基于開(kāi)關(guān)電容的光伏組件能量?jī)?yōu)化方法研究

祝祥亮，王 越，蔡 慧，汪 偉

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏(PV)能源作為傳統(tǒng)碳生產(chǎn)能源的一種可行的替代品而獲得了越來(lái)越多的重視。為了繼續(xù)推動(dòng)光伏能源與煤炭等其它資源的成本平價(jià)，在包括電力電子技術(shù)在內(nèi)的諸多領(lǐng)域內(nèi)還需要不斷的創(chuàng)新。好的電源架構(gòu)可以影響太陽(yáng)能發(fā)電的可行性，增加能源捕獲，同時(shí)降低成本。

傳統(tǒng)的光伏電源架構(gòu)是基于中央逆變器來(lái)管理一個(gè)串聯(lián)的電池板，中央逆變器實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法。該算法優(yōu)化了來(lái)自太陽(yáng)能電池陣列的功率流，在這種串聯(lián)配置的PV電池串以及PV組件不匹配時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因?yàn)樵诖?lián)結(jié)構(gòu)中，所有的電池中電流必須相等，在不匹配的情況下，總電流受到串中性能最低的太陽(yáng)能電池的可用電流的限制[1-2]。

與光伏電池子串并聯(lián)的旁路二極管可以緩解這個(gè)問(wèn)題。這種方法可以使更高性能的電池單元輸出更高的電流，避免性能較低的電池串消耗能量，從而可能從電池串中獲得更大的功率。然而，旁路二極管又帶來(lái)一系列問(wèn)題：1)即使性能僅略低于平均值，表現(xiàn)不佳的電池單元功率也會(huì)丟失，2)并且旁路二極管也會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，3)旁路二極管在電池串失配情況下使光伏陣列的P-V曲線呈現(xiàn)多峰特性，這使得中央逆變器的MPPT算法復(fù)雜化[3-5]。

針對(duì)此類不匹配問(wèn)題，已經(jīng)提出的模塊化架構(gòu)，文獻(xiàn)[6-7]討論了具有中央逆變器的級(jí)聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器，文獻(xiàn)[8-12]研究了微逆變器及其相關(guān)子模塊變體，以通過(guò)分布式控制實(shí)現(xiàn)局部MPPT。這種方法的主要缺點(diǎn)包括DC-DC轉(zhuǎn)換器或微逆變器的額外成本，以及由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率損失(在此稱為插入損耗)而導(dǎo)致峰值功率降低。

文獻(xiàn)[13-14]引入了差分功率處理方法來(lái)平衡光伏電池串中的不匹配，以提高光伏電源在出現(xiàn)失配時(shí)的能量捕獲。通過(guò)僅處理失配功率而不是全功率，這種技術(shù)被稱為擴(kuò)散電荷再分配(DCR)，可以顯著減少由于轉(zhuǎn)換效率和電子器件尺寸而引起的功率損耗，J.T. Stauth等人在文獻(xiàn)[15-17]中已經(jīng)提出了基于該原理的幾種不同架構(gòu)，主要包括開(kāi)關(guān)電容、諧振開(kāi)關(guān)電容和開(kāi)關(guān)電感架構(gòu)。

本文基于已有的開(kāi)關(guān)電容均衡器架構(gòu)，分析了其實(shí)現(xiàn)光伏組件功率平衡優(yōu)化的原理，并設(shè)計(jì)了均衡器電路和自動(dòng)均衡系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的分布式電源管理架構(gòu)如分布式DC-DC轉(zhuǎn)換器或微逆變器相比，開(kāi)關(guān)電容均衡器的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行，成本較低.最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)構(gòu)相對(duì)直接串聯(lián)電池和傳統(tǒng)帶旁路二極管的組件結(jié)構(gòu)在失配條件下能獲得更高的最大可利用功率。

1 開(kāi)關(guān)電容均衡系統(tǒng)

1.1 變均衡器系統(tǒng)配置

圖1給出了開(kāi)關(guān)電容均衡器和容光伏組件架構(gòu)的詳細(xì)示意圖。圖中Cbpi為旁路電，Cxi稱之為飛跨電容，均衡器工作時(shí)飛跨電容周期性地飛跨在相鄰的旁路電容間，使旁路電容電壓即使在電池串間出現(xiàn)失配時(shí)也能夠大致相等。開(kāi)關(guān)電容均衡器可以集成到每個(gè)PV模塊的接線盒中，并與通常連接旁路二極管的端子處的電池串并聯(lián)配置，這使得子模塊的功率平衡不需要重新連接傳統(tǒng)的C-Si光伏組件。

圖1 開(kāi)關(guān)電容均衡器結(jié)構(gòu)配置示意圖Figure 1 Schematic diagram of structural configuration of switch capacitance equalizer

在該解決方案中，當(dāng)檢測(cè)到組件電池串間電壓差大于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)電容均衡器，光照強(qiáng)的電池串中多余的光生電流以電容電荷形式儲(chǔ)存起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)了電池串間的功率平衡，最大程度上利用了太陽(yáng)能電池所獲得的功率。在均衡器工作時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到飛跨電容中的電流降到某個(gè)值以下，說(shuō)明此時(shí)組件失配情況減弱或消失，則關(guān)閉開(kāi)關(guān)電容均衡器。另外在極端失配情況下，即組件輸出電壓低于一定值時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)電容均衡器，與之并聯(lián)的旁路二極管導(dǎo)通起保護(hù)作用，防止太陽(yáng)能電池過(guò)熱而產(chǎn)生熱斑。

1.2 工作原理

圖1所示的開(kāi)關(guān)電容均衡器的工作狀態(tài)取決于單刀雙擲開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程，當(dāng)開(kāi)關(guān)以50%占空比切換時(shí)，電路工作在理想的均衡狀態(tài)，為了避免出現(xiàn)短路情況必須設(shè)置死區(qū)。單刀雙擲開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程如圖2，其中Ts為開(kāi)關(guān)周期，d為死區(qū)時(shí)間。

圖2 開(kāi)關(guān)功能示意圖Figure 2 Schematic diagram of switch function

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)電容均衡器有兩種工作狀態(tài)(不考慮死區(qū)時(shí)間)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 單位均衡器工作過(guò)程Figure 3 Unit equalizer working process

假設(shè)光伏電池串BT1的光照均勻，電池的輸出電流為IS1；串聯(lián)的電池串BT2受到陰影遮擋，其輸出電流為IS2，各代數(shù)量上標(biāo)表示所處的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的階段。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電容電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各電容已充電，其電壓值僅在穩(wěn)定值附近上下波動(dòng)，變換器的工作狀態(tài)描述如下。

狀態(tài)1：開(kāi)關(guān)S1和S3閉合，C1與C3并聯(lián)。在該階段，飛跨電容C3通過(guò)光伏電池串BT1和旁路電容C1充電至其電壓達(dá)到最大值。電池串BT2和旁路電容C2放電，同時(shí)為負(fù)載提供功率。該狀態(tài)的拓?fù)浜推骄娏鞣较蛉鐖D3(a)。

根據(jù)KCL，可以列方程：

(1)

狀態(tài)2：開(kāi)關(guān)S2和S4閉合，C2與C3并聯(lián)。在該階段，光伏電池串BT1提供負(fù)載的輸出電流，并給旁路電容C1充電。飛跨電容C3放電至電壓最低值，旁路電容C2則通過(guò)C3進(jìn)行充電，其電壓升高至最大值(與C1的最低電壓值相近。該狀態(tài)的拓?fù)浜推骄娏鞣较蛉鐖D3(b)。

根據(jù)KCL，可以列方程：

(2)

當(dāng)整個(gè)組件工作在穩(wěn)定狀態(tài)，能夠持續(xù)地為負(fù)載提供的平均電流：

(3)

由式(1)-(3)，可得：

(4)

進(jìn)一步得到：

(5)

由式(5)可以看出負(fù)載能夠得到的平均電流是串聯(lián)的電池串輸出電流的平均值，不再被限制為較低的輸出電流水平。

1.3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4(a)顯示的是一個(gè)具有1∶1轉(zhuǎn)換比的基本開(kāi)關(guān)電容(SC)轉(zhuǎn)換單元.VA和VB是具有串聯(lián)電阻RS的電源V1和V2的輸出端口之間的電壓。CX是在VA和VB之間傳輸電荷的飛跨電容;Resr代表CX和開(kāi)關(guān)S1的有效串聯(lián)電阻(ESR)。

開(kāi)關(guān)以頻率fsw切換，在階段1中，CX與VA并聯(lián)，存儲(chǔ)電荷QA=CX·VA；在階段2中，CX與VB并聯(lián)，存儲(chǔ)電荷QB=CX·VB。如果VA>VB，則凈電流將從VA流向VB。

圖4(b)為SC轉(zhuǎn)換單元的等效電路， 在慢速開(kāi)關(guān)情況下，電容完全充放電，等效電阻模型為

(6)

(7)

其中fsw為工作的開(kāi)關(guān)頻率，CX為飛跨電容值，Resr為CX充放電回路的等效串聯(lián)電阻值。式(7)的推導(dǎo)在[18-19]等文獻(xiàn)中已有詳細(xì)說(shuō)明，在此不贅述。

由等效電路可以看出，如果Reff→0，或者如果Reff?Rs，那么電池串電壓VA和VB將被迫大致相等。同時(shí)，較低的等效電阻可提高均衡器的有效轉(zhuǎn)換效率。

圖4 開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換單元及其等效電路Figure 4 Switching capacitor conversion unit and its equivalent circuit

圖5給出了其它參數(shù)一定，取三個(gè)不同的電容值CX情況下，等效電阻Reff隨開(kāi)關(guān)頻率fsw的變化曲線圖。由圖可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很低的時(shí)候，電路等效電阻很大，隨著開(kāi)關(guān)頻率升高，等效電阻顯著減小，最后趨于一個(gè)常數(shù)?？紤]到提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增大電路工作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，所以電路的工作頻率選取在曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，本文中開(kāi)關(guān)頻率采用50 kHz。

圖5 等效電阻VS開(kāi)關(guān)頻率Figure 5 Equivalent resistance VS switching frequency

圖6給出了其它參數(shù)一定情況下，取三個(gè)不同的開(kāi)關(guān)頻率fsw，等效電阻Reff隨電容值CX的變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)電容值很小時(shí)，等效電阻值很大，隨著電容值增大，等效電阻顯著減小，最終趨于一個(gè)常數(shù)。由于適合高頻電路的電容值無(wú)法做得很大，而且隨著電容值增大，其等效串聯(lián)電阻也隨之增大，所以電容值的選取應(yīng)在曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，本文中電容值CX采用20 μF。

圖6 等效電阻VS電容Figure 6 Equivalent resistance VS capacitance

旁路電容Cbp主要用于儲(chǔ)存能量和濾波，為了減小輸出電壓的紋波，需要足夠大的旁路電容，根據(jù)紋波電壓和旁路電容的關(guān)系式：

(8)

IDC,SC為電源提供給負(fù)載的平均電流，對(duì)于所用的100 W光伏組件最大約為3 A，為控制各電池串輸出電壓紋波在5%以內(nèi)，故采用60～100 μF的旁路電容值，本文中使用了兩個(gè)47 μF的陶瓷電容并聯(lián)。

對(duì)于回路的等效串聯(lián)電阻Resr，容易知道Reff是關(guān)于Resr的增函數(shù)，所以在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該選取導(dǎo)通電阻值盡量小的功率開(kāi)關(guān)管和等效串聯(lián)電阻值較小的電容。再根據(jù)MOS管的電壓電流應(yīng)力，本文選用的MOSFET型號(hào)是IRF3205，VDSS為55 V，ID為110 A，RDS(ON)為8.0 mΩ；電容選用的是高頻特性良好的多層陶瓷電容，可以采用并聯(lián)的方法來(lái)增加電容量和減小等效串聯(lián)電阻。

但另一方面，過(guò)小的Resr又會(huì)導(dǎo)致電路啟動(dòng)時(shí)電容充電回路中存在較大的電流尖峰，為此可以在回路中串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為軟啟動(dòng)電阻，或在飛跨電容處串聯(lián)一個(gè)諧振電感，改進(jìn)成諧振開(kāi)關(guān)電容變換器[20]。電流尖峰可由下式計(jì)算：

(9)

本文中ΔVm≈20 V，選擇 NTC 3D-25熱敏電阻作為均衡器電路的軟啟動(dòng)電阻，該熱敏電阻常溫下電阻為3 Ω,最大穩(wěn)態(tài)電流為9 A。

2 光伏組件失配情況下的仿真分析

2.1 通用光伏電池仿真模型

從變光伏電池簡(jiǎn)化的工程數(shù)學(xué)模型：

(10)

其中ISC為光伏電池短路電流，C1，C2為待定系數(shù)，根據(jù)王長(zhǎng)江等人給出的計(jì)算方法[21]，可以在Matlab/Simulink中建立光伏電池的仿真模型.該模塊有三個(gè)輸入量，分別是電池溫度T，光照強(qiáng)度S，電池輸出電壓V，輸出量為光伏電池的輸出電流I。只要已知光伏電池在標(biāo)況下的出廠數(shù)據(jù)就能模擬光伏電池或組件在任意溫度和光照強(qiáng)度下的輸出特性。

2.2 不同結(jié)構(gòu)光伏組件的失配仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中，搭建了不同結(jié)構(gòu)光伏組件的失配模型，如圖7。圖7左邊顯示的是傳統(tǒng)帶旁路二極管的光伏組件結(jié)構(gòu)，右邊所示是新型帶開(kāi)關(guān)電容均衡器的組件結(jié)構(gòu).標(biāo)號(hào)1～3為三個(gè)相同電池串，其中2號(hào)電池串顏色較深，表示其受到陰影(但仍產(chǎn)生功率)。

開(kāi)關(guān)電容均衡器使用兩個(gè)源極和漏極首尾相連的MOSFET開(kāi)關(guān)管構(gòu)成單刀雙擲開(kāi)關(guān)，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管以50%占空比互補(bǔ)導(dǎo)通以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電容變換器的期望功能，且MOS管的體二極管可以代替旁路二極管的功能。

2.2.1伏安特性曲線仿真

圖8顯示的是不同結(jié)構(gòu)光伏組件在相同陰影條件下的伏安特性曲線仿真結(jié)果。由圖線可知，電池串出現(xiàn)失配情況下，傳統(tǒng)帶旁路二極管結(jié)構(gòu)的光伏組件在負(fù)載較大，輸出電流較小時(shí)，組件電壓與直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)相重合，即三個(gè)電池串同時(shí)輸出功率；當(dāng)負(fù)載較小，輸出電流較大時(shí)，此時(shí)與2號(hào)電池并聯(lián)的旁路二極管導(dǎo)通以使電路流過(guò)更大的電流，就丟失了2號(hào)電池產(chǎn)生的功率。直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏組件輸出電流被限制在由2號(hào)電池決定的較低水平。帶開(kāi)關(guān)電容均衡器的光伏組件在失配時(shí)輸出電流明顯高于直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)，也不會(huì)像傳統(tǒng)帶旁路二極管結(jié)構(gòu)時(shí)丟失性能不佳的電池功率。

圖8 光伏組件伏安特性曲線Figure 8 Volt-ampere characteristic curve of photovoltaic module

2.2.2P-V特性曲線仿真

圖9顯示的是不同結(jié)構(gòu)光伏組件在相同陰影條件下的功率-輸出電壓(P-V)曲線仿真結(jié)果。從不同結(jié)構(gòu)光伏組件的P-V特性曲線可以看出，在相同陰影條件下，直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏組件產(chǎn)生的功率最低；帶旁路二極管結(jié)構(gòu)的光伏組件P-V曲線呈現(xiàn)出多峰特性，可能會(huì)丟失性能不佳的電池功率，也給最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)帶來(lái)了麻煩；帶開(kāi)關(guān)電容均衡器的光伏組件在失配情況下能夠?qū)崿F(xiàn)比直接串聯(lián)和傳統(tǒng)二極管結(jié)構(gòu)更高的最大可獲得功率。

圖9 光伏組件P-V特性曲線Figure 9 P-V characteristic curve of photovoltaic module

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖10 光伏組件(100 W)局部遮光圖Figure 10 Photovoltaic module(100 W) partial shading diagram

表1 光伏組件(100 W)標(biāo)稱數(shù)據(jù)Table 1 PV module (100 W) nominal data

所用的光伏組件包含兩個(gè)相同數(shù)量的電池串并且自帶兩個(gè)旁路二極管，每個(gè)電池串的開(kāi)路電壓實(shí)測(cè)在21 V左右。

所制作的開(kāi)關(guān)電容均衡器如圖11，上方的三端接線柱用于并接光伏組件的兩個(gè)串聯(lián)的電池串，下方的接插件連接MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)中PWM信號(hào)頻率為50 kHz。

圖11 開(kāi)關(guān)電容均衡器(2階)Figure 11 Switched capacitor equalizer (2nd order)

實(shí)驗(yàn)選擇在晴朗的室外條件下進(jìn)行，為獲得可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，時(shí)間選在正午時(shí)分，此時(shí)日照強(qiáng)度隨時(shí)間變化緩慢。事先對(duì)光伏組件其中一個(gè)電池串做了遮光處理，通過(guò)調(diào)節(jié)功率負(fù)載電阻的阻值來(lái)改變光伏組件的工作點(diǎn)，可以測(cè)得從短路點(diǎn)到開(kāi)路點(diǎn)之間的多組輸出電流、輸出電壓數(shù)據(jù)，在每個(gè)工作點(diǎn)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路的通斷來(lái)控制開(kāi)關(guān)電容均衡器的工作與停止。這樣在很短時(shí)間間隔內(nèi)，就能分別測(cè)得實(shí)驗(yàn)組(帶開(kāi)關(guān)電容均衡器結(jié)構(gòu))和對(duì)照組(原旁路二極管結(jié)構(gòu))在幾乎相同條件下的輸出特性。圖12、圖13是在人為局部陰影條件下得到的測(cè)試結(jié)果。

圖12 局部陰影條件下的V-I特性測(cè)試曲線Figure 12 V-I characteristic test curve under local shadow condition

圖13 局部陰影條件下的P-V特性測(cè)試曲線Figure 13 P-V characteristic test curve under local shadow condition

對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試擬合得到的曲線與仿真得到的曲線可知二者的趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明利用開(kāi)關(guān)電容均衡器來(lái)提升失配光伏組件輸出功率的理論分析是正確的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相同的部分陰影或光強(qiáng)分布不均條件下，在維持較高輸出電壓時(shí)，帶開(kāi)關(guān)電容均衡器結(jié)構(gòu)的光伏組件能夠比傳統(tǒng)只帶旁路二極管結(jié)構(gòu)的光伏組件輸出更多的功率，且有更高的最大功率點(diǎn)；當(dāng)工作點(diǎn)發(fā)生改變，組件輸出電壓降低到約開(kāi)路電壓一半以下時(shí)，開(kāi)關(guān)電容均衡器對(duì)功率提升則不起作用。所以，光伏組件發(fā)生失配情況下，利用開(kāi)關(guān)電容均衡器能夠在保證較高輸出電壓情況下大幅提升組件的功率輸出。

為了定量地分析開(kāi)關(guān)電容均衡器對(duì)光伏組件在失配條件下凈提升功率的多少，還需要計(jì)算驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電容均衡器所需要的驅(qū)動(dòng)功率。根據(jù)計(jì)算得到一個(gè)二階開(kāi)關(guān)電容均衡器約需要0.53 W驅(qū)動(dòng)功率，輔助電源效率按80%計(jì)算，驅(qū)動(dòng)功率則為0.66 W。表2中列出了不同失配程度下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，最大功率1是帶旁路二極管結(jié)構(gòu)光伏組件的最大輸出功率，最大功率2是帶開(kāi)關(guān)電容均衡器組件的最大輸出功率，并計(jì)算了開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)二極管結(jié)構(gòu)的凈提升功率百分比，凈提升功率比值定義為：凈提升功率=(最大功率2-最大功率1-驅(qū)動(dòng)功率)/最大功率1。

表2 開(kāi)關(guān)電容均衡器提升功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of switching capacitor equalizer to enhance power

從100 W光伏組件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，使用開(kāi)關(guān)電容均衡器在其有效失范圍內(nèi)相較于傳統(tǒng)二極管結(jié)構(gòu)平均能夠提升組件12.47%的最大輸出功率。

4 結(jié) 論

本文研究了一種基于開(kāi)關(guān)電容的光伏組件架構(gòu)，分析了開(kāi)關(guān)電容均衡器在光伏組件失配時(shí)的能量?jī)?yōu)化原理，并根據(jù)其等效電阻對(duì)電路各參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到開(kāi)關(guān)電容均衡器能夠在光伏陣列出現(xiàn)一定程度失配的情況下提升組件的功率輸出。研究結(jié)果顯示，帶開(kāi)關(guān)電容均衡器結(jié)構(gòu)的光伏組件在設(shè)定陰影條件下比傳統(tǒng)旁路二極管結(jié)構(gòu)輸出的功率最多提升了約150%，大大提高了光伏組件在失配時(shí)對(duì)太陽(yáng)能的利用率。

總的來(lái)說(shuō)，帶開(kāi)關(guān)電容均衡器的光伏組件結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：1)提供了有效的組件功率優(yōu)化，即顯著提升了組件在失配情況下能量捕獲，且P-V曲線呈現(xiàn)“凸”形；2)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，不需要復(fù)雜的控制算法；3)改善了均衡器的總功率密度和體積。所需的直流電源可以利用隔離的DC/DC模塊從光伏組件本身實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路、控制器和開(kāi)關(guān)電容電路可以集成到一塊電路板上，其總體體積較小，可以安裝在光伏組件的接線盒中。