国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志
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| AswathyKanth 印度哥印拜陀SNS工程学院电子电气系研究生 |
| 相关文章Pubmed，谷歌学者 |
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对能源可持续性和安全性日益增长的关注，促使人们对可再生能源的渗透进行了大量的研究能源电源(RES)进入目前的电力系统。光伏(PV)能源是最重要的可再生能源，因为它清洁，无污染，取之不尽，用之不竭。光伏(PV)阵列的效率受到遮阳条件的极大影响。光伏阵列完全或部分地被经过的云层、邻近的建筑物和塔、树木、公用事业和电线杆遮蔽。在部分遮荫条件下，PV呈现出多峰的非凸特性。利用最大功率点跟踪技术(MPPT)可以提取部分遮阳条件下光伏阵列的最大功率。MPPT技术既可以采用分布式MPPT (DMPPT)作用于光伏组件的电压，也可以采用集中式MPPT (CMPPT)作用于逆变器的输入电压。但是无论是DMPPT还是CMPPT都有各自的优缺点。本文详细研究了一种新型的MPPT，它是C&D MPPT的结合，可以克服DMPPT和CMPPT增强光伏系统的缺点。在本文中，DMPPT是通过使用子模块集成转换器(subMIC)实现的，对于不小于25%的不匹配，该转换器的效率为98%。采用扰动观测和增量电导MPPT两种传统的MPPT技术实现了MPPT。 A 3-module PV series string with novel MPPT was simulated under mismatched solar irradiation conditions using MATLAB Simulink
索引词 |
| 光伏组件，部分遮阳，CMPPT, DMPPT, subMIC |
介绍 |
| 通常太阳能电池板被分成若干个子串并串联起来。在大多数光伏系统中，阴影或不匹配的存在对系统的功率输出有更大的影响。这是由于串中PV模块的串联特性，产生了“圣诞树效应”，其中一个串联模块的电流减少会导致串中其余部分的失配损失。为了克服部分遮阳对太阳能电池阵的这些不利影响，在光伏系统中使用MPPT是非常必要的。在VI或VP曲线上有一个独特的点，称为最大功率点(MPP)，在这个点上，整个光伏系统以最高效率运行并产生最大输出功率。MPPT是一个电子系统，它以一种方式操作光伏模块，使模块能够产生它们能够关闭的所有功率。也就是说，它改变电气操作点，使模块能够提供最大的可用功率。 |
| mppt主要有两种类型:集中式最大功率点跟踪(CMPPT)和分布式最大功率点跟踪(DMPPT)。在不匹配的情况下(由于云层，阴影，污垢，制造公差，老化，光伏场部分的不同方向，热梯度等)，光伏(PV)场的功率与电压(P-V)特性可能会出现多个峰值，因为存在旁路二极管，因此集中式最大功率点跟踪(CMPPT)算法可能会失败[3]。此外，在不匹配条件下运行的一组光伏组件的最大功率小于每个光伏组件在其MPP中运行时可以提取的光伏组件的功率之和。 |
| 分布式最大功率点跟踪(DMPPT)架构可以克服与不匹配现象相关的缺点。它们都是基于使用模块专用的DC/DC转换器(微转换器)来实现每个模块的最大功率[1]。提供更高功率的DMPPT增强型光伏模块可能会在开关之间产生潜在的危险电压应力。为了从DMPPT中获得充分的利润，必须使整体逆变器电压属于一个最佳范围，其位置和幅度是以下因素的函数:一串PV模块和专用DC/DC转换器的数量，每个PV模块的大气工作条件(辐照度和温度值)，构成DC/DC转换器的物理设备的电压和电流额定值，以及采用的DC/DC转换器拓扑[2]。因此逆变器输入电压的最佳范围随时间不断变化。总之，联合采用dmppt技术(作用于光伏模块的电压)和CMPPT技术(作用于逆变器的输入电压)是强制性的。 |
| 许多出版物报道了PV系统的不同MPPT技术及其实现。但是，由于每种技术都有自己的优点和缺点，因此在选择MPPT时存在混淆。由于MPPT是光伏系统的重要组成部分，近年来在该领域进行了广泛的研究，并报道了许多新技术。Subudhi详细分析了不同的MPPT技术。B,普拉丹。《光伏发电系统最大功率点跟踪技术的比较研究》。 |
| 大多数商业系统采用扰动观测(P&O) MPPT技术，因为它的算法简单，成本低，易于实现。Murtaza.A.F, sherh . h对P&O技术的问题行为进行了研究，并结合了P&O和分数开路电压(FOCV)两种基本技术，提出了一种新型的MPPT混合技术。A，他们的工作是“一种新型的混合MPPT技术，用于太阳能光伏应用，使用扰动和观察和分数开路电压技术”。 |
| 本文分为五个部分，分别是(i)部分遮阳条件下的光伏组件模型(ii)部分遮阳对光伏组件的影响(iii)部分遮阳条件下的CMPPT增强光伏组件(iv)部分遮阳条件下的DMPPT增强光伏组件(v)新型部分遮阳条件下的MPPT增强光伏组件。 |
部分遮阳条件下的光伏组件模型 |
| 描述PV电池行为的许多不同复杂性的模型是可用的。最简单的模型在大多数应用中是不够的，因此我们需要一个更复杂的模型，如果我们将能够处理现实，如阴影问题。图1显示了PV电池的单二极管等效电路模型，该模型在许多研究中都是常用的，并且对大多数应用具有足够的精度。 |
| 描述PV电池行为的许多不同复杂性的模型是可用的。最简单的模型在大多数应用中是不够的，因此，如果它能够处理诸如阴影问题之类的现实问题，就需要一个更复杂的模型。本文在MATLAB中根据以下公式对光伏模块进行建模: |
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| 式中，I为电池输出电流，V为电池输出电压，Io为电池饱和电流，T为电池温度，单位为K,K/q为玻尔兹曼常数除以电子电荷8.62*10^-5 eV/K, Tc为电池温度，单位为摄氏度，Ki为短路电流温度系数，单位为Iscr 0.0017 A/摄氏度，λ为电池辐照度(mW/cm^2)， Iscr为电池短路电流，单位为28摄氏度，100mW/cm2=4.57A，Ilg为光产生电流，Ego为硅带隙=1.11eV,B= A理想因数=1.92,Tr为参考温度=301.18K,Ior为Tr=19.963*10^6时的饱和电流，Rs为串联电阻=0.001欧姆。 |
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| 对于光产生的电流，Simulink如图1所示。同样，可以根据公式对电池饱和电流和输出电流进行建模 |
部分遮阳对光伏组件的影响 |
| 由于细胞的外部特性不均匀，由于制造不对称，细胞开花层的降解，制造缺陷，细胞可能破裂，细胞前部的污垢，用于细胞封装的材料的降解以及细胞的不均匀辐射，都可能发生不匹配情况。所有这些因素都会导致模块性能的降低，这意味着模块的产生功率小于单个电池产生功率的总和。 |
| 图2为部分遮阳条件下太阳能电池板的仿真图。这里三个光伏组件串联在一起，其中两个产生60瓦，假设是非遮阳模块。而第三个模块的输出功率只有30瓦，因为它被认为是一个阴影模块。图2所示排列的模拟仅产生约15W的功率。从模拟输出推断，在部分遮阳条件下，太阳能电池板的最大功率提取是不可能的。即使两个光伏模块各产生60瓦的输出，在部分遮阳条件下也无法使用。下图显示了仿真输出。 |
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CMPPT增强部分遮阳条件下的光伏组件 |
| 在集中式MPPT中，多个光伏模块串联在一起，其输出连接到单个逆变器，逆变器可以通过P&O算法、增量电导算法、恒压算法等任何传统的MPPT技术进行控制。由于传统的P&O MPPT技术在硬件和软件基础上都是最简单的MPPT技术，因此本文以传统的P&O MPPT技术为基础。 |
| a)扰动并观察MPPT |
| 在扰动和观察方法中，控制器从阵列调整少量电压并测量功率，如果功率增加，则向该方向进一步调整，直到功率不再增加。它被称为爬坡法，因为它取决于功率对电压的曲线在最大功率点以下的上升和在该点以上的下降。扰动和观察是最常用的MPPT方法，因为它易于实现。图6和图7是P&O算法和P&O MPPT增强型光伏模块的MATLAB Simulink。 |
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| 门脉逆变器由P&O MPPT提供，即使在部分遮阳条件下，也能从太阳能模块中最大限度地提取功率。图6和图8分别为正常遮阳和部分遮阳条件下P&O MPPT增强光伏组件的输出波形，图7为无MPPT的部分遮阳条件下光伏组件的输出波形。从图8&7的输出波形可以推断，在部分遮阳条件下，光伏组件的输出随着P&O MPPT的存在而增加。 |
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DMPPT增强部分遮阳条件下的光伏组件 |
| 在DMPPT增强型光伏模块中，多个dc-dc变换器连接在每个光伏模块上。为了在部分遮阳条件下从光伏组件中提取最大的功率，使用子模块集成转换器是非常必要的。子mic的基本工作原理是“电压或功率均衡”。在VEP中，每个子串上的电压相等，或者每个子串传递的功率相等。这可以通过操作subMIC在PV组件中注入或提取电流来实现。 |
| 子模块集成转换器(subMIC)是一种双向dc-dc转换器，与每个光伏模块并联使用，可最大限度地提取功率。这里使用的Dc-dc变换器拓扑是双向反激变换器。每个反激变换器的输出并联连接，并与太阳能组件隔离。隔离的拓扑结构允许在变流器的二级上独立选择参数的额定值。借助图14所示的示意图，说明了带有subMIC的太阳能电池板在部分遮阳条件下的运行情况。 |
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| 在部分遮阳条件下，连接在PV模块上的subMIC处理的功率为-20W。这- 20W是在正常情况下从太阳能组件中提取的(每个10W)。因此，总输出功率为150W(50+50+50)。与旁路二极管的使用不同，亚mic具有凸特性。也就是说，在太阳能电池板中使用亚mic只给出一个电压功率特性峰值。因此，在子模块集成变换器中使用MPPT是非常容易的。 |
| (a)变换器拓扑——双向反激变换器 |
| dc-dc变换器拓扑结构使用两个MOSFET开关实现双向功率流。它可以在两种不同的模式下工作。模式1设置开关1的占空比大于开关2的占空比，光伏组件间电压大于变流器电压。因此，功率从光伏组件流向变流器输出。在模式2时，设置开关2的占空比大于开关1的占空比，光伏组件两端的电压小于(部分遮阳情况下)变流器电压。因此，功率从光伏组件流向变流器输出。转换器的拓扑结构采用一种特殊的控制器，它是一种无传感器电流控制器。 |
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| (b) matlab中的控制器设计 |
| 针对双向功率流的控制，在MATLAB中设计了一种无传感器电流控制器。该控制器为双向反激变换器中的两个MOSFET提供门控脉冲。 |
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| 控制器比较两个电压(跨子mic电压和PV模块电压)。然后将差值与传递函数相乘，将次要值转换为主要值。经过比较(考虑输出的符号)，产生两个门脉冲。仿真结果表明，在部分遮阳条件下，亚mic在太阳能电池板中的应用效果良好 |
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| 给出了最大功率的提取(60+60+30)在DMMPT中，阴影光伏模块的输出电压降低，直流电流保持与非阴影光伏模块相同。因此，逆变器的输入电压变化，总电流保持恒定。在每个光伏模块上执行永久D-MPPT。遮阳光伏组件的DC-DC级的电压和电流降低。通过增加每个DC-DC级的直流电压来保持逆变器输入端的直流电压恒定。 |
提出的方法-新型MPPT增强光伏组件 |
| 本文提出了集中式和分布式相结合的MPPT方法。使用DMPPT消除了CMPPT的缺点，使用CMPPT消除了DMPPT的缺点。图17为c&d MPPT组合式增强型光伏模块。CMPPT的主要缺点是，即使使用IC，也不能在部分遮阳条件下提取最大功率，在大气条件快速变化的情况下，MPPT的运行不稳定。而在光伏组件中使用DMPPT可以消除CMPPT的这个问题，即使在高辐照度变化的情况下也可以提取最大的功率。 |
| DMPPT的主要缺点是逆变器输入电压随大气条件的变化而变化。因此，在变大气条件和变输入电压条件下，逆变器不能正常工作。通过使用提供恒定逆变器输入电压的CMPPT，消除了DMPPT的这一缺点。 |
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结果的讨论 |
| 使用新型MPPT增强型光伏组件可以在快速变化的大气条件下提取最大功率。图16显示了部分遮光条件下的输出波形。即使在高度局部遮阳条件下，新型MPPT增强型光伏组件也能提供最大的输出。 |
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| 表1为根据仿真结果，在有和没有MPPT的情况下，光伏系统各回路在部分遮阳条件下的对比。在部分遮阳条件下，在光伏组件中使用MPPT比不使用MPPT的电路输出更多。新型MPPT增强型光伏模块与讨论的所有其他电路相比，效率最高。 |
结论 |
| 在快速变化的辐照度条件下，逆变器也能获得恒定的输入电压。利用CMPPT提取部分遮阳条件下光伏组件的最大输出。因此，c&d组合MPPT技术非常适合光伏系统的正常工作。新型MPPT增强型光伏组件以最高的效率工作，克服了不同的CMPPT或不同的DMPPT增强型光伏组件的缺点。 |
参考文献 |
