CN203788233U - 具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，其特征在于：包括若干个双向反激变换器，各个双向反激变换器中的光伏组件PV串联并通过防反充二极管D与PV-bus的正极连接，各个双向反激变换器中的PVMIC单元的输出端并联且对应连接到PV-bus的正极、负极，PV-bus与DC/DC或DC/AC的直流输入端对应连接。本实用新型装置，对应有四种工作模式，所以在阴影条件下具有更高的系统转换效率，更大的输出功率，更强的系统运行能力。

Description

具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统

技术领域

本实用新型属于太阳能分布式可再生新能源发电技术领域，涉及一种具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统。

背景技术

阴影分为硬性阴影和软性阴影。软性阴影指灰尘、落叶、云朵、积雪、树影、高大建筑物等遮挡阳光所引起的部分阴影问题；硬性阴影指串并联连接的光伏组件由于不同朝向、角度、参数以及部分光伏组件老化等原因引起的失配问题，这些统称为部分阴影问题。

在实际的工程中，部分阴影问题是无法避免的，即使安装程序正确，太阳能发电系统也会在一天的某些时段或一年内的某些日子受到阴影遮挡的影响。阴影问题不仅无法避免，而且会对光伏发电系统造成严重影响。阴影问题主要表现在以下方面：

1）串联连接的所有光伏组件都偏离了最大功率点，导致光伏组件输出功率严重下降，因此整个光伏发电系统的转换效率下降很多；

2）当光伏组件没有并联旁路二极管时，光伏组件端电压下降到负值时，它将由发电状态转变为消耗能量的负载，因而出现热斑效应，可能导致光伏组件损坏，从而导致系统可靠性下降；

3）当光伏组件装有旁路二极管时，而且旁路二极管导通时，会导致与该光伏组件串联的所有光伏组件输出的电压下降。当导通的旁路二极管数量较多时，整个光伏发电系统可能由于无法正常工作而被迫停止。同时，由于光照严重不均衡或者旁路二极管的导通，会导致整个光伏发电系统的功率-电压曲线出现多个极大值点，使得普通的最大功率点跟踪(MPPT)算法失效。

目前对于部分阴影问题的解决方法，主要从两个方面考虑，一个方面是从MPPT算法角度出发，采用基于多峰值的MPPT算法，这种MPPT算法可以避免收敛于局部最大功率点，但是这种方法一般不容易编程，且不能弥补由阴影问题造成的系统功率损失。另一方面是从电路角度出发，通过合适的电路拓扑选择，从而利用常规的MPPT算法就可以很好地实现最大功率点跟踪。近年来学术界提出的“分布式最大功率点跟踪”就是从电路拓扑角度着手解决部分阴影问题。一种做法是每块光伏组件连接一个独立的用于实现最大功率点跟踪的变换器，把它称为光伏直流模块，在此基础上对光伏直流模块进行串并联形成光伏发电系统，这种方法使得在阴影影响下每个光伏模块都能工作在最大功率点。另一种做法是给每块光伏组件并联一个补偿阴影引起的功率损失变换器，把它称为功率补偿单元，通过给受到阴影影响的光伏组件回馈一个补偿电流，使得整个光伏发电系统的功率-电压曲线呈现单峰值特性，从而利用常规的MPPT算法就可以很好地实现最大功率点跟踪。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，解决了现有技术不能很好处理部分阴影的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，包括若干个双向反激变换器，各个双向反激变换器中的光伏组件PV串联并通过防反充二极管D与PV-bus的正极连接，各个双向反激变换器中的PVMIC单元的输出端并联且对应连接到PV-bus的正极、负极，PV-bus与DC/DC或DC/AC的直流输入端对应连接。

本实用新型的具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，其特征还在于，所述的每个双向反激变换器包括一组光伏组件PV和一组PVMIC单元；

PVMIC单元的结构是，包括滤波电容C1、C2和开关管S1、S2，其中的滤波电容C1的正极连接高频变压器T1的原边，滤波电容C1的负极连接开关管S1的一端，开关管S1的另一端连接到高频变压器T1的原边另一端；滤波电容C2的正极连接高频变压器T1的副边，滤波电容C2的负极连接开关管S2的一端，开关管S2的另一端连接到高频变压器T1的副边另一端；滤波电容C1与光伏组件PV并联，滤波电容C2的正极和负极作为对外连接的输出端。

本实用新型的有益效果是：该光伏组件集成双向反激变换器，是一种具有双向能量传递功能的功率补偿单元，由该PVMIC单元可以组成光伏发电系统，该系统可以根据阴影程度选择工作在四种不同的工作模式，即睡眠模式、馈能模式、旁路二极管模式和DC module模式。没有最大功率点误判现象，使光伏发电系统在阴影条件下始终工作在最大功率点；每个PVMIC单元根据阴影程度选择工作在不同的工作模式，能将电路损耗降到最低，最大程度地提高系统效率，很好的解决了部分阴影的问题。

附图说明

图1是本实用新型中的双向反激变换器结构示意图；

图2是本实用新型中的双向反激变换器简化结构示意图；

图3是本实用新型的单相单支路光伏发电系统示意图；

图4是本实用新型装置在睡眠模式等效电路图；

图5是本实用新型装置在馈能模式等效电路图；

图6是本实用新型装置在旁路二极管模式等效电路图；

图7是本实用新型装置在DC module模式等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参照图1，是本实用新型的光伏组件集成双向反激变换器结构示意图，（photovoltaic module integrated converter，简写PVMIC，还简称双向反激变换器），每个双向反激变换器包括一组光伏组件PV和一组PVMIC单元；PVMIC单元是一个左右对称的结构，包括滤波电容C1、C2和开关管S1、S2，其中的滤波电容C1的正极连接高频变压器T1的原边，滤波电容C1的负极连接开关管S1的一端，开关管S1的另一端连接到高频变压器T1的原边另一端；以高频变压器T1为对称轴，右边的电路连接与左边一致，即滤波电容C2的正极连接高频变压器T1的副边，滤波电容C2的负极连接开关管S2的一端，开关管S2的另一端连接到高频变压器T1的副边另一端；滤波电容C1与光伏组件PV并联，滤波电容C2的正极和负极作为对外连接的输出端。图2是图1的简化示意图。

该双向反激变换器通过PVMIC单元的对称结构实现，从隔离电路的硬件成本上考虑，单端反激变换器是最经济的，特别是实现能量的双向传送能力方面，尽管通过合适的变化，正激电路、推挽电路和单相全桥电路都有双向能量传送能力，但是硬件成本会有所增加。同时，考虑到光伏组件的功率大多低于300W，比较适合反激变换器的应用范围，因此选用反激变换器作为光伏组件集成双向变换器。

参照图3，是本实用新型的单相单支路式光伏发电系统结构，包括若干个双向反激变换器，各个双向反激变换器中的光伏组件PV串联并通过防反充二极管D与PV-bus的正极连接，各个双向反激变换器中的PVMIC单元的输出端并联且对应连接到PV-bus的正极、负极，PV-bus与DC/DC或DC/AC的直流输入端对应连接，DC/DC或DC/AC具有最大功率点跟踪功能。换句话说，对于PV-bus而言，各个双向反激变换器相当于低压侧（光伏组件PV侧）串联，而高压侧（PVMIC单元输出侧）并联。

对于图3所示的光伏发电系统，根据外界状态总共有4种工作模式：睡眠模式、馈能模式、旁路二极管模式和DC module模式，各种工作模式具体说明如下：

参照图4、5、6、7，分别是图3所示的电路的几种不同的工作模式，连接方式与图3本质上一致，直接显示了各个状态下的工作原理相关部分，所以没有再重复描述结构连接关系。

1）睡眠模式：当整个光伏发电系统没有阴影或部分阴影程度较轻（例如10%阴影影响）时，所有PVMIC单元都不动作，PVMIC单元没有功率损耗，此时相当于所有光伏组件PV串联组成传统的光伏发电系统，由后级开关变换器一直实现最大功率点跟踪功能，睡眠模式的工作示意图如图4所示，由于PVMIC单元不动作，所以图中没有画出。

2）馈能模式：当小部分（例如低于光伏组件总数的20%）光伏组件PV受到部分阴影影响（例如不低于10%阴影影响，且不高于90%阴影影响）时，与这些受到部分阴影影响的光伏组件PV对应的PVMIC单元动作，将PV-bus能量反馈给对应受阴影影响的光伏组件，对受到部分阴影影响的光伏组件输出电流不足进行补充，以便保证PV-bus电流一直是未受阴影影响的最优电流，此时没有部分阴影影响的PVMIC单元仍处于睡眠模式，即此时该光伏组件PV输出电流等于PV-bus电流。这样可以保证系统效率得到较大程度的提高，馈能模式的工作示意图如图5所示，图中光伏组件PV受到阴影影响，其对应的反激变换器动作，其他光伏组件PV没有受到阴影影响，其对应的反激变换器不工作，所以没有画出。

3）旁路二极管模式：当某块光伏组件PV受到严重阴影影响（例如高于90%阴影影响），且趋于出现负压时，对应的PVMIC单元禁止动作，与该光伏组件PV并联的二极管和高频变压器低压侧线圈提供电流通路，箝位该光伏组件PV端电压，防止热斑效应发生。旁路二极管模式的工作示意图如图6所示，图中光伏组件PV受到阴影影响，。

4）DC module模式：当工作在旁路二极管模式的PVMIC单元较多（例如超过光伏组件PV总数的20%）而导致PV-bus电压不能满足系统发电要求时，保持旁路二极管模式的PVMIC单元不变，使不受阴影影响的PVMIC单元工作在DC module模式，它来实现对应光伏组件PV的最大功率点跟踪功能，此时后级开关变换器以稳定PV-bus电压为控制目标，来实现整个光伏发电系统的能量稳定地供给负载。DC module模式的工作示意图如图7所示。

本实用新型是一种具有部分阴影解决能力的光伏发电系统电路拓扑，能够完成以下功能：①抑制部分阴影问题，保证在阴影条件下每块光伏组件始终工作在最大功率点处；②实时监测阴影程度，从而选择工作在不同的工作模式。

Claims (2)

1.一种具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，其特征在于：包括若干个双向反激变换器，各个双向反激变换器中的光伏组件PV串联并通过防反充二极管D与PV-bus的正极连接，各个双向反激变换器中的PVMIC单元的输出端并联且对应连接到PV-bus的正极、负极，PV-bus与DC/DC或DC/AC的直流输入端对应连接。

2.根据权利要求1所述的具有部分阴影解决能力的单相单支路式光伏发电系统，其特征在于，所述的每个双向反激变换器包括一组光伏组件PV和一组PVMIC单元；

PVMIC单元的结构是，包括滤波电容C1、C2和开关管S1、S2，其中的滤波电容C1的正极连接高频变压器T1的原边，滤波电容C1的负极连接开关管S1的一端，开关管S1的另一端连接到高频变压器T1的原边另一端；滤波电容C2的正极连接高频变压器T1的副边，滤波电容C2的负极连接开关管S2的一端，开关管S2的另一端连接到高频变压器T1的副边另一端；滤波电容C1与光伏组件PV并联，滤波电容C2的正极和负极作为对外连接的输出端。