光伏发电控制模块期刊翻译

IEEE 电力电子学报 VOL 16 NO 3 2001 3 2012 3 16 光伏发电控制电路模块 本文是对外文论文的翻译摘自IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL 16 NO 3 MAY 2001 293 Generation Control Circuit for Photovoltaic Modules Toshihisa Shimizu Member IEEE Masaki Hirakata Tomoya Kamezawa and Hisao Watanabe Toshihisa Shimizu Member IEEE Masaki Hirakata Tomoya Kamezawa and Hisao Watanabe 摘要 为了进行有效的控制驱动逆变器 通常把光伏组件串联来产生所需电压 然而 即使是很小的一部 分光伏模块 PV 模块 被阻止接受光 光伏模块产生的电量会按比例降低 这比期望的降低的要多是因 为光伏组件没有接受足够的光照而不能在正常工作点上运行 而是在负荷上运行 结果 即使仅仅一小部 分的光伏组件被遮蔽 也会使来自光伏模块总功率降低 在本文所说的一种新意的电路 作为发电控制电 路 GCC 参考 即使一些模块被阻止接收光照 它也能从所有光伏模块中获得最大电量 这种计划电路 使个人光伏组件有效的运作在最大功率跟踪点上 而不用考虑 PV 模块的连接系统 此外 总功率产生实 验表明为了提高实验设置用于当前研究 关键字 交流交互式逆变器 多级斩波器 光伏模块 串 并联连接的光伏模块 a 串联模块 b 并联模块 第一部分 简介 现在 对保护全球环境重要性认识越来越高 呼吁各个领域有效地利用能源 因此 不但在方法上节约能源 而且也从发展新能方面开始研究 太阳能电池被认为是一种新能 源 在过去的几十年里 人们在这个领域进行了大量的研究 结果 主要的不足是光伏发 电相关的应用 诸如最初的成本 发电的效率和可靠性 现在不再是重大的问题 光伏发 电是一种灵活的发电方式 它可运用于大 小型发电站等等 这些电站可以在任何地方小 到 3KVA 大到 100KVA 最近几年 小功率的太阳能发电系统在家庭中已经越来越多的设计 安装使用 然而 尤其是在城市地区 各种问题限制光伏发电的有效性和经济可行性 典 型的城市家庭一般都在屋顶安装有一个光伏发电系统 此外除了阴天 周围的房屋 树木 电话线和电力线路有时也会部分覆盖这些光伏组件 在传统的光伏发电系统中 这些遮挡 使发电在一个更大程度上比最初的预期降低了 因此建造成本增加 安装在屋顶的太阳能 板数量必须增加 结果 光伏发电不是很受吸引 因此 目前研制出了一种新的电路 被 称为发电控制电路 GCC 既是一些光伏组件被遮蔽 它也能发电 用这种方法 GCC 单独的控制每一个光伏模块 包括被遮住的模块 以此来让每个模块产生最大的功率 这 样让发电总量的降低减少到最小 在文章中 串并联电路的特性和问题已讨论过 下一步 下一代的原则 提出了控制 电路运作关系来解决上述问题 两种类型的实际电路结构 以满足 GCC 的同时提出了这 些配置的控制方案作了简要的论述 第二部分 光伏组件及连接方式的相关问题 A 连接方式 在光伏发电系统 多光伏组件一般是并联的 以此来充分实现直流电压的高转换效率在 交流转换中的应用 此外 传统的 PV 模块是由几个太阳能电池连接起来的 如上图 a 所示 图 b 所显示的测量结果是光伏模块上的一些光伏电池覆盖了一层阴影时所产生的电流 很 明显 即使是最轻微的阴影覆盖在 PV 模块上时 总功率也有明显的下降 因此 在相同的发 电情况下 光伏发电系统中处在阴影下的光伏组件是不能进行正常工作的 这种情况应当 去检查一下 当无阴影覆盖光伏模块及有阴影覆盖光伏模块并联连接时 每个 PV 模块所产生的电压 是固定的 并在整个光伏发电系统中相同 并且从每个 PV 模块中产生的电流流动不受限制 如 图 1 b 所示 换句话说 光伏系统输出的电压变为了单个模块输出的电压 输出的电流 为每个模块产生电流的总和 相反 当每个 PV 模块串联连接时 每个模块中都会通过相同的电流 输出的电压为每 一个模块所产生电压的总和 然而 每一个模块的电压是有电流大小所决定 而这又取决于 产生的条件 因此 理想的电压并不总是从每个 PV 模块中得到的 特别是 当一些光伏组件 没有足够的电流产生时 就如图 2 a 和 b 光伏模块中的电压大大减小了 总的发电量也 大幅度降低 在接下来的章节中 通过考虑工作点来阐明串联连接光伏模块和并联连接光伏模块中 的个别条件 B 并联运行光伏组件 图 3 a 表明两并联光伏模块的特性和 V I 曲线的产生有不同的生成条件 在图中 PV1 和 PV2 分别代表有阴影覆盖模块和无阴影覆盖模块 在并联连接中 所产生的电压和每个模块 电压相同 因此 每个 PV 模块工作点是通过和运行线的交点以及每个模块的 V I 曲线来考 虑的 其中的运行线就类似于 y 轴 例如 Pa Pb 和 Pc 当光伏系统的输出电流从 0 上升 到最大值时 每个光伏模块的工作点的移动如图 3 b 所示 PV1 中 Pa1 Pb1 Pc1 和 PV2 中的 Pa2 Pb2 Pc2 该运行特点表明 不仅无阴影覆盖模块而且有阴影覆盖模块都能 在该地区运行 因此 这些模块总的输出功率特性 P V 曲线都可以从图 3 b 中获得 此外 输出总功率Ptotal可以通过 Ptotal P1out P2out 1 P1out PV1 模块产生的功率 P2out PV2 模块产生的功率 如果每个电压等效在最大功率点 则输出功率Ptotalmax 可以在最大功率点获得 Ptotal max P1 max P2 max 2 P1 max 和P2 max 分别代表PV1 PV2 的最大功率 C 光伏发电模块中的串联操作 图 4 两并联连接的光伏模块特性 a I V 特性 b P V 特性 图 4 a 显示了在上图 3 a 所示的条件下 光伏串联模块的 V I 曲线 在串联连接中 每一模块产生的电流相同 因此 每个光伏模块的工作点是 通过操作线的交点来考虑的 这些交点就是平行于 x 轴的虚线 例如 Sa Sb Sc 和 Sd 与每个光伏模块 V I 曲线的交点 当光伏模块的电流从 0 增 到最大值时 每个光伏模块的工作点就如图 4 a 所示移动 模块 1 从 Sa1 Sb1 Sc1 Sd1 和模块 2 从 Sa2 Sb2 Sc Sd2 Sb 工作曲线中 有阴影遮蔽的光伏模块 PV1 能达到其最大功率 然而没 有阴影遮蔽的光伏模块 PV2 却不能达到其最大功率 当工作线移到 Sc 时 PV1 和 PV2 的工作点将分别转移到点 sc1 和 sc2 同时 PV2 的功率提高了 然而 PV1 的工作点 sc1 移到了负电压区域 因为从 PV2 产生的电流通过与 PV1 模块反并联连接的旁路二极管流过 因此 PV1 模块产生的功率变为了负 功率 这意味着有阴影遮蔽的光伏模块不能产生电 且引起电量的丢失 在 Sd 工作线中 没有阴影遮蔽的光伏模块 PV2 产生的最大功率为 P2 max 有阴 影遮蔽的 PV1 损失的功率为 Ploss1 因此系统的输出功率 Pout 降为 Ptotal Pout2 max Ploss1 3 这个光伏系统输出总功率的特性和 P V 曲线可以以同样的方式在图 4 b 中获得 两个功率峰值点存在 但是这些峰值点的输出功率比图 3 b 所示并联连接时输出的要少的多 尽管在本文中只描述了两种光伏连接模块 但多模块串联连接方式中功率减少的机制是 类似于上述两模块连接方式的 第三部分 发电控制电路 A 发电控制电路的工作原理 GCC 图 5 发电控制电路的工作原理 a A 型 b B 型 图 5 a 和 b 为所拟定控制电路的工作原理 它是有 m 个光伏模块串联 起来的 这个发电控制电路拥有从 X1 到 Xm 多重电压源 V1 到 Vm 等同于输 出电压 Vout 同时电压源 X1 到 Xm 分别并联到光伏模块 PV1 到 PVm 如图 5 a 电路所示 不仅是本系统的输出功率 同时也是串联控制模块提供输 出端子的 GCC 的功率 因此 而这些电压源产生正的输出功率 其他电压 源产生负的输出功率 因此 所有这些功率的总和应该是零 然而 在图 5 b 所示的电路中电压源从 V1 到 Vm 由于输入端子 GCC 在两个方面产 生积极或消极的输出功率 然 Pc 和 Nc 在图 5 a 中就不存在 因此 一 些电压源产生正的输出功率 其他一些产生负的输出功率 因此 所有这些 功率的总和应该是零 在图 5 a 所示 假定 Im 为最大电流 4 Im 与 Ii 通过电压源 Xi 提供 使 Pvi 模块维持电压为 Vi 因此 在发电控 制电路中 总的输出功率 Pout 和输入功率 Pin 可以通过如下公式计算 Pout Im Ii m i Vi 1 5 Pin Vout Ic 6 Ic 是 GCC 输出的电流 假设 GCC 的损失功率是微不足道的 因此 GCC 的输出功率就等于输入 功率 Im Ii Vout Ic m i Vi 1 7 并且输出电流 Iout 和输出功率 Pout 可以分别用公式 8 9 计算 Iout Im Ic Ii Vout 1 m i Vi 1 8 Pout Vout Iout Ii m i Vi 1 9 等式 9 表明尽管各自的电流不相吻合 但每个光伏模块都根据所期望 的电压产生自己的功率 更进一步说明 来自系统输出端的功率就等于这些 光伏模块产生的功率之和 在图 5 b 所示 公式 6 输入功率一定是 0 因为没有电流 Ic 的输 入端子 如图 5 a 所示 因此输出电流 Iout 就等于 Im 然而 从 I1 到 Im 没有电流的限制 因此 当 Iout Ii 是正值时 能量从 Xi 转移到 PVi 当 Iout Ii 是负值时 能量从 PVi 到 Xi 且这些总功率之和为 0 因此公式 5 可以修 改为 Im Ii 0 10 m i Vi 1 输出电流可以按如下计算 Iout Ii Vout 1 m i Vi 1 11 因此系统输出功率可以通过公式 9 获得 B 发电控制电路的电路工作结构 图7 GCC中的DC DC变换工作波形 图8 基于多级斩波器的发电控制电路的结构 图 9 GCC 的多级斩波门信号 图6和图8显示了所提出的GCC实际电路结构 并且图5 a 和 b 分别表明了各自的 原理 图6显示了有多个电压输出的DC DC转换器的电路结构 当输出电压源的数量是按V m计算时 DC DC的每一输出电压是受控制的 由于输出电压不能单独控制 因此 每o 个光伏模块要产生精确的电压是难以实现 然而 在有阴影遮蔽的光伏模块中可以阻止严 重的功耗 这种如图7所示的DC DC转换拓扑结构的最有利的特点是简单 易于控制 图8显示是多级斩波电路结构 图9所示的是开关门信号 S S 平均电压为Vi 在图8中可 从状态空间平均法中获得稳态条件 当每个开关的占空比为Di时 可按等式 12 S i W 13 来定义 每个光伏模块PVi产生的控制电压为Vi 可以通过公式 14 中占空比Di 来确定 因此 每个光伏模块产生的电流可以通过I V曲线和Vi来确定 12 Tsw offTi Ti 是Si关断时间 Ts是开关转换时间 1 13 m i i D 1 V1 V2 V3 Vi Vm 1 Vm 1 D 2 D i D m D m D 14 这里就等于占空比 outi VV 15 Vout Vi i D 通过把 15 式带入 11 输出电流可按如下计算 Iout Ii 16 m i i D 1 因此 输出功率Pout可表达为 Pout Vout Ii Ii 17 m i i D 1 m i Vi 1 因此 单个控制的发电电压Vi和精确控制就可以实现 第四部分 实验结果的生成特性 在这一章中 对一些典型的特性作了说明 这些特性来源于实验设置 图 10 中两阶斩 波电路是为了用来简化说明的 斩波电路的开关频率可选 20KHz 在 16 式中所提到的输出电流可表示如下 Iout I1 I2 18 1 D 2 D Since I1and I2are I1 I1 Iout 19 和 I2 I2 Iout 20 i D 图10 GCC的两阶斩波电路 流经 C1 和 C2 的功率 P1 和 P2 为 P1 V1 I1 V1 I1 I2 21 2 D 和 P2 V2 I2 V2 I2 I1 22 1 D 从 14 21 22 式可以清楚看到 P1 P2 23 这个结果意味着斩波电路允许能量在每个模块间双向流动 流动方向是由每个光伏模块的 电流方向决定的 图11 a 和 b 显示了有阴影遮蔽光伏模块和没阴影遮蔽光伏模块的实验结果特性 I V和P V曲线 为了模拟部分有阴影遮蔽的光伏模块 因此对部分光伏模块进行了人 工遮蔽 输出电压 电流和功率在遮蔽的光伏模块PV1中分别定义为V1 I1和P1 在没有遮 蔽的光伏模块2中分别定义为V2 I2 和P2 图11 部分有阴影遮蔽光伏模块和没阴影遮蔽光伏模块的实验结果特性 a I V 特性 b P V 特性 在图11 b 所示 最大功率 P1max 在PV1模块中由 V1max来决定 而最大功率 P2max 在 PV2中由V2max来决定 在这种情况下 V1max略低于V2max P1max低于P2max 既然 P1max 是3 94 W和P2max是16 1 W 则潜在的能量 P1max P2max 20 04 W 图12显示 了当这两个光伏模块串联连接时产生 P V曲线 的特性 如图10所示 曲线 a 和 b 显示无 功或有功状况下的控制电路分别产生的功率 这种情况下 GCC分别工作在 0 5和 1 D 0 5的条件下 在曲线 a 中最大功率被限制到Pmax 无功功率 14 58 W 但在曲线 b 2 D 中最大功率增加到了Pmax 有功功率 18 09 W 因此 在图11 b 中通过辅之以发电控 制电路 让这两个光伏组件工作在竖直操作线OP上 以此总功率增加了 然而 Pmax有功 功率仍然是小于P1max P2max 因为每个PV模块的工作电压不能和每个模块的最佳值 V1max和V2max相协调一致 图12 两串联光伏模块实验结果特性 a GCC的无功功率 b GCC的有功功率 图 13占空比和输出功率 a 占空比变化和相应工作点 b 输出功率与占空比 如前所述 流过每个光伏模块的电压是由式 14 决定的 所以电压比率可以通过占空 比来控制 当PV2维持以固定的工作电压V1max时 图13 a 显示了随占空比变化的电 1 D 路工作曲线 图13 b 显示了以往的工作曲线 最大功率是在点 0 46点获得的 就是 1 D 工作曲线与每一最大电压 V1max和V2max的交点处 其产生的功率近似等于每一光伏模 块的功率 因此 在每个PV模块中利用占空比控制对其产生最大功率很有效 图14 GCC控制系统 多级斩波 图15 占空比实验结果 图14为控制系统中用于发电控制的一斩波电路 为了在给定的占空比处产生最大功率 输出电流Iout可以通过buck斩波电路来控制 考虑占空比因素 仅仅输出电压和电流可以 测量 并且每一个占空比的调整是通过微型计算机来控制的 多级斩波电路控制的步骤如 下 步骤1 初始化占空比 1 D 2 D n D 步骤2 令i 1 步骤3 保持 之比不变 调整 1 D 2 D n D i D 步骤4 为了获得最大功率控制输出电流Iout 步骤5 令i i 1 改变 i D 步骤6 如果i n 然后在令i 1 步骤7 重复步骤3 6 图15为占空比控制实验的结果 当GCC控制从t1时刻开始工作时 模块产生的功率增加 在点t2处由于在PV1模块中人为设置的阴影增加 使得输出功率降低 但功率的下降有最 小限 当人为设置的阴影移到t3处时 产生的功率再一次增加 这结果表明 所提出的占 空比控制可以执行稳定操作 图16 a 和 b 显示了实验的测试结果 图16 a 测试实验中用了两种系统是为了对 产生的功率作比较 在每个系统中有12个光伏模块串联在一起并且输出额定功率为600W 每一PV系统发的电通过交流逆变器供应给输电线路 其中一个系统中 光伏模块的表面大 约有4 5 被人为遮蔽 如图16 a 所示 另外系统中 光伏模块没被遮蔽 图16 b 显 示了每个系统的工作时间和产生电量之间的关系 在无阴影覆盖的系统中 最大功率可达 到480W 在有阴影遮蔽的系统中 在早上9 15关闭控制电路 然后上午12 20再打开 当控 制电路关闭时 功率下降到300W 当控制电路再次打开时功率又增加到360W 这些结果 证实控制电路的能力 就是当光伏模块有阴影遮蔽时控制电路可以阻止功率大幅度的下降 图16 现场测试结果 a 实验系统的框图 b 输出功率与工作时间 第四部分 总结 光伏模块控制电路的提出 加上两个实际电路的配置 dc dc转换电路和多级斩波电路 在这里都已说明 尽管实际中几个光伏模块是串联连接的 但即使一些模块有阴影遮蔽 GCC也能使每个光伏模块都工作在最大有效功率上 直流 直流转换器类型的GCC是一种简 单 可靠的控制电路 但不能