基于分離式MPPT技術(shù)的BAPV并網(wǎng)電站優(yōu)化設(shè)計與實驗研究

李瀟瀟 趙爭鳴 鞠振河

（1.清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084；2.遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司，沈陽 110136）

在同樣的輻照度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以在不同的電壓下輸出直流電，但只有在某一個電壓下輸出功率才能達(dá)到最大，因此提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的一個重要途徑就是實現(xiàn)對光伏電池的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）[1-3]。在一個光伏電池串中，如果某塊電池被陰影遮擋不能發(fā)出功率，它將產(chǎn)生損耗和發(fā)熱，表現(xiàn)為負(fù)載狀態(tài)[4]。電池串中其他電池將以更高的電壓輸出以彌補被遮擋電池的失壓，這樣會使該串所有電池板的工作狀態(tài)都偏離最大功率點。根據(jù)美國國家半導(dǎo)體實驗室所收集的測試和現(xiàn)場試驗結(jié)果，由于陰影或其他因素造成的電池板輸出特性不匹配會導(dǎo)致電池板輸出功率不均勻，其中10%的陰影可導(dǎo)致50%的能量損耗[4]。

文獻(xiàn)[5]比較了幾種常用MPPT跟蹤技術(shù)并逐一進(jìn)行了仿真和實驗，文獻(xiàn)[6-7]提出了對現(xiàn)有 MPPT計算的改進(jìn)和優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[8]比較了單臺大功率逆變器和多臺小功率逆變器的發(fā)電效率，得到的結(jié)論是由于多臺小功率逆變器存在多路 MPPT，其發(fā)電量明顯大于只有一路 MPPT的單臺大功率逆變器。文獻(xiàn)[9]提出采用多臺中功率逆變器代替一臺大型逆變器進(jìn)行發(fā)電，使更多的光伏方陣擁有獨立的MPPT模塊，從而降低因為光伏方陣之間功率偏差等因素對光伏系統(tǒng)效率的影響。近些年美國開發(fā)了SolarMagic技術(shù)，運用高級算法和混合信號技術(shù)可以監(jiān)控并優(yōu)化每塊太陽能電池板的電能，即使陣列中有電池板出現(xiàn)失配問題，其他電池板仍然能輸出最大電力[10]。

傳統(tǒng)的集中式MPPT光伏系統(tǒng)中，多塊電池板經(jīng)過串聯(lián)和并聯(lián)后連接至集中式逆變器，逆變器對光伏陣列的最大功率點進(jìn)行統(tǒng)一跟蹤。本文設(shè)計的分離式MPPT系統(tǒng)中每塊電池板都連接一個MPPT優(yōu)化器，優(yōu)化器對每塊電池板的最大功率點進(jìn)行獨立跟蹤，使即使陣列中有一部分電池板不能正常工作，其他電池板仍能工作在最大功率點，這種設(shè)計特別適合于存在陰影遮擋的BAPV系統(tǒng)。

1 分離式MPPT光伏系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的BAPV光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)位于遼寧省某建筑大樓樓頂，省氣象觀測站從1971—2005年期間觀測到的當(dāng)?shù)厮矫嫣柲芷骄椪樟繑?shù)據(jù)見表1。光伏組件分別安裝在東、西側(cè)和中央天臺 3個平臺。樓頂建筑面積 2700m2，共安裝 96.18kWp多晶硅組件，分為20個子單元通過20臺額定功率5kWp光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電能全部送入市電電網(wǎng)，其中東側(cè)平臺陣列如圖1所示。

表1 該地區(qū)水平面太陽能平均輻照量數(shù)據(jù)

圖1 BAPV并網(wǎng)電站照片

安裝的20臺5kWp并網(wǎng)逆變器包括兩種，一種逆變器帶有MPPT功能（MPPT集中式逆變器），另一種逆變器不帶有MPPT功能（MPPT分離式逆變器），如圖2所示。其中分離式逆變器需要配合MPPT優(yōu)化器使用，如圖3所示。其中MPPT集中式逆變器的CEC效率為96.4%，MPPT分離式逆變器的CEC效率為97.2%，MPPT優(yōu)化器的CEC效率為97%。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器照片

圖3 MPPT優(yōu)化器

前端太陽能電池板的接線方式也不相同。一種需要在電池板上安裝MPPT優(yōu)化器，另外一種不需要安裝，兩種系統(tǒng)中電池板接線方式如圖4所示。使用集中式逆變器的陣列中，每9塊電池板一串，

圖4 兩種陣列的電池板接線圖

在輻照度、溫度等自然條件和電池板參數(shù)相同的情況下，分離式MPPT和集中式MPPT逆變系統(tǒng)的發(fā)電量沒有差別。當(dāng)多種因素的差異引起電池板輸出電能特性不一致時，例如存在局部陰影遮擋情況下，將導(dǎo)致光伏陣列中的多個電池板具有多個不同的最大功率點。對于采用集中式MPPT技術(shù)的陣列，只能對陣列的最大功率點進(jìn)行整體跟蹤，這種情況下各電池板往往停滯在次優(yōu)最大功率點上，系統(tǒng)發(fā)電效率大大降低。而對于采用分離式MPPT技術(shù)的陣列，可對每塊電池板特有的最大功率點進(jìn)行精確跟蹤，發(fā)揮每塊電池板的最大發(fā)電能力。每兩串接入一臺集中式逆變器，這種屬于傳統(tǒng)的光伏組件連接方式。而使用分離式逆變器的陣列中，每塊電池板與MPPT優(yōu)化器連接，將每9臺MPPT優(yōu)化器的輸出端串接起來，每兩串接入一臺分離式逆變器。MPPT優(yōu)化器所起到的作用就是對每塊電池板的最大功率點進(jìn)行跟蹤，保證每塊電池板以最大功率輸出，其中一塊或幾塊的故障對整個陣列其它電池板的功率輸出沒有影響。而使用集中式逆變器的陣列，由于存在光伏系統(tǒng)自身的“木桶效應(yīng)”，陣列中某一塊的故障就會引起整個陣列輸出功率的大幅下降。并且由于集中式MPPT逆變器只對一串的最大功率點進(jìn)行跟蹤，而不是對每一塊進(jìn)行跟蹤，所鎖定的最大功率點并不實際該串組件所能達(dá)到的最大功率。

2 光伏陣列建模與仿真

采用Bishop模型模擬光伏電池特性，光伏電池等效電路如圖5所示。

圖5 光伏電池Bishop等效模型

光伏電池模型的基本方程為

式中，I為電池輸出電流；Iph為光生電流；Id為暗電流；Ios為短路電流；Ior為二極管反向電流；U為電池端電壓；Ub為電池端電壓 Rsh為并聯(lián)電阻；Rs為串聯(lián)電阻；λ為光照強度；Tr為參考溫度；T為電池溫度；q為電子電量；k為波爾茲曼常數(shù)；Ego為能帶系能量；A、B為曲線擬合系數(shù)；KI為溫度系數(shù)；a、n為曲線擬合系數(shù)[11-14]。

使用 Matlab建立230Wp光伏組件仿真模型如

選取大樓東側(cè)天臺的3號單元和6號單元進(jìn)行對比實驗（如圖1所示）。這兩個單元東側(cè)有建筑物遮擋，建筑物高度 4.65m，從早晨太陽升起到接近中午會對該兩個單元產(chǎn)生相同的陰影遮擋。兩個單元的太陽能電池板裝機容量都是 4140Wp，其中 3號單元使用的是集中式逆變器，6號單元使用的是圖6所示，搭建的光伏陣列模型如圖7所示，每九塊組件串接，每兩串并聯(lián)，圖7為模擬的每串有一塊組件被遮擋的情況。

230Wp組件的開路電壓37V，短路電流8.4A，最大功率點處工作電壓 29.5V，工作電流 7.8A。由于當(dāng)?shù)囟路莸墓庹諒姸容^弱，輻射量僅為3.03k·Wh/m2·day。并且實驗系統(tǒng)支架的傾角是年最佳傾角38°，不是月最佳傾角57°，使光照強度有一定折減。所以仿真時取無遮擋下光照強度600W/m2，有遮擋下光照強度 100W/m2。圖 8為通過上述模型仿真得到的幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-P特性曲線，圖9為光伏陣列輸出的U-I特性曲線，其中每串遮擋一塊對應(yīng)于圖7的連接方式，其他情況依此類推。從圖中看出遮擋情況下光伏陣列出現(xiàn)功率失配現(xiàn)象，并且光伏陣列的填充因子大大降低。

表2為仿真得到的遮擋情況下分離式MPPT與集中式MPPT系統(tǒng)輸出功率對比。可看出隨遮擋電池板數(shù)量的增加，分離式MPPT發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率比集中式MPPT系統(tǒng)提高的越來越顯著，在每串遮擋一塊情況下將功率提升了10.4%，在每串遮擋4塊情況下提升了95%。

圖6 使用Matlab搭建的光伏電池模型

圖7 使用Matlab模擬光伏陣列遮擋情況

圖8 幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-P特性曲線

圖9 幾種遮擋情況下光伏陣列輸出的U-I特性曲線

表2 不同遮擋情況下分離式MPPT與集中式MPPT系統(tǒng)的輸出功率對比

3 實驗分析

分離式逆變器，在2月9日進(jìn)行了實驗。當(dāng)日天氣晴朗，日出時間06∶34，日落時間17∶06，光伏組件傾角38°，主要運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩個發(fā)電單元的主要運行數(shù)據(jù)

每個單元由兩串電池板組成，每串9塊串接，在上午08∶00時刻9塊中有7塊被遮擋，隨著太陽的升起，遮擋區(qū)域逐漸減小，一直過渡到上午10∶28至完全沒有遮擋，兩個時刻發(fā)電單元的照片如圖10所示。

圖10 兩個時刻發(fā)電單元照片

實驗記錄了上午08∶00—10∶28之間，兩個單元在同樣陰影遮擋情況下的發(fā)電功率曲線，記錄時間間隔為 3min，如圖 11所示。從實驗數(shù)據(jù)看出，上午 08∶00—08∶48之間兩個單元的發(fā)電功率都在100～200W之間，差別不大。在該時間段內(nèi)，兩個單元的遮擋情況是由每9塊遮擋7塊緩慢過渡到每9塊遮擋3塊。08∶48后分離式單元的發(fā)電功率突然大幅度上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出集中式單元的發(fā)電功率，這種情況一直持續(xù)到09∶58。09∶58時刻每9塊中只有最后一塊的一個角受到遮擋，該時刻集中式單元的發(fā)電功率突然上升至正常發(fā)電水平，此后兩個單元的發(fā)電功率基本相同。

圖11 陰影遮擋下兩個單元的發(fā)電功率曲線

從上午 08∶00—10∶28時間段內(nèi)分離式單元的發(fā)電量為3.6kW·h，而集中式單元的發(fā)電量只有1.8kW·h，遮擋時間段內(nèi)分離式單元的發(fā)電量是集中式單元的兩倍。可以看出在光伏陣列部分區(qū)域收到陰影遮擋情況下，分離式MPPT系統(tǒng)可充分利用無遮擋部分的電池板發(fā)電。集中式系統(tǒng)由于不是對每一塊電池板的最大功率點進(jìn)行跟蹤，而是對多電池板串聯(lián)后的整體最大功率點進(jìn)行跟蹤，在受到陰影遮擋時其發(fā)電量遠(yuǎn)不及分離式系統(tǒng)。

圖12 兩個單元的全天發(fā)電功率曲線

圖12為兩個單元全天發(fā)電功率曲線。可看出無陰影遮擋時間段內(nèi)分離式單元發(fā)電功率略低于集中式單元發(fā)電功率，這是由于分離式單元安裝的18個MPPT優(yōu)化器需要消耗少許電量。分離式單元全天發(fā)電量 15.4kW·h，集中式單元全天發(fā)電量14.2kW·h，MPPT分離式系統(tǒng)的全天發(fā)電量比集中式高8.45%。

表4統(tǒng)計了這兩個單元從二月至五月的發(fā)電量數(shù)據(jù)，在這4個月中分離式單元的發(fā)電量比集中式單元增加了6.48%。

表4 兩個單元4個月的發(fā)電量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

對光伏陣列建模仿真得到的結(jié)果為在每串遮擋 1～4塊各情況下，分離式 MPPT系統(tǒng)的輸出功率比集中式MPPT系統(tǒng)提高了10.4%～95%不等。然后在具體實驗中記錄了同樣遮擋情況下兩個建筑光伏陣列的發(fā)電功率曲線，在上午08∶00—10∶28時間段內(nèi)分離式 MPPT單元的發(fā)電量是集中式的兩倍，由全天發(fā)電功率曲線得到分離式MPPT單元將系統(tǒng)日發(fā)電量提高了8.45%。經(jīng)過連續(xù)4個月的發(fā)電量統(tǒng)計得到分離式單元將發(fā)電量提高了6.48%。可看出本文提出的分離式 MPPT技術(shù)特別適合于存在遮擋或組件不匹配的光伏并網(wǎng)電站，尤其是BAPV系統(tǒng)。集中式MPPT技術(shù)只能對陣列級別最大功率點進(jìn)行跟蹤，是對整個光伏陣列的發(fā)電進(jìn)行的粗放式管理。而分離式MPPT技術(shù)可對組件級別最大功率點進(jìn)行跟蹤，是對整個光伏陣列的發(fā)電進(jìn)行的精細(xì)化管理，使各組件發(fā)揮出最大的發(fā)電能力。

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