孙航，杜海江，季迎旭，杨博

(中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083)

光伏阵列系统级分布式功率优化控制研究

孙航，杜海江，季迎旭，杨博

(中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083)

在光照不均匀的工况下，光伏阵列的输出功率会受到很大影响，采用分布式MPPT控制可取得较好的效果，但关于系统级分布式功率优化的研究较少。本文考虑到系统的保护和安全、在对光伏组串中各光伏模块进行限压保护及直流母线采取卸荷保护的基础上，详细分析了分布式功率优化控制的工作机理和算法的实现过程，并利用仿真对算法进行验证以及和集中式MPPT控制进行比较，结果证明分布式MPPT优化控制不仅可以更好地提高光伏组串的发电量，而且可以保证系统安全可靠运行。

光伏阵列;最大功率优化控制;分布式;卸荷保护

1 引言

光伏发电作为新能源应用的一种方式近年来发展迅速，光伏电站得到了大力发展和建设。为了获得更多的能量输出，最大功率点跟踪技术(MPPT)是一种有效的控制手段。目前，大型光伏电站中应用的大功率光伏变流器常用的MPPT方法为爬山法。当光伏阵列中的光伏模块受光照不均匀时，由于旁路二极管的作用，光伏阵列将出现多个功率峰值，集中式MPPT方法不容易找到最大功率点值，或者由于直流母线工作电压的范围限制，光伏阵列无法达到最大功率点值，造成了能量损失。为了解决这一问题，分布式最大功率点跟踪技术［1］得到了研究和应用，尤其是集散式拓扑应用较多。

完全分布式结构有待深入研究，该方式为用DC-DC变换器替代光伏阵列中每个光伏模块并联的旁路二极管，其机理是一般维持直流母线电压恒定，光伏组串中每个光伏模块自动调节电压，保证各自输出最大功率，同时输出电压的和等于直流母线电压。研究内容集中在拓扑结构和控制策略两方面。在分布式DC-DC变换器拓扑结构方面，文献［1，2］中变换器的拓扑采用Buck电路，考虑较为简单，忽视了变换器的升压作用;文献［3］对变换器仅采用Boost和Buck拓扑结构进行了比较分析，但是变换器应该具有升压和降压双重功能，所以分析结果缺乏实用价值;文献［4］针对如何提高功率转化，对变换器拓扑进一步研究。在分布式MPPT控制算法方面，文献［5］分析了基于等效负载阻抗扰动的分布式MPPT方法，但是应用对象限于光伏组件;同样文献［6，7］提出的分布式MPPT控制方法研究对象也较为简单。总之针对光伏阵列的系统级分布式功率优化控制以及分布式和集中式MPPT控制功率的比较研究较少，而其具有较高的研究价值，需要进一步探究。

综上，本文首先详细阐述系统级分布式功率优化控制的工作机理，然后利用仿真进行验证，并与集中式MPPT控制进行比较，最后得出结论。

2 系统级分布式功率优化工作机理

在光照强度不均匀的工况下，给定直流母线电压，采用集中式MPPT拓扑结构，光伏阵列输出功率存在多峰现象，每个组串的最大功率点很有可能不同，由于各组串并接于一条直流母线，若有光伏组串最大功率点电压不在直流母线工作电压范围内，该组串无法达到最大功率，所以以光伏组串为单位采用集中式功率优化控制会造成功率损失。若对整个光伏阵列采用集中式控制，会造成更大的能量损失。采用分布式MPPT拓扑结构，光伏阵列中的每一个光伏组串以及组串中的每个光伏模块可以相对独立工作，使得整个阵列的每个模块都可达到最大功率。由于阵列工况下，分布式控制时各组串相互独立，所以对光伏组串的分析结果同样适用于光伏阵列。

在标准工况(无遮挡)下，设光伏模块的短路电流为Isc，开路电压为Voc，最大输出功率为Pm，最大功率点处电压和电流分别为Vm和Im，直流母线额定工作电压Uo为

式中，N表示串联模块个数。

正常工作时，直流母线电压Uo在一定范围内工作，可以定为最小电压为0.9Uo，最大电压为1.1Uo。光伏模块经DC-DC变换器后的输出电压为Vo，输出电流为Io。考虑到系统安全和设备选型经济性，规定光伏模块经DC-DC变换器升压后的限值电压Vlim为

即当Vo＞Vlim时，光伏模块退出最大功率跟踪，输出电压Vo进行限值，其值等于Vlim。

光伏模块经DC-DC变换器降压后的限值电流Ilim为

即当Io＞Iim时，光伏模块退出最大功率跟踪，输出电流Io进行限值，其值等于Ilim。实际上，在直流母线电压Uo工作范围内，光伏模块的限流保护很难发生，如果发生输出电流Io限流保护，由功率守恒可知，此时组串中无遮挡光伏模块经DC-DC变换器后的输出电压Vo最大为0.5Vm，其他遮挡光伏模块的输出电压一定小于0.5Vm，则总的输出电压会小于直流母线的工作电压。由于光伏阵列中的每个光伏组串为防止逆流均串联防逆流二极管，因此输出电流Io应为0，与发生限流保护矛盾，因此光伏模块的限流保护很难发生。基于此，在系统级分布式功率优化工作机理中，不再对限流保护进行分析。

直流母线的保护电压Upro定义为

假设一个光伏组串由N个光伏模块串联构成，每个光伏模块的遮挡率用Si(无遮挡时Si=1)表示(i=1，2，…，N)，其拓扑结构如图1所示。

给定直流母线电压Uo，光伏组串中的各光伏模块会自动进行调节，使得经DC-DC变换器后的输出电压Vo，i之和等于母线电压Uo，即

图1 光伏组串分布式功率优化结构图Fig．1Distributed power optimization structure of PV string

如果不考虑模块的限压保护作用，则各模块均会达到最大功率值Pm，i，光伏组串的输出功率Po等于各模块的功率之和，即

组串中各光伏模块的输出电压Vo，i为

若考虑光伏模块的限压保护作用，当光伏组串中有的光伏模块遮挡比较严重时，可能会导致遮挡轻的模块经变换器后的输出电压达到或者超过限值电压，对超压模块采取限压处理后，其他模块为了保证输出电压Vo，i之和等于直流母线电压Uo以及达到最大功率，会继续进行自动调节，当再有光伏模块出现升压超限情况，会继续重复上面的过程。

设光伏组串中各光伏模块的遮挡由轻到重，对应序号由小到大，限压工况遮挡最轻模块首先发生。遮挡情况的轻重以光伏模块无遮挡为标准，无遮挡的情况下，光照强度为100%，全遮挡的情况下，光照强度为0。以遮挡率从0到100%来描述遮挡由轻到重的情况。假设第一次限压情况发生，光伏模块1经变换器的输出电压Vo，1为

光伏模块1退出分布式MPPT，电压限值为Vlim，在直流母线电压Uo恒定前提下，其他光伏模块会继续进行调节。

设再没有限压情况发生，即其他模块均工作于最大功率点，电路中的输出电流为Io为

光伏模块1的输出功率Po，1为

此时光伏组串的输出功率Po为

若又有限压情况发生，说明遮挡较光伏模块1重的模块2发生了限压，光伏模块1、2经变换器的输出电压Vo，1、Vo，2为

光伏模块1、2退出分布式MPPT，其他光伏模块会继续进行调节，直流母线的输出电压Uo保持不变。若其他模块无限压情况发生，说明其他模块均工作于最大功率点，输出电流Io为

光伏模块1、2的输出功率Po，1、Po，2均为

此时光伏组串的输出功率Po为

若再有光伏模块发生限压情况，可以依次进行类推，得到组串中各光伏模块的输出特性和最终输出功率。

通常情况下，当光伏组串中串联的光伏模块个数小于等于4个时，一般只会出现一次限压情况，因为光伏模块个数N=4，直流母线的额定电压Uo= 4Vm，当其中一个模块被限压为Vlim=2Vm后，其他三个模块经变换器输出电压之和等于2Vm，很难再出现限压的情况。

当光伏组串中串联的光伏模块个数大于4个时，可能会出现二次或以上限压情况，如光伏模块个数N=6，直流母线的额定电压Uo=6Vm，当出现二次限压，则有两个模块被限压为Vlim=2Vm，那么其他四个模块经变换器输出电压之和小于等于2Vm，很难再出现限压的情况。

最后，由于并网电压出现异常或者逆变器发生故障，直流母线电流为零，光伏组串中的各模块会持续升压，导致母线电压过高，这时需在直流母线侧设置卸荷保护，如图1所示。当电压高于直流母线的保护电压Upro时，开关闭合，电阻消耗能量降低直流母线电压，此电路保证了在无通信时即使出现逆变器异常也不致损坏设备。

前述分析过程可用一种改进状态机描述［8］，如图2所示。

图2 光伏组串分布式功率优化分析计算过程Fig．2Distributed power optimization algorithm implementation process of PV strings

3 集中式和分布式MPPT控制的算例仿真分析

在光照不均匀的工况下，通过仿真算例，对采用集中式MPPT结构和分布式MPPT结构的光伏组串分别进行功率优化控制，并对比分析。

假设一个光伏组串由6个光伏模块串联构成，下面给出各光伏模块参数，如表1所示。

表1 不同光照强度下光伏模块参数值Tab．1Five typical parameter values of photovoltaic module under different insolation conditions

其中光照1为标准工况典型参数，设限值电压Vlim=2Vm=32V，直流母线额定工作电压Uo=6Vm= 96V，其工作电压范围为［86.4V，105.6V］。

从表1中选择设定组串中6个模块的光照强度组合，设计2种算例分析集中式和分布式MPPT控制的效果。

(1)仿真算例1:组串中6个模块的光照强度依次为1、1、1、2、3、5。

当采用集中式MPPT结构进行控制，可以参考文献［9］中光伏组串建模方法，得到光伏组串的P-V输出特性曲线如图3所示。

图3 算例1光伏组串的P-V输出特性曲线Fig．3Example 1 P-V output characteristic curve of PV string

光伏组串能够输出的最大功率为363.5W，但是采用集中式MPPT控制，由于最大功率点处的电压不在母线工作电压范围内，因此光伏组串不会运行在该点，会运行在86.4V，输出功率为268W。

当采用分布式MPPT结构对光伏组串进行功率优化时，由图2可以得到每个光伏模块经变换器后的输出电压、电流和功率，如表2所示。

由表2看出，每个光伏模块经变换器后的输出电压均小于限值电压32V，因此各模块实现了最大功率输出，光伏组串的功率输出488.9W，分布式MPPT控制要比集中式MPPT控制光伏组串输出的功率提高45.2%。

表2 算例1光伏模块经变换器后输出的电压、电流和功率Tab．2Example 1 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

(2)仿真算例2:组串中6个模块光照强度依次为1、2、3、4、5、6。

同理可得到光伏组串的P-V输出特性曲线如图4所示。

图4 算例2光伏组串的P-V输出特性曲线Fig．4Example 2 P-V output characteristic curve of PV string

光伏组串能够输出的最大功率为168.4W，同算例1，由于最大功率点处的电压不在母线工作电压范围内，因此采用集中式MPPT控制，光伏组串同样会运行在86.4V，输出功率为57.2W。分布式MPPT结果如表3所示。

表3 算例2光伏模块经变换器后输出的电压、电流和功率Tab．3Example 2 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

由表3可以看出，光伏模块1、2经变换器后的输出电压由于被限值为32V，没有达到最大功率输出，而剩下各模块均实现了最大功率输出，光伏组串的功率输出=212.7W，分布式MPPT比集中式输出功率提高73.1%。

(3)仿真算例3:重新设计6种不同光照强度，参数如表4所示。

表4 算例3中不同光照强度下光伏模块参数Tab．4Example 3 PV module parameters under different insolation conditions

同理可得到光伏组串的P-V输出特性曲线如图5所示。

图5 算例3光伏组串的P-V输出特性曲线Fig．5Example 3 P-V output characteristic curve of PV string

光伏组串能够输出的最大功率为118.6W，同算例1、2，最大功率点电压很低，因此集中式MPPT控制的有效运行点在86.4V，输出功率为13.1W。分布式MPPT输出如表5所示。

表5 算例3光伏模块经变换器后输出的电压、电流和功率Tab．5Example 3 output voltage，current and power of PV module after DC-DC converter

由表5可以看出，光伏模块1、2经变换器后的输出电压由于被限值为32V，没有达到最大功率输出，而剩下各模块均实现了最大功率输出，光伏组串的功率输出=108.1W，因此分布式MPPT控制要比集中式MPPT控制光伏组串输出的功率多88%。

算例1中各光伏模块经过DC-DC变换器后输出电压没有限压，各光伏模块均达到最大功率输出，算例2中有2个光伏模块经过DC-DC变换器后输出电压被限压，剩余各模块达到最大功率，即使不考虑母线工作电压范围，集中式MPPT控制达到最大功率点，其功率输出也没有分布式MPPT控制得到的功率大。算例3中也有2个光伏模块经过DC-DC变换器后输出电压被限压，剩余各模块达到最大功率，若不考虑母线工作电压范围，集中式MPPT控制达到的最大功率大于分布式MPPT控制得到的功率，但是实际应用中，母线的工作电压有一定范围，集中式MPPT的最大功率点处电压一般不在母线工作电压范围，因此无法达到最大功率，分布式MPPT控制得到的功率还是要大于集中式MPPT的功率。

4 结论

当光伏阵列受光照不均匀时，功率输出会受到很大影响，采用集中式MPPT结构对其控制时，很难保证光伏阵列最大功率输出，由此造成了较大的能量损失。分布式MPPT功率优化是解决这一问题的有效方法。本文通过对系统级分布式功率优化控制机理进行分析，并与集中式MPPT控制的功率输出进行比较，得到以下结论:

(1)通过对光伏组串中各模块进行限压和限流保护以及直流母线的卸荷保护保证了无需通信也能保证电站系统安全。

(2)分布式功率优化控制算法可以利用改进状态机进行描述，给出了算法的实现过程。

(3)当光伏组串中的串联光伏模块个数小于等于4个时，考虑到模块的输出限压保护，当光照不均匀时，一般最多会出现一个光伏模块达到限压。当光伏组串中的串联光伏模块个数大于4个、各模块受光照不均匀时，出现限压的模块可以达到二个或以上。

(4)一般情况下，分布式MPPT控制使得光伏阵列输出的功率要大于集中式MPPT控制。

参考文献(References):

［1］R C N Pilawa-Podgurski，D J Perreault．Submodule integrated distributed maximum power point tracking for solar photovoltaic applications［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(6):2957-2967．

［2］林立志，钱平(Lin Lizhi，Qian Ping)．基于简化BUCK变换器的分布式光伏优化器研究(Study of distributed photovoltaic optimizer based on simplified BUCK circuit)［J］．可再生能源(Renewable Energy Resources)，2013，31(4):27-30．

［3］Xiao W，Ozog N，William G．Topology study of photovoltaic interface for maximum power point tracking［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54 (3):1696-1704．

［4］Mohammed S，Maja H，Ahmed E，et al．An efficient partial power processing DC/DC converter for distributed PV architectures［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(2):674-685．

［5］黄建明，吴春华，徐坤，等(Huang Jianming，Wu Chunhua，Xu Kun，et al．)．基于等效负载阻抗扰动的分布式MPPT方法研究(A distributed maximum power point tracking method based on the equivalent load impedance disturbance)［J］．电力系统保护与控制(PowerSystem ProtectionandControl)，2012，40 (24):125-129．

［6］Giovanni P，Giovanni S，Massimo V．An analog technique for distributed MPPT PV applications［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(12): 4713-4721．

［7］吴春华，徐坤，黄建明，等(Wu Chunhua，Xu Kun，Huang Jianming，et al．)．一种基于非反相Buck-Boost变换器光伏分布式MPPT的研究(Research on photovoltaic distributed maximum power point tracking based on non-inverting Buck-Boost converter)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2011，30(4):84-87．

［8］杜海江，李玉凯(Du Haijiang，Li Yukai)．小型嵌入式系统的分析方法—IFSM(An analysis method of the small embedded systems－IFSM)［J］．单片机与嵌入式系统应用(Microcontrollers＆Embedded Systems)，2006，(4):17-19．

［9］孙航，杜海江，季迎旭，等(Sun Hang，Du Haijiang，Ji Yingxu，et al．)．适用不同尺度光伏阵列的数值建模方法(The numerical modeling method of PV array at different scales)［J］．电力系统及自动化(Automation of Electric Power Systems)，2014，38(16):35-40．

Research on photovoltaic array system-level distributed power optimization control

SUN Hang，DU Hai-jiang，JI Ying-xu，YANG Bo
(College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

Under non-uniform insolation conditions，the output power of the PV array will be greatly affected．Better results can be achieved with distributed MPPT control，but the research about the system-level power optimization is rare．Considering the protection and safety of the systems and based on limiting voltage protection for each PV module of the PV strings and taking unloading protection for DC bus，the paper analyses the working mechanisms of the distributed power optimization control and the algorithm implementation process，and uses the simulation to verify this algorithm and compares with centralized MPPT control，and draws a conclusion that the distributed MPPT optimization control can better improve the generating capacity of PV strings and ensure the safe and reliable operation of the system．

photovoltaic array;maximum power optimization control;distributed;unloading protection

TM615

A

1003-3076(2015)08-0032-06

2014-06-09

孙航(1987-)，男，江苏籍，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电;杜海江(1971-)，男，河北籍，副教授，博士，主要研究方向为新能源发电(通信作者)。