基于功率差额补偿控制的嵌入式光伏模块研究

With the rapid development of PV industry, the concept of distributed MPPT gains increasing attention in recent years. Taking the trend of the distributed MPPT concept a step further, this research proposes a novel PV module structure that connects each PV cell string with an active switching network, called a Sub-Panel Integrated Module (SPIM), to address the real world mismatch issues and given better performance in power recovery and converter efficiency comparing with current PV optimizers. The proposed module is operating with a multi-control strategy which balancing the mismatch operating points of the cell strings with partial power processing control and tracking the maximum power point of the module from the output side in the meanwhile. Topology study, multi-control strategy optimization, system modeling and cascading characteristic of the SPIM are the key issues to be concerned. The final object of the proposal is to develop an intelligent, high efficient, reliable method for the realization of DMPPT PV system.

本研究基于分布式最大功率跟踪的概念，提出并探索一种嵌入式光伏发电模块的一体化技术。所提方案利用并联型的电力电子开关网络替代传统光伏板接线盒中的旁路二极管，通过功率差额补偿的原理消除模块内部各个光伏电池组之间因失配现象造成的功率失衡问题，提高模块的抗扰性和运行效率；同时在模块输出侧通过最大功率控制实现恒功率的输出特性，提高基于该模块的光伏阵列电产率。研究内容从嵌入式光伏模块的拓扑演化、协同控制策略优化、数学模型建立和级联特性分析几方面依次展开，旨在寻求嵌入式电路和光伏电池板一体化的解决思路，构造高抗扰性、高效率的紧凑型、模块化光伏发电单元，力争为光伏系统的无扰发电、高效馈电、稳定消纳提供一条具有指导意义的新思路。

太阳能发电技术在实际的应用场合中，常常因为失配现象造成光伏系统的输出特性曲线呈现多个峰值，导致传统最大功率跟踪算法失效；另一方面，由于光伏组件之间串、并联的结构，现有的控制策略无法使每个光伏组件在失配条件下均工作在各自的最大功率点。上述问题广泛存在于不同功率等级的光伏系统中，严重影响系统电产率，是目前光伏发电领域亟待解决的热点和难点问题。因此，研究失配条件下光伏系统的最优功率控制策略，实现光伏组件功率的尽限输出具有重要的意义。.本项目首先从最大功率跟踪算法角度出发，对全局最大功率跟踪算法进行研究和优化。论文首先比较了现有全局最大功率跟踪算法的优劣，并提出了一种基于改进型模拟退火法的人工智能全局最大功率跟踪算法。该算法可以快速、准确地在任意失配条件下找到多峰值曲线上的全局最大功率点，同时相比较现有算法，具备了应对环境突变的自重启能力，自适应的终止条件和智能化的邻域调节机制，在追踪精度、收敛速度和算法稳定性等方面都取得了改进。.其次，为了更好地消除失配问题带来的影响，本研究从电路拓扑及控制策略的角度研究了嵌入型光伏模块。结合目前的研究成果，针对全功率控制型结构和差额功率控制型结构分别进行了深入的探讨和分析。.本研究先研究了基于全功率控制结构的光伏模块，提出了一种基于单电感-单传感器结构的光伏模块拓扑及分时控制策略。该方案仅用一组无源器件、一个电流传感器和一个控制芯片就能完全消除光伏模块内由失配问题造成的功率损失，使所有光伏子模块均能输出各自的最大功率。相比较现有的工业界方案，本结构在保证理想最大功率输出的基础上，大大减少了嵌入式全功率结构光伏模块的器件数量和控制复杂度，进一步提高了模块的可集成度。.与此同时，本研究针对全功率控制型光伏模块中变换器处理功率高、损耗大、效率低的自身固有缺陷，就差额功率控制型光伏模块进行了分析和探讨，在掌握基于该结构的嵌入式光伏模块运行机理的基础上，提出了一种多级分时自适应的最大功率跟踪控制策略，在不影响电产率的情况下，减少了模块运行所需的器件数量，降低了成本，提高了系统的集成度。.最后，本研究针对基于光伏优化模块的光伏发电系统级特性也进行了深入的分析和量化的评估，通过所搭建的能效模型可以对失配问题带来的能量损失进行预测和评估。同时针对不同的系统结构，本研究也展开了详细的讨论。