最大功率区域开始于X点(恒功率区低压端)，结束于Y点(恒功率区高压端)。对应到各个光伏串的输出特性曲线上可以看出，决定整个光伏阵列恒功率区域的起点的是光伏串A的恒功率区的起点Z点(恒功率区低压端)，决定整个光伏阵列恒功率区域的终点的是光伏串C的恒功率区的终点W点(恒功率区高压端)。可以看出：基于DMPPT光伏系统的输出特性曲线中，其恒功率输出范围的起点(低压点)由该阵列中输出能量最高的光伏串决定；而其恒功率输出范围的终点(高压点)则由光照不均现象最严重的光伏串来决定。

在图4中，将图4(a)图所示结构称为结构I；假设其中第一串光伏模块的辐照度为理想光照(Bestcase)，所有光伏板都工作在额定输出功率状态；第二串光伏模块为最恶劣的光照情况(Worstcase)，即仅有一块光伏板工作在理想光照下，其余n-1块光伏板都完全无光照(失配问题最严重)；如果上述这两串光伏模块存在共同的输出最大功率区域，就可以保证结构I在任何光照条件下都可以让所有光伏板工作在各自的最大功率点，即

V_{MPH_worst}≥V_{MPL_best}(11)

可以得到结构I最大输出功率的判据：

I_limit·V_limit≥n·P_s(12)

其中n为每个光伏串中串联光伏优化模块的数量。

根据相同的分析思路，可以得到图4(b)中的DMPPT光伏阵列结构II的输出特性曲线中最大功率区域的判据为：

I_limit·V_limit≥m·P_s(13)

其中m为每个DMPPT光伏组中并联光伏优化模块的数量。

通过前述分析可以看出，可以看出，保证结构I和II能够输出理想最大功率的标准由四个参数决定：V_limit，I_limit，n，m和P_S。其中P_S表示光伏板的额定输出功率，由光伏板的制造厂商决定；n(m)是光伏电池串(组)中的模块数，由光伏系统的设计者和屋顶面积决定；V_limit和I_limit由光伏模块的开关器件决定。通过上述分析，可以得到如下结论：

1)单个光伏优化模块的限压值V_limit和限流值I_limit对光伏阵列的整体输出特性具有重要影响，在硬件条件允许的情况下应该尽可能的扩大限压值和限流值，也就是扩大光伏优化模块恒功率输出的范围。

2)保证结构I能够输出理想最大功率的标准和每个光伏模块串的串联模块的数目密切相关。在单个光伏优化模块参数确定的情况下，串联数目越多，能够输出理想最大功率的标准越苛刻。

3)保证结构II能够输出理想最大功率的标准和每个光伏模块组的并联模块的数目密切相关。在单个光伏优化模块参数确定的情况下，并联数目越多，能够输出理想最大功率的标准越苛刻。

4)基于同样的光伏优化模块数和同样的光伏优化模块参数，结构II在高电压的应用场合具有更好的抗失配能力。

本发明一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，需已知光伏板的额定输出功率P_S及光伏优化模块的V_limit和I_limit值，即可进行光伏DMPPT系统最大功率区域存在性的判断。

通过选择和设计光伏板额定输出功率P_S、光伏电池串(组)中的模块数n(m)、光伏优化模块的限压值V_limit和限流值I_limit参数，可以扩大光伏DMPPT系统最大功率输出的范围，从而有效地提高了光伏阵列在失配条件下的电产率，并且适用于高电压母线系统。

Claims (4)

1.一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，其特征在于：所述光伏DMPPT系统由若干组基于DMPPT结构的光伏电池串并联而成，每组光伏电池串由n个光伏优化模块串联而成；所述判别方法包括：采集光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S；然后判断下式是否成立：

Ｉ_limit·Ｖ_limit≥n·Ｐ_s

如果公式成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都能够让所有光伏板工作在各自的最大功率点；如果公式不成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都不能让所有光伏板工作在各自的最大功率点。

2.根据权利要求1所述的一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，其特征在于：如果公式不成立，通过调整每组光伏电池串中光伏优化模块的数量n、光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S中的一个或多个，使公式成立。

3.一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，其特征在于：所述光伏DMPPT系统由若干组基于DMPPT结构的光伏电池组串联而成，每组光伏电池组由m个光伏优化模块并联而成；所述判别方法包括：采集光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S；然后判断下式是否成立：

Ｉ_limit·Ｖ_limit≥m·Ｐ_s

如果公式成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都能够让所有光伏板工作在各自的最大功率点；如果公式不成立，那么该光伏DMPPT系统在任何光照条件下都不能让所有光伏板工作在各自的最大功率点。

4.根据权利要求3所述的一种光伏DMPPT系统最大功率跟踪区域的优化设计方法，其特征在于：如果公式不成立，通过调整每组光伏电池组中光伏优化模块的数量m、光伏优化模块本身的电流限流值I_limit、光伏优化模块本身的限压值V_limit和光伏优化模块中光伏板的额定输出功率P_S中的一个或多个，使公式成立。