基于分布式最大功率跟踪的光伏系统输出特性分析

王　丰　孔鹏举　Fred C. Lee　卓　放

（1. 西安交通大学电气工程学院　西安　710049

2. iWatt公司　加州　美国　95008

3. 弗吉尼亚理工大学　弗吉尼亚州　美国　24060）

基于分布式最大功率跟踪的光伏系统输出特性分析

王丰1孔鹏举2Fred C. Lee3卓放1

（1. 西安交通大学电气工程学院西安710049

2. iWatt公司加州美国95008

3. 弗吉尼亚理工大学弗吉尼亚州美国24060）

分布式最大功率跟踪（DMPPT）光伏系统可以有效地抑制实际环境中因为光照不均影响所造成的产电率下降的问题。以DMPPT的光伏系统为研究对象，针对多个分布式最大功率跟踪模块组网的优化问题，基于系统静态输出特性对多个光伏优化模块级联的结构进行了分析，提出了一种新型的DMPPT光伏系统结构。通过分析和研究，阐明了光照条件、系统结构及单个光伏优化模块本身限压值、限流值等参数与光伏阵列最大输出功率之间的关系。所提出的新型DMPPT光伏系统结构可以保证在不同的光照条件下每块光伏板都可以工作在各自的最大功率点，该结构有效地提高了光伏阵列在失配问题下产电率，并且适用于高电压母线系统。最后搭建了实验平台，通过硬件实验平台验证了所提出的新型DMPPT光伏系统结构对光伏系统产电率的优化效果。

分布式最大功率跟踪光伏光照不均结构优化

0　引言

太阳能发电作为清洁能源供能的主要方法之一，其自身具有能源总量巨大，清洁无污染及地理上不受限制等优势，同时，太阳能发电系统安全稳定，易于实施和维护。近十几年里，在工业界和学术界的努力推广下，光伏发电的效率显著提高，成本不断降低，从而使得整个产业链快速成长，成为全球增速最快的高新技术产业之一，太阳能发电也逐渐由补充能源转变为可替代能源。然而，在实际的光伏系统应用环境中，周围物体阴影的遮挡和太阳能板的具体安装朝向不同会导致光伏系统产电率严重下降（10%～20%）[1-4]，上述问题通常被称为光伏系统的失配问题。失配问题会导致光伏阵列整体的输出静态特性曲线呈现出“多个最大功率点（Multiple Maximum Power Point，MMPP）”的现象，对传统集中式最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法也提出了挑战。即便采用某种复杂先进的算法，可以找到多个最大功率点中的全局最高点，整个系统仍旧无法保证所有光伏板都工作在自身的最大功率点。因此传统光伏系统对光伏组件的电气参数和运行环境的一致性要求高，日常系统维护和清理较为麻烦，人工成本高昂，限制了光伏产业的进一步发展。

2001年，Toshihisa Shimizu对光照不均情况下的光伏系统输出特性进行了分析，从单块光伏单元的角度去寻求解决失配问题对光伏系统造成的影响的方法。2004年，G. R. Walker和P. C. Sernia examined提出了分布式最大功率跟踪的概念（Distributed Maximum Power Point Tracking，DMPPT），通过单块光伏板连接独立的最大功率跟踪优化单元的结构扩大模块，输出最大功率的范围，并且基于不同的电路拓扑进行了分析和比较。2006年，Eduardo Román将传统串并联结构的光伏系统与分布式最大功率跟踪的概念相结合，从系统级的角度对分布式光伏系统进行了分析[5-7]。

基于DMPPT的概念，本文在分析光伏模块输出特性的基础上，对于失配条件下多模块级联组网的系统静态输出特性曲线进行了详细的分析，提出一种基于DMPPT光伏系统的优选方法。并且通过这种方法得出一种适合于高压母线的光伏阵列结构，可以保证在任何失配条件下，各个光伏板都工作在各自的最大功率点，该结构可以有效地提高光伏系统在实际应用中的产电率。

本文主要分为如下部分：①文章以屋顶光伏系统为例，通过Matlab仿真，比较了DMPPT光伏系统和传统光伏系统在失配条件下的静态输出特性，量化分析了失配条件对传统光伏系统产电率的影响。②对不同结构的DMPPT光伏系统输出特性进行了详细分析，提出一种衡量DMPPT光伏系统在不同光照条件下是否保证最大功率输出的准则。③提出了一种适用于高压母线的DMPPT光伏系统结构，该结构可以保证光伏系统在任何光照条件下的最大功率输出，极大地提高了光伏系统在实际环境中的产电率。④最后通过搭建实验平台，验证了所提出的系统结构。

1　失配条件对光伏系统影响分析

图1a所示为美国加州的一个屋顶的光伏系统，由30块光伏板构成，因为屋顶面积和朝向所限，30块光伏板的安装位置如图1b所示。光伏串A和光伏串B由10块光伏板串联构成，分别安装在屋顶的两个朝向，光伏串C也是由10块光伏板串联构成，安装在屋顶的剩余面积。每块光伏板的额定功率为170W，整个系统为5.1kW。为了尽量还原光伏系统的实际输出特性，本文以美国加州地区2010年4月16日15∶00的辐照度作为仿真参考，每块光伏板的辐照度如图1b所示。

图1　屋顶光伏系统示例Fig.1　Case study of residential PV system

可见对于用户光伏系统，充分利用所有的受光面的同时，光照不均问题是在所难免的。

1.1传统光伏系统

以光伏串C为例，它由10块光伏板串联构成，其中有6块光伏板的辐照度为400W/m2，有2块光伏板的辐照度为300W/m2，有2块光伏板的辐照度为1 000W/m2。光伏串C的输出特性曲线由10块光伏板各自的输出特性曲线相互叠加而成，整串输出I-V特性曲线如图2a所示。将光伏串C的I-V曲线上的每一点的电压电流值相乘，可以得到其输出P-V特性曲线，如图2b所示。

图2　光伏串C的输出特性曲线Fig.2　Output characteristic curve of string C

从图2b可以看出，因为光照不均，整个光伏串C的P-V曲线呈现出多峰值（Multi-Peak，MP）的输出特性，这种特性会对传统的MPPT算法造成困扰，后级电力电子变换器的稳态工作点有可能停留在任何一个峰值（A、B和M中的任何一点），无法保证输出光伏串的最大功率。即使通过某种较为先进的MPPT算法，可以在这种情况下找到全局的最大功率点M（Global Peak, GP），即便如此也只能使其中的6块光伏板（400W/m2）工作在自己的最大功率点，另外4块板子中，有2块光伏板（1 000W/m2）没有工作在自己的最大功率点，还有2块光伏（300W/m2）因为旁路二极管的反向截止，完全没有输出功率，并且如果长时间维持在截止状态，会导致光伏板的损坏，进一步影响整个光伏系统的产电率。通过对比可以看出，即使光伏串C工作在自己的全局最大功率点M，它依旧无法合理的输出每块光伏板的最大功率，这部分的功率损失高达30%。

以此类推，可以得到光伏串A、B的输出特性曲线。因为3个光伏串输出并联，将其叠加就可以得到整个光伏阵列在当前光照条件下的P-V输出特性曲线如图3所示，图中的虚曲线分别代表A、B和C 3个光伏串的输出P-V特性曲线，每条曲线上的点分别代表各自的最大功率点。实线为三条虚线的纵坐标值叠加，表示整个光伏阵列的输出P-V特性曲线，其中“M”点表示该光伏阵列在当前不均衡光照下的全局最大功率点。

图3　光伏阵列的P-V特性曲线Fig.3　P-V output curve of the PV system

通过图3可以看出，在本例中即使通过某些先进的MPPT算法[8-12]可以找到传统光伏阵列输出P-V曲线上的全局最大功率点M，其各自的光伏串A、B和C依旧无法工作在自己的最大功率点，因此会损失13%的输出功率。

1.2基于DMPPT的光伏系统

分布式最大功率跟踪的概念是将一个DC-DC变换器与一块标准光伏板相连构成一个模块（称之为“光伏优化模块”），再以该模块为基本单元进行串并联构成一个光伏阵列，来提高抗失配能力的概念，如图4a所示。光伏优化模块中的DC-DC变换器在其输入端通过最大功率跟踪的算法对光伏板的输出电压（电流）进行控制，使之输出最大功率；在不考虑DC-DC变换器本身损耗的前提下，DC-DC变换器的输出功率永远等于输入功率，可以等效为一个恒功率源，其具体的工作点取决于后级变换器或者母线电压控制。图4b中，虚线和实线分别表示光伏板本身和光伏优化器在不同光照条件下的输出特性曲线。可以看出，在不同的光照条件下，光伏优化模块将传统太阳能板的最大功率区域从一个点延展到了一个宽泛的恒功率区域，该恒功率区域的大小由DC-DC变换器开关器件的功率等级决定[13]。

图5　DMPPT光伏串C的输出特性曲线Fig.5　Output curve of string C with optimizers

仍以光伏串C为例，在相同的光照条件下，在每个光伏板上安装MPPT变换器，整个光伏串的输出I-V曲线和P-V曲线如图5a和图5b所示。其中虚线所示为传统光伏串C输出特性，实线表示基于DMPPT结构的光伏串C的输出特性曲线。可以看出基于DMPPT结构的光伏串C的输出功率有了明显的提高，不仅在光照不均的情况下可以实现每块光伏板均输出各自的最大功率，并且最大功率呈现出很宽的恒功率区。传统光伏板构成的光伏串中多个最大功率点的问题也得以消除。对于后级变换器，即便最简单的MPPT算法也可以有效轻易地找到系统的最大功率点。同样得到基于DMPPT结构的光伏串A、B输出特性曲线，将其叠加就可以得到整个DMPPT光伏阵列在的P-V输出特性曲线如图6所示。

图6　DMPPT光伏阵列的P-V特性曲线Fig.6　Output P-V curve of the DMPPT PV system

图6中的虚线分别代表A、B和C三条光伏串的输出P-V特性曲线，实线为三条虚线的纵向叠加，表示整个光伏阵列的输出P-V特性曲线。比较图3可以看出，通过引入光伏优化模块，光伏系统在光照不均条件下的输出功率得到了显著提升，约为20%。

本小节中，通过引入光伏优化模块：①缓解了传统光伏系统因为失配现象引发的能量损失，提高了光伏系统产电率，缩短了光伏系统投资回报周期；②扩大了光伏系统的最大功率区域，解决了失配情况下系统多个最大功率点的问题；③对于DMPPT光伏系统，后级并网变流器仍然需要最大功率跟踪的功能，但是由于引入DMPPT，后级的最大功率跟踪算法更为简单和快速；④光伏系统的设计和安装更为灵活、简单，对于光照区域的利用率也大大提高。

2　基于DMPPT光伏系统的输出特性分析

本节首先以光伏优化模串联（并联）构成光伏串（组）为例，分析其整体输出特性以及保证其系统最大功率输出的条件；其次再以基于DMPPT的光伏串和光伏组构成光伏阵列并研究其输出特性和最大功率输出的判定准则。

如果将基于DMPPT的光伏模块串联，如图7a所示（以光伏串C的光照情况为例），其输出特性曲线如图8所示。其中MPL代表最大功率区域的低压点（Maximum Power region Lower point，MPRLP，MPL），MPH代表最大功率区域的高压点（Maximum Power region Higher point，MPRHP，MPH）。当整个光伏串的输出电流位于电流限流值Ilimit，并且每个模块都处于输出最大功率的条件下时，所有模块的输出电压之和就是VMPL。

图7　基于DMPPT光伏串和光伏组Fig.7　DMPPT string and row

图8　DMPPT光伏串C的输出特性曲线Fig.8　Output curve of DMPPT string C

式中，n为基于DMPPT结构的光伏串中的模块数；Pmi为第i块光伏板在当前光照条件下自身的最大输出功率；Ilimit为光伏优化模块本身的电流限流值。

最大功率区域的高压点VMPH为

式中，Pmax为辐照度最高的光伏板的最大输出功率；Vlimit为光伏优化模块本身的限压值。因为辐照度的不确定性，在这里将光伏板的额定输出功率定义为Ps，式（3）可以标准化为定义整个光伏串的光照条件系数为

当Kmis=1时说明光照情况理想，无失配问题；当Kmis越小，光照越不均衡，失配问题就越严重。将式（5）代入式（1）和式（2）中可以得到

可以得到，基于光伏优化模块的光伏串的最大功率区域可以表示为

根据相同的分析思路，可以得到图7b中的光伏组的输出特性曲线中最大功率区域的表达式为

基于DMPPT的光伏系统中，根据式（8）和式（9）可以推得：

（1）其输出特性曲线中最大功率区域的范围的宽窄与Kmis和n呈正比例关系。

（2）对于光伏模块本身参数Ilimit和Vlimit，在已知光照条件下，保证最大功率区域的存在的必要条件为

（3）从损耗角度理解，同样的光伏优化模块数，串联构成光伏串后的整体输出特性为电压高、电流小；并联构成光伏组后的整体输出特性为电压低、电流大，并且需要单个模块具有很高的电压变比才可以输出足够高的电压。光伏串联结构更具效率方面的优势。

对于基于DMPPT的光伏阵列而言，其输出最大功率的区域大小取决于各个光伏串（组）输出的最大功率区域的重合区，如图6所示。如果将多个DMPPT的光伏串并联构成光伏阵列，其最大功率区域开始于X点（恒功率区低压端），结束于Y点（恒功率区高压端）。对应到各个光伏串的输出特性曲线上可以看出，决定整个光伏阵列恒功率区域起点的是光伏串A的恒功率区的起点Z点（恒功率区低压端），决定整个光伏阵列恒功率区域的终点的是光伏串C的恒功率区的终点W点（恒功率区高压端）。可以看出，基于DMPPT光伏系统的输出特性曲线中，其恒功率输出范围的起点（低压点）由该阵列中输出能量最高的光伏串决定。而其恒功率输出范围的终点（高压点）则由光照不均现象最严重的光伏串来决定。

在图9中，将a图所示结构称为结构Ⅰ：假设其中第一串光伏模块的辐照度为理想光照（best case），所有光伏板都工作在额定输出功率状态；第二串光伏模块为最恶劣的光照情况（worst case），仅有一块光伏板工作在理想光照下，其余n-1块光伏板都完全无光照（失配问题最严重）。如果上述这两串光伏模块存在共同的输出最大功率区域，就可以保证结构Ⅰ在任何光照条件下都可以让所有光伏板工作在各自的最大功率点，即

图9　基于DMPPT的光伏阵列结构比较Fig.9　DMPPT based structure I and II

可以得到结构Ⅰ最大输出功率的判据

式中，n为每个光伏串中串联光伏优化模块的数量。根据相同的分析思路，可以得到图9b中的DMPPT光伏阵列结构Ⅱ的输出特性曲线中最大功率区域的判据为

式中，m为每个DMPPT光伏组中串联光伏优化模块的数量。

通过前述分析可以看出，保证结构Ⅰ、Ⅱ能够输出理想最大功率的标准由4个参数决定：Vlimit、Ilimit、n(m)和Ps。其中Ps表示光伏板的额定输出功率，由光伏板的制造厂商决定；n（m）是光伏电池串（组）中的模块数，由光伏系统的设计者和屋顶面积决定；Vlimit、Ilimit由光伏模块的开关器件决定。通过上述分析，可以得到如下结论：

（1）单个光伏优化模块的限压值Vlimit和限流值Ilimit对光伏阵列的整体输出特性具有重要影响，在硬件条件允许的情况下应该尽可能的扩大限压值和限流值，也就是扩大光伏优化模块恒功率输出的范围。

（2）保证结构Ⅰ能够输出理想最大功率的标准和每个光伏模块串联模块的数目密切相关。在单个光伏优化模块参数确定的情况下，串联数目越多，能够输出理想最大功率的标准越苛刻。

（3）保证结构Ⅱ能够输出理想最大功率的标准和每个光伏模块组的并联模块的数目密切相关。在单个光伏优化模块参数确定的情况下，并联数目越多，能够输出理想最大功率的标准越苛刻。

（4）基于同样的光伏优化模块数和同样的光伏优化模块参数，结构Ⅱ在高电压的应用场合具有更好的抗失配能力。

3　硬件平台及实验结果

3.1硬件平台搭建

为了验证前述的系统结构的分析和比较，本文搭建了一套额定功率为15kW的DMPPT光伏系统实验平台，如图10所示。该实验平台用于验证不同结构的光伏系统输出特性，系统由下面三个部分构成。

图10　实验平台Fig.10　Picture of test platform

（1）太阳能仿真器阵列。因为环境条件所限，本文通过20台Agilent E4361型太阳能仿真器来模拟一个由30个光伏板组成的光伏阵列。该仿真器可以通过设置开路电压UOC、短路电流ISC、最大功率点电压VMPPT和最大功率电流IMPPT这4个参数快速的模拟不同型号太阳能单元在不同光照情况下的输出特性曲线。

（2）光伏优化模块。光伏优化模块采用30个SolarMagic公司定制的基于Buck-Boost拓扑的单元化光伏优化模块。该模块可用于最高600V的串联电压等级，最大功率点电压VMPPT的范围为15～40V，最大功率点电流IMPPT的最大值为8.5A，Vlimit为40V，Ilimit为9A。

（3）电子负载。输出部分采用15kW的MCL488可编程电子负载。该电子负载具有多路独立的、可调节的输出通道，使用单个模块或多个模块并联时可实现定电流、定电阻、定功率和定电压输出。

3.2实验结果及分析

基于上述实验平台，实验对图9所示的两种基于DMPPT的光伏阵列结构的判据进行验证。因为电子负载的功率所限，在这里仅使用其中20台光伏仿真器和相应数量的光伏优化器进行实验。为了对应于相同的后级直流母线，结构Ⅰ由2串光伏模块并联构成，每串10个模块（n=10）；结构Ⅱ由10个光伏模块组串联构成，每个光伏组串联构成（m=2）。两种结构输出均和电子负载相接，通过调整电子负载的输出，得出整个光伏串的输出特性曲线，如图11所示。

图11　实验平台示意图Fig.11　Schematic of testbed

当光照均匀时，两种结构中的20块光伏仿真器均工作在辐照度为1 000W/m2的情况，此时两种结构输出特性曲线完全一致。当发生失配现象时，光伏模块#1～#11的辐照度为1 000W/m2，而光伏模块#12～#20的辐照度为100W/m2，两种结构的输出特性曲线如图12所示。图12a代表仿真结果的P-V曲线，其中上方的水平线表示理论上该结构系统在当前光照下所有光伏板各自最大功率值的和。图12b代表实验结果的P-V曲线，结构Ⅰ曲线的最高点为1 007W，结构Ⅱ曲线的最高点为1 106W。可以看出在光照不均匀的条件下，结构Ⅱ相对结构Ⅰ的产电率提高了将近10%。

图12　仿真结果和实验结果Fig.12　Simulation and test results

4　结论

本文主要分析了基于DMPPT结构的新型光伏系统的工作原理和输出特性。通过对不同组成结构的DMPPT光伏系统的分析，提出了用于衡量光伏系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出的判据。在分析总结不同结构光伏系统特性的同时，本文针对不同的DMPPT光伏组网结构，通过所提出的判据进行量化评价，文章最后通过实验平台证明了所提判据的有效性，具有很好的理论和应用价值。

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Output Characteristic Analysis of Distributed Maximum Power Point Tracking PV System

Wang Feng1Kong Pengju2Fred C. Lee3Zhuo Fang1
（1. Xi’an Jiao Tong UniversityXi’an710049China
2. iWatt HeadquartersCampbell95008CAUS
3. Virginia Polytechnic Institute and State UniversityBlacksburg24060VAUS）

Traditional PV systems always suffer mismatched issues, resulting in disproportionate impacts on energy generation. Distributed maximum power point tracking (DMPPT) PV system, is hereby proposed to solve such problem. To study the smart panel based DMPPT PV system, this paper proposes a new system structure. The relationship among the irradiance case, voltage limit and current limit of the PV optimizer is also analyzed. With the proposed structure, each panels under mismatched cases can work on its independent maximum power point, so a better performances of the PV system can be guaranteed. The new system structure improves the power generation of the PV system in real case effectively, especially in higher voltage bus system. Finally the efficiency of the proposed new DMPPT PV system is verified by experiments.

Distributed max power point tracking, photovoltaic, mismatch, system optimization

TK514

王丰男，1983年生，博士，研究方向为电力电子变换器、分布式新能源发电。

孔鹏举男，1981年生，博士，研究方向为电力电子技术、电磁干扰的建模和噪声抑制。

中国博士后科学基金面上项目（2014M552446），电力设备电气绝缘国家重点实验室中青年基础研究创新基金（EIPE14313）和国家自然科学基金（51177130）资助项目。

2013-11-13改稿日期 2014-01-03