基于分离式MPPT技术的BAPV并网电站优化设计与实验研究

李潇潇 赵争鸣 鞠振河

（1.清华大学电力系统国家重点实验室，北京 100084；2.辽宁太阳能研究应用有限公司，沈阳 110136）

在同样的辐照度和环境温度下，光伏电池可以在不同的电压下输出直流电，但只有在某一个电压下输出功率才能达到最大，因此提高光伏发电系统发电效率的一个重要途径就是实现对光伏电池的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）[1-3]。在一个光伏电池串中，如果某块电池被阴影遮挡不能发出功率，它将产生损耗和发热，表现为负载状态[4]。电池串中其他电池将以更高的电压输出以弥补被遮挡电池的失压，这样会使该串所有电池板的工作状态都偏离最大功率点。根据美国国家半导体实验室所收集的测试和现场试验结果，由于阴影或其他因素造成的电池板输出特性不匹配会导致电池板输出功率不均匀，其中10%的阴影可导致50%的能量损耗[4]。

文献[5]比较了几种常用MPPT跟踪技术并逐一进行了仿真和实验，文献[6-7]提出了对现有 MPPT计算的改进和优化方法。文献[8]比较了单台大功率逆变器和多台小功率逆变器的发电效率，得到的结论是由于多台小功率逆变器存在多路 MPPT，其发电量明显大于只有一路 MPPT的单台大功率逆变器。文献[9]提出采用多台中功率逆变器代替一台大型逆变器进行发电，使更多的光伏方阵拥有独立的MPPT模块，从而降低因为光伏方阵之间功率偏差等因素对光伏系统效率的影响。近些年美国开发了SolarMagic技术，运用高级算法和混合信号技术可以监控并优化每块太阳能电池板的电能，即使阵列中有电池板出现失配问题，其他电池板仍然能输出最大电力[10]。

传统的集中式MPPT光伏系统中，多块电池板经过串联和并联后连接至集中式逆变器，逆变器对光伏阵列的最大功率点进行统一跟踪。本文设计的分离式MPPT系统中每块电池板都连接一个MPPT优化器，优化器对每块电池板的最大功率点进行独立跟踪，使即使阵列中有一部分电池板不能正常工作，其他电池板仍能工作在最大功率点，这种设计特别适合于存在阴影遮挡的BAPV系统。

1 分离式MPPT光伏系统设计

本文设计的BAPV光伏并网发电系统位于辽宁省某建筑大楼楼顶，省气象观测站从1971—2005年期间观测到的当地水平面太阳能平均辐照量数据见表1。光伏组件分别安装在东、西侧和中央天台 3个平台。楼顶建筑面积 2700m2，共安装 96.18kWp多晶硅组件，分为20个子单元通过20台额定功率5kWp光伏并网逆变器进行发电，发出的电能全部送入市电电网，其中东侧平台阵列如图1所示。

表1 该地区水平面太阳能平均辐照量数据

图1 BAPV并网电站照片

安装的20台5kWp并网逆变器包括两种，一种逆变器带有MPPT功能（MPPT集中式逆变器），另一种逆变器不带有MPPT功能（MPPT分离式逆变器），如图2所示。其中分离式逆变器需要配合MPPT优化器使用，如图3所示。其中MPPT集中式逆变器的CEC效率为96.4%，MPPT分离式逆变器的CEC效率为97.2%，MPPT优化器的CEC效率为97%。

图2 光伏并网逆变器照片

图3 MPPT优化器

前端太阳能电池板的接线方式也不相同。一种需要在电池板上安装MPPT优化器，另外一种不需要安装，两种系统中电池板接线方式如图4所示。使用集中式逆变器的阵列中，每9块电池板一串，

图4 两种阵列的电池板接线图

在辐照度、温度等自然条件和电池板参数相同的情况下，分离式MPPT和集中式MPPT逆变系统的发电量没有差别。当多种因素的差异引起电池板输出电能特性不一致时，例如存在局部阴影遮挡情况下，将导致光伏阵列中的多个电池板具有多个不同的最大功率点。对于采用集中式MPPT技术的阵列，只能对阵列的最大功率点进行整体跟踪，这种情况下各电池板往往停滞在次优最大功率点上，系统发电效率大大降低。而对于采用分离式MPPT技术的阵列，可对每块电池板特有的最大功率点进行精确跟踪，发挥每块电池板的最大发电能力。每两串接入一台集中式逆变器，这种属于传统的光伏组件连接方式。而使用分离式逆变器的阵列中，每块电池板与MPPT优化器连接，将每9台MPPT优化器的输出端串接起来，每两串接入一台分离式逆变器。MPPT优化器所起到的作用就是对每块电池板的最大功率点进行跟踪，保证每块电池板以最大功率输出，其中一块或几块的故障对整个阵列其它电池板的功率输出没有影响。而使用集中式逆变器的阵列，由于存在光伏系统自身的“木桶效应”，阵列中某一块的故障就会引起整个阵列输出功率的大幅下降。并且由于集中式MPPT逆变器只对一串的最大功率点进行跟踪，而不是对每一块进行跟踪，所锁定的最大功率点并不实际该串组件所能达到的最大功率。

2 光伏阵列建模与仿真

采用Bishop模型模拟光伏电池特性，光伏电池等效电路如图5所示。

图5 光伏电池Bishop等效模型

光伏电池模型的基本方程为

式中，I为电池输出电流；Iph为光生电流；Id为暗电流；Ios为短路电流；Ior为二极管反向电流；U为电池端电压；Ub为电池端电压 Rsh为并联电阻；Rs为串联电阻；λ为光照强度；Tr为参考温度；T为电池温度；q为电子电量；k为波尔兹曼常数；Ego为能带系能量；A、B为曲线拟合系数；KI为温度系数；a、n为曲线拟合系数[11-14]。

使用 Matlab建立230Wp光伏组件仿真模型如

选取大楼东侧天台的3号单元和6号单元进行对比实验（如图1所示）。这两个单元东侧有建筑物遮挡，建筑物高度 4.65m，从早晨太阳升起到接近中午会对该两个单元产生相同的阴影遮挡。两个单元的太阳能电池板装机容量都是 4140Wp，其中 3号单元使用的是集中式逆变器，6号单元使用的是图6所示，搭建的光伏阵列模型如图7所示，每九块组件串接，每两串并联，图7为模拟的每串有一块组件被遮挡的情况。

230Wp组件的开路电压37V，短路电流8.4A，最大功率点处工作电压 29.5V，工作电流 7.8A。由于当地二月份的光照强度较弱，辐射量仅为3.03k·Wh/m2·day。并且实验系统支架的倾角是年最佳倾角38°，不是月最佳倾角57°，使光照强度有一定折减。所以仿真时取无遮挡下光照强度600W/m2，有遮挡下光照强度 100W/m2。图 8为通过上述模型仿真得到的几种遮挡情况下光伏阵列输出的U-P特性曲线，图9为光伏阵列输出的U-I特性曲线，其中每串遮挡一块对应于图7的连接方式，其他情况依此类推。从图中看出遮挡情况下光伏阵列出现功率失配现象，并且光伏阵列的填充因子大大降低。

表2为仿真得到的遮挡情况下分离式MPPT与集中式MPPT系统输出功率对比。可看出随遮挡电池板数量的增加，分离式MPPT发电系统的输出功率比集中式MPPT系统提高的越来越显著，在每串遮挡一块情况下将功率提升了10.4%，在每串遮挡4块情况下提升了95%。

图6 使用Matlab搭建的光伏电池模型

图7 使用Matlab模拟光伏阵列遮挡情况

图8 几种遮挡情况下光伏阵列输出的U-P特性曲线

图9 几种遮挡情况下光伏阵列输出的U-I特性曲线

表2 不同遮挡情况下分离式MPPT与集中式MPPT系统的输出功率对比

3 实验分析

分离式逆变器，在2月9日进行了实验。当日天气晴朗，日出时间06∶34，日落时间17∶06，光伏组件倾角38°，主要运行数据见表3。

表3 两个发电单元的主要运行数据

每个单元由两串电池板组成，每串9块串接，在上午08∶00时刻9块中有7块被遮挡，随着太阳的升起，遮挡区域逐渐减小，一直过渡到上午10∶28至完全没有遮挡，两个时刻发电单元的照片如图10所示。

图10 两个时刻发电单元照片

实验记录了上午08∶00—10∶28之间，两个单元在同样阴影遮挡情况下的发电功率曲线，记录时间间隔为 3min，如图 11所示。从实验数据看出，上午 08∶00—08∶48之间两个单元的发电功率都在100～200W之间，差别不大。在该时间段内，两个单元的遮挡情况是由每9块遮挡7块缓慢过渡到每9块遮挡3块。08∶48后分离式单元的发电功率突然大幅度上升，远远超出集中式单元的发电功率，这种情况一直持续到09∶58。09∶58时刻每9块中只有最后一块的一个角受到遮挡，该时刻集中式单元的发电功率突然上升至正常发电水平，此后两个单元的发电功率基本相同。

图11 阴影遮挡下两个单元的发电功率曲线

从上午 08∶00—10∶28时间段内分离式单元的发电量为3.6kW·h，而集中式单元的发电量只有1.8kW·h，遮挡时间段内分离式单元的发电量是集中式单元的两倍。可以看出在光伏阵列部分区域收到阴影遮挡情况下，分离式MPPT系统可充分利用无遮挡部分的电池板发电。集中式系统由于不是对每一块电池板的最大功率点进行跟踪，而是对多电池板串联后的整体最大功率点进行跟踪，在受到阴影遮挡时其发电量远不及分离式系统。

图12 两个单元的全天发电功率曲线

图12为两个单元全天发电功率曲线。可看出无阴影遮挡时间段内分离式单元发电功率略低于集中式单元发电功率，这是由于分离式单元安装的18个MPPT优化器需要消耗少许电量。分离式单元全天发电量 15.4kW·h，集中式单元全天发电量14.2kW·h，MPPT分离式系统的全天发电量比集中式高8.45%。

表4统计了这两个单元从二月至五月的发电量数据，在这4个月中分离式单元的发电量比集中式单元增加了6.48%。

表4 两个单元4个月的发电量数据

4 结论

对光伏阵列建模仿真得到的结果为在每串遮挡 1～4块各情况下，分离式 MPPT系统的输出功率比集中式MPPT系统提高了10.4%～95%不等。然后在具体实验中记录了同样遮挡情况下两个建筑光伏阵列的发电功率曲线，在上午08∶00—10∶28时间段内分离式 MPPT单元的发电量是集中式的两倍，由全天发电功率曲线得到分离式MPPT单元将系统日发电量提高了8.45%。经过连续4个月的发电量统计得到分离式单元将发电量提高了6.48%。可看出本文提出的分离式 MPPT技术特别适合于存在遮挡或组件不匹配的光伏并网电站，尤其是BAPV系统。集中式MPPT技术只能对阵列级别最大功率点进行跟踪，是对整个光伏阵列的发电进行的粗放式管理。而分离式MPPT技术可对组件级别最大功率点进行跟踪，是对整个光伏阵列的发电进行的精细化管理，使各组件发挥出最大的发电能力。

[1] 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社, 2005.

[2] CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZ J T, et al. Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey[J].IEEE Trans. Industrial Electronics, 2006, 53(4):1002-1016.

[3] 胡寅.太阳能发电系统相关技术方案设计[J].上海建设科技, 2009(1): 12-15.

[4] Ralf Muenster. 电源优化器技术:集中式与分布式MPPT的分析和比较[J].电子设计应用, 2009 (9):63-64.

[5] 陈剑,赵争鸣,袁立强,等.光伏系统最大功率点跟踪技术的比较[J].清华大学学报(自然科学版), 2010, 50(5): 700-704.

[6] 周德佳,赵争鸣,袁立强,等.具有改进最大功率跟踪算法的光伏并网控制系统及其实现[J].中国电机工程学报, 2008, 28(5): 94-100.

[7] 贺凡波,赵争鸣,袁立强.一种基于优化算法的光伏系统MPPT方法[J].电力电子技术, 2009, 43(10): 11-13.

[8] 唐峰.两种形式太阳能并网逆变电源发电效率的研究[J].电源世界, 2010(8): 46-48.

[9] 时剑,刘俊,刘凯,等.中大功率组合型逆变器的优势[J].中国建设动态:阳光能源, 2011(2): 68-69.

[10] Michele Sclocchi.分布式MPPT提高太阳能光伏系统的效率[J].集成电路应用, 2009(12): 40-41.

[11] ALONSO-GARCIAA M C, RUIZB J M, CHENLO F.Experimental study of mismatch and shading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module[J].Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006, 90(3):329-340.

[12] ALONSO-GARCIAA M C, RUIZB J M. Analysis and modeling the reverse characteristic of photovoltaic cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006,90(10): 1105-1120.

[13] MEYER E L， ERNEST VAN DYK E. Assessing the reliability and degradation of photovoltaic module performance parameters[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2004, 53(1): 83-92.

[14] JABOORI M G, HANAFY S M. A contribution to the simulation and design optimization of photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,1991, 6(3): 401-406.