光伏发电系统PV阵列串-并联功率优化技术的研究

As the scaling application of PV system, an important issue has been unveiled in PV array, which is the effect of minimizing the output current existed in PV cascaded modules and that of peak voltage detector in PV parallel modules caused the difference of v-i characteristic and partial shadow. A cascaded-parallel power optimal technique for PV array will be investigated to improve the power efficiency and adaptability of PV system, promoting the PV system study of our country to the international level. The program focuses on the following issues: 1. For PV cascaded modules, a novel current equalizing technique, including equal power transformation principle, power transmission principle and new topology as well as control strategy, is proposed to make the v-p characteristic curve have single peak and maximize the output power. Furthermore, the proposed techniques will also play an important role on alleviating the effect of minimizing the output current issue; 2. A new voltage tracking technique, including a new topology with a cascaded VRM and equal area-scale transformation, is put forward to eliminate the effect of peak voltage detector. This technique can still make all the parallel modules contribute the maximum power to the load ; Moreover, a "double voltage loops" control strategy is put forward to improve the adaptability of PV system for more complicated situation, such as partial shadow, three phases unbalance, and under lower voltage. As proposed above, some original creative theories and useful techniques will be provided for PV system, and can be very helpful for the expert cultivation.

成规模应用的光伏发电系统暴露出一个特殊问题：PV模块特性不一致及部分遮蔽导致模块串联后产生的"输出电流取小效应"及并联后产生的"峰值电压箝位效应"。本项目研究PV阵列串并联优化技术，以提高其电能利用率和增强其发电系统驾驭复杂工况的能力，使我国在该领域的研究赶上世界先进水平并有所突破。主要研究内容有提出串联均衡技术，含等面积（功率）均衡原理，均衡器的差值功率传输方法、拓扑结构及控制策略，试图消除串联支路的"输出电流取小效应"，实现单峰值v-p特性和输出功率最大化。为消除"峰值电压箝位效应"，提出并联跟踪技术，含等面积（功率）尺度变换原理、串接VRM的拓扑结构等，其目的是使各并联支路协调工作；提出双电压环控制策略，增强其发电系统对诸如部分遮蔽、三相电网不平衡和低压穿越等复杂工况的适应能力。本项目试图解决制约PV发电系统成规模应用中的问题，提供原创理论与技术，促进我国光伏产业发展，培养专门人才。

本项目的研究背景是部分遮蔽使PV阵列的平均损失约为25%，使阵列的V-P特性为多峰值曲线，降低了MPPT的效率，其动态功耗高达70~80%。因此，本项目提出了PV组串的串联电压均衡和并联优化技术以及标准PV组串，解决了传统功率优化技术存在的成本高、传感器多、连接复杂和难以工程化的问题。其主要成果为：.（1）首次综述了近年来已发表PV阵列优化技术，给出了分类图。并用直流平均模型分析其工作原理，并指出其优缺点及其使用场合。.（2）串联均衡技术：提出了无传感器—单开关—PV组串电压均衡器。其主要贡献如下：a.给出了电压均衡器的通用工作原理与工作过程；b. 提出了电路等效变换原理，将新型单输入-多输出开关变换器变换为一个单输入-单输出系统，简化了建模方法；c.给出了控制器的近似解析设计方法；d.提供了仿真和均衡实验。其结果表明消除了局部MPP，电压利用率由45.3%提高到理想值，功率利用率45.5%提高到95.2%。.（3）并联优化技术：应用桥式Buck-boost MPP跟踪器，提出了PV组串的并联优化技术。其结构是为原有的PV组增加一个MPP跟踪器形成组合型PV组串。其输出特性为一个功率源，实现了自动均流和自动均衡。.（4）提出了标准PV组串。其结构是为每个PV模块并接一个电压均衡器，形成组合PV模块，使其工作在其MP点；为由组合PV模块串联而成的PV组串增加一个MPP跟踪器形成标准PV组串。标准PV组串中包含电压均衡器内环和MPPT外环，内环的响应速度至少大于外环十倍，否则会出现MPPT振荡。.（5）其它成果含新型MIC系统、PLL的统一模型、基于载波通信的PV阵列的监控器。. 本项目发表SCI论文6篇，EI论文13篇，获发明和实用专利各两项。建成如下的实验装置：高效MIC系统、三种电压均衡器、新MPP跟踪器和基于载波通信的PV阵列的监控器。