不均衡直流集成光伏模块串并联系统研究

High efficiency DC integrated Photovoltaic (PV) module series and parallel method increases efficiency and power rate of PV power, it is an important developing direction to PV power. In other hand, due to imbalanced PV module and transfer ratio limitation of DC converter，power disequilibrium among DC integrated PV module is unavoidable. In this project, some technical issues will be studied under imbalanced power module in DC integrated PV module series and parallel system. By investigating the influence of different module imbalanced degree on output performance of DC integrated PV module series and parallel system,the optimal work mode of single integrated module and control method of power equalization in different modules are proposed in the imbalanced DC integrated PV module series and parallel system, which lay theoretic foundation for practical application of grid-connection PV system. Multi-peak maximum power tracking and power instant dropping in second-stage circuit are proposed and solved in this imbalanced DC integrated PV module series and parallel system. Finally, grid-connection of the system is studied. All above researches proposed a new ideal for grid-connection photovoltaic power, but also is a useful reference for alternative energy sources, such as wind energy and fuel cells, and it has practical application prosperity and high theoretic value.

将高效直流集成光伏模块串并联可提高光伏发电的效率和功率等级，是中小功率光伏发电系统的重要发展方向。而光伏电池不均衡和直流变换器的变换比限制等因素造成直流集成光伏模块功率不均衡的情况也不可避免。本项目研究模块功率不均衡情况下，直流集成光伏模块串并联系统存在的若干技术问题。通过研究模块不均衡度对直流集成光伏模块串并联系统输出性能的影响，提出不均衡直流集成光伏模块串并联系统中单个模块的最佳工作模式和解决模块之间功率不均衡的控制方法，为直流集成光伏模块的串并联应用奠定良好的理论基础。提出并解决不均衡直流集成光伏模块串并联系统二级电路的多峰值最大功率跟踪和功率瞬时跌落问题，以及二级电路的并网问题。上述问题的研究工作，有利于直流集成光伏模块的推广应用。对光伏系统的并网发电提供了新的思路，对风能、燃料电池等可再生能源的并网发电也具有重要的借鉴意义，具有较高的理论价值和应用前景。

项目研究了光伏模块不均衡状态下的输出性能及单个直流集成光伏模块的拓扑和工作模式，提出了基于Buck-Boost电路的功率均衡控制策略，该电路保证在光伏模块功率不均衡状态下，两个直流变换器的输出电压不随外界环境的变化出现大幅波动，前级的直流变换器在不同的工作条件下均能够完成最大功率跟踪。但是，该方案构建复杂，且不利于扩建。项目提出了基于Boost-Buck电路的前级直流变换器功率均衡控制方案。该直流变换器通过合理的控制，可随着外界条件的变化，在Buck、Buck-Boost和Boost三种不同的工作模式之间自动切换，大大提高了其最大功率跟踪的范围。. 对上述两种方法进行理论分析，仿真和实验验证，结果表明，在模块功率均衡和不均衡状态，两种方案均能实现各光伏组件的最大功率跟踪，有效提高了串联直流模块集成光伏系统抗局部阴影的能力。但基于Boost-Buck电路的结构所需功率器件较少，效率较高，且接线方便，易于模块化处理和扩建。. 项目研究了串并联直流集成光伏系统母线端的输出特性，并推导出了基于功率不均衡度α的输出电压的数学表达式。研究表明，对于直流集成光伏模块串联，当α和直流变换器电压变比k满足α>k_min/k_max 时，必定存在某个母线电压值使得串联系统中所有集成模块都能够工作在最大功率点。对于串并联直流集成光伏系统，其母线端输出可能出现多峰值特性。为了实现系统的最大功率跟踪，需对母线电压进行合理的控制。为控制母线电压工作在直流侧的最大功率点，项目引入粒子群优化（particle swarm optimization, PSO）算法。算法中粒子的位置设置为母线电压给定值，目标函数为光伏系统输出功率，通过PSO算法的不断优化更新，在解空间内搜索到全局最大功率点。.项目搭建了直流集成光伏模块并网系统的仿真和实验平台。验证了其串并联系统的输出特性、基于PSO算法的母线电压寻优等理论分析和控制方法的正确性。.项目针对复杂多峰值光伏输出特性情况下，传统MPPT算法全局能力不强、易使工作点陷入局部极值等不足，提出量子行为粒子群优化（quantum-behaved particle swarm optimization, QPSO）的最大功率跟踪算法。该算法与传统PSO法进行对比，结果表明，QPSO算法具有调节参数少，全局寻优能力强，稳态性能好,对复杂曲线适应能力强的优良性能。