成 濤，汪 煒，馬 龍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

光伏組件智能接線盒設(shè)計(jì)研究

成 濤，汪 煒，馬 龍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

根據(jù)光伏組件輸出電壓與輸出電流之間單調(diào)連續(xù)非線性的特性，以阻抗匹配為設(shè)計(jì)思想，提出光伏組件智能接線盒的具體實(shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，完成了包含最大功率跟蹤 (MPPT)功能的智能接線盒硬件電路設(shè)計(jì)和算法流程設(shè)計(jì)。通過集成的無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)接線盒的智能監(jiān)控功能。最后通過實(shí)驗(yàn)證明了智能接線盒的有效性。

阻抗匹配;最大功率點(diǎn)跟蹤;智能監(jiān)控

智能接線盒是相對于傳統(tǒng)的旁路二極管式接線盒的新一代光伏功率優(yōu)化產(chǎn)品。為適應(yīng)光伏組件工作環(huán)境的復(fù)雜及多變性，需要根據(jù)負(fù)載實(shí)際情況調(diào)整其工作電壓，以達(dá)到充分利用太陽能資源的目的。智能接線盒是具備光伏陣列最大輸出功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking ，MPPT)功能的DC/DC變換器，其相應(yīng)的MPPT算法的實(shí)用性及可靠性成為該領(lǐng)域的核心競爭力。不同的MPPT算法，其判斷是否工作于最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)的標(biāo)準(zhǔn)各有不同，控制策略也不相同。國內(nèi)外文獻(xiàn)提出了多種跟蹤方法，可分為自尋優(yōu)和非自尋優(yōu)方法兩大類型。其中，常見的自尋優(yōu)方法有固定電壓法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法、間歇掃描法和智能控制法等[1]。本文將采用一種基于阻抗匹配的能夠?qū)崟r(shí)跟蹤且更新速率可調(diào)、輸出紋波小的MPPT算法。在電路實(shí)現(xiàn)上，采用單片機(jī)作為控制單元，四開關(guān)Buck-Boost電路作為調(diào)節(jié)單元，并且采用無線通訊模塊收集系統(tǒng)的工作狀況信息，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

1 光伏發(fā)電的阻抗匹配思想

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻抗相互適配，達(dá)到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。通過圖1簡要推導(dǎo)定值阻抗的匹配原理：直流電壓源等效為理想電壓源E和電壓源內(nèi)阻r，負(fù)載為純阻抗電阻R；設(shè)流過電阻R上的電流為I，負(fù)載電阻R上的電壓為U。可知，當(dāng)R越大時(shí)，其流過的電流越小，相反其兩端電壓越大。

負(fù)載R所消耗的功率：

圖1 基本直流電路

(1)

若電源內(nèi)阻為定值，當(dāng)負(fù)載阻抗值R與內(nèi)阻抗r相等時(shí)，存在最大功率值P，這就是阻抗匹配的原理[2]。

對于定值內(nèi)阻抗，上述結(jié)論成立。然而，其他條件不變，對于具有單調(diào)型非線性特性內(nèi)阻抗，上述結(jié)論不成立。電源的真實(shí)內(nèi)阻抗等于負(fù)載的等效輸入阻抗時(shí)，電路回路傳輸?shù)男什⒉皇亲罡?，電源輸出功率并不是最大[3]。

根據(jù)太陽能電池的直流模型，可知光伏組件的直流模型如下：

(2)

式中：i為光伏組件的電流；u為光伏組件的電壓；Iph為電池片光生電流；K為波爾茲曼常數(shù),K=1.38×10-23J/K；T為電池片表面溫度；q為基本電荷量,q=1.6×10-19C；A為二極管因子,一般取值為1或2；Rs為串聯(lián)內(nèi)阻；Rsh為并聯(lián)內(nèi)阻；I0為二極管反向飽和電流；np為并聯(lián)電池片數(shù)量；ns為串聯(lián)電池片的數(shù)量。

由于并聯(lián)內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組件的電壓，因此忽略u/Rsh，將式(2)變換得到：

(3)

式(3)為單調(diào)連續(xù)非線性函數(shù)，即光伏組件的數(shù)學(xué)模型具有單調(diào)非線性[4]。用曲線來表示這個式子，即可得到光伏組件的V-I曲線。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]所提出的非線性內(nèi)阻抗的線性處理方法，可以知道光伏組件內(nèi)阻抗實(shí)際測量方法：

(4)

為減小系統(tǒng)誤差，本文采用連續(xù)采樣取平均值的方法。具體實(shí)現(xiàn)過程：在一個采樣周期內(nèi)，系統(tǒng)采集從光伏組件輸出的電流AIIN、電壓AVIN，通過式(4)對電流、電壓進(jìn)行差分計(jì)算，從而得到組件的動態(tài)等效阻抗：

(5)

采集負(fù)載端口電壓和電流AVOUT、AIOUT，根據(jù)阻抗計(jì)算理論得到負(fù)載阻抗：

(6)

依據(jù)阻抗匹配理論，比較動態(tài)等效內(nèi)阻抗r與負(fù)載阻抗R，調(diào)整組件的輸出電壓，使得功率輸出最大化。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?；趧討B(tài)等效阻抗的MPPT算法，采集的數(shù)據(jù)以及涉及到的運(yùn)算非常簡單。采用單片機(jī)作為控制單元就可以滿足要求。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

單片機(jī)應(yīng)該包含的主要功能：數(shù)據(jù)采集(通過AD通道采集)、可產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(PWM)。相關(guān)的外圍電路如MOSFET驅(qū)動、電流電壓采集、溫度采集、電源指示以及過壓保護(hù)等輔助性功能電路，在此不多做介紹。

電路調(diào)節(jié)單元采用四開關(guān)Buck-Boost電路[5]。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四開關(guān)Buck-Boost電路

四開關(guān)的Buck-Boost電路由Buck電路和Boost電路共用一個電感變換得來，其中場效應(yīng)管Q1與Q4為主控管，Q2與Q3為同步整流管。以D1為Q1的占空比，D2為Q4的占空比。Q2，Q3分別與Q1，Q4互補(bǔ)。

不同的匹配狀態(tài)下，PWM信號的占空比理論值如下。

a.R>r，采用降壓模式：

D2=0

b.R

D1=1

c.R=r，對電壓不做調(diào)整：

D1=1

D2=0

根據(jù)所設(shè)計(jì)的硬件電路以及相應(yīng)的控制策略，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3 智能監(jiān)控

在功率跟蹤基礎(chǔ)上集成傳感器無線節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對每個組件的智能監(jiān)控。智能監(jiān)控由無線傳感、智能管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫3個單元組成。圖5為智能監(jiān)控的構(gòu)架以及3個單元之間信息的傳遞示意圖。

圖5 智能監(jiān)控構(gòu)架

若干無線節(jié)點(diǎn)形成傳感單元，負(fù)責(zé)采集光伏組件各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)板上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)接收智能管理單元對光伏組件的控制指令。

智能管理單元主要有3個功能：(1)獲取電站周邊環(huán)境信息和電站管理人員命令。(2)處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元上傳的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果、電站外部環(huán)境和電站管理人員指令發(fā)送組件工作參數(shù)控制信號，發(fā)現(xiàn)組件工作異常情況進(jìn)行通知并記錄。(3)保存光伏組件數(shù)據(jù)，并上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫單元接受智能管理單元上傳的電站數(shù)據(jù)并加以保存，用戶通過網(wǎng)絡(luò)查詢平臺對電站的發(fā)電情況進(jìn)行查詢。監(jiān)測和控制信息在智能接線盒與上位機(jī)之間雙向傳輸。

帶有無線傳感節(jié)點(diǎn)的智能接線盒，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率的跟蹤，優(yōu)化各個組件的功率輸出，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測光伏組件運(yùn)行狀況，報(bào)告異常，同時(shí)記錄光伏組件發(fā)電情況，供用戶查詢，能夠有效地實(shí)現(xiàn)分布式光伏電站的智能化監(jiān)控。

4 實(shí)驗(yàn)效果

針對標(biāo)稱功率250W的光伏組件研制的接線盒樣機(jī)測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 接線盒測試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)平臺為南京航空航天大學(xué)小型光伏系統(tǒng)。試驗(yàn)采用大功率純阻抗性負(fù)載。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間段為上午10：00至下午16:00，測試數(shù)據(jù)共8組。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，相對于傳統(tǒng)的不帶MPPT功能的接線盒，智能接線盒確實(shí)能夠增加光伏組件的輸出功率。本實(shí)驗(yàn)條件下普遍提升功率30W左右，最大增幅接近50%。這不僅驗(yàn)證了基于動態(tài)阻抗匹配的MPPT算法的可行性，也證明了智能接線盒的有效性。

5 結(jié)束語

針對光伏組件的功率損失問題，本文設(shè)計(jì)了一種以阻抗匹配理論為基礎(chǔ)的智能接線盒，為解決光伏發(fā)電中的最大功率點(diǎn)跟蹤問題提供了一條可行的實(shí)施途徑。同時(shí)采用無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式光伏陣列的遠(yuǎn)距離智能化監(jiān)控。

[1] 趙爭鳴,劉建政,袁立強(qiáng),等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2] 孫元福.關(guān)于最大功率輸出的探討[J].中國民航學(xué)院學(xué)報(bào),1997,15(1)：61-67.

[3] 邱關(guān)源.電路[M]. 北京:高等教育出版社,2000.

[4] 鄭穎楠,王俊平,張霞.基于動態(tài)等效阻抗匹配的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(2):111-118.

[5] 任小永,唐釗,阮新波,等.一種新穎的四開關(guān)Buck-Boost 變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(21):15-19.

ResearchandDesignonIntelligentJunctionBoxforPVModules

CHENG Tao, WANG Wei,MA Long

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

According to the nonlinear continuous monotonic characteristics between output voltage and current of PV module, it proposes a specific implementation of intelligent PV module junction box in the idea of impedance matching, designs the hardware circuits and algorithm program of the intelligent junction box with MPPT (maximum power point tracking, MPPT) function. Based on the integration of wireless communications module, it achieves the intelligent monitoring function. Finally, it takes the experiments to prove the effectiveness of the intelligent junction box.

Impedance Matching; Maximum Power Point Tracking; Intelligent Monitoring

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.009

2013-12-26

成濤(1988—)，男，湖南衡陽人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣夥l(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤。

TH272

A

2095-509X(2014)03-0033-03