局部阴影条件下光伏阵列结构、MPPT方法及阻抗匹配变换器研究

发布时间：2020-09-14 12:36

　　光伏发电是太阳能的主要利用方式之一。光伏阵列在遭遇局部阴影遮挡时,其功率输出特性发生变化,最大功率降低,并具有多个峰值功率点。为了提高局部阴影条件下光伏阵列输出功率利用率,本文针对光伏阵列结构的优化、更优的最大功率点跟踪方法(Maximum Power Point Tracking,MPPT)、合适的阻抗匹配变换器,开展了系统研究。本文分析了局部阴影条件下光伏电池、光伏组件、光伏阵列(包括并联型、串联型、串并联、全连接)的输出特性,得到了局部阴影条件下的光伏串输出电压-电流曲线特性、功率-电压曲线特性和输出功率曲线峰值点电压电流定量特征,即:光伏串输出电流-电压曲线呈现分段阶梯形单调递减特性,功率峰值点电流与相应分段短路电流近似成固定比例关系、功率峰值点电压与组成光伏串的光伏组件的开路电压近似成固定比例关系。通过模拟局部阴影条件,实地测试了光伏阵列的输出特性,实测结果验证了理论分析的正确性。这些特征为设计新的MPPT方法提供了理论基础。基于局部阴影条件下光伏串阵列的输出电流-电压曲线特性和功率-电压曲线峰值点电流电压定量特征,本文提出了两种全局最大功率跟踪方法,即“搜索-跳跃-判断”三步式全局MPPT方法和快速全局MPPT方法。三步式全局MPPT方法充分利用了局部阴影条件时光伏串输出电流-电压的分段阶梯形单调递减特性以实现跳跃,利用输出功率-电压曲线存在的峰值点电流定量特征以实现连续跳跃或搜索,跳跃的频次越多、电压区间越大,节约时间越多,速度越快。快速全局MPPT方法则利用了局部阴影时光伏串输出功率曲线峰值点电压定量特征,用计算代替了其他方法中长时间的实际搜索时间,具有极快的搜索速度。结合多种局部阴影模式详细分析了两种MPPT方法的运行过程。在实验室搭建了原理样机,对所提出的两种MPPT方法进行了实验验证,并与已有的两种MPPT方法实验结果进行了对比,表明所提出的MPPT方法的先进性和准确性。本文选用多输入Buck变换器作为阻抗匹配变换器,并引入电感电流伪连续模式作为该变换器的工作模式,不仅解决了电感电流连续模式时多路输入电压调节交叉影响的问题,而且避免了电感电流断续模式时电流纹波大的缺点。提出了减小续流开关管回路导通电流阈值和动态调配开关周期内各路工作时间的优化策略,尽量使各路输入都工作于临界电流连续的状态,降低了导通损耗,提高了工作效率。在实验室搭建了1kW的原理样机,并进行了实验验证,实验结果表明伪连续工作模式和优化策略是可行的。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4;TM46
【部分图文】：

装机容量,光伏发电,光伏,全球

的硅晶体有效提高了光电转换效率，单晶硅的转换效率达到 14%，光伏电池研究取得重大突破[4]。20 世纪 80 年代以来，光伏发电在提高效率、降低成本、延长寿命、美观实用等方面取得了很大的进步，是世界上增长最快的高新技术产业之一。图 1.1 给出了近十年全球光伏发电新增装机容量的情况[5, 6]，全球光伏新增装机容量由 2007 年的 2.6GW 迅猛增长到 2016 年的 70GW据预测，到 2050 年，光伏发电在世界发电总量中将占 13%~15%，到 2100 年将约占 64%[7]。

光伏阵列

出电流-电压曲线(I-V 曲线)和输出功率-电压曲线(P-V 曲线)如图 1.3 所示。从 P-V 特性曲线：光伏串 1 (由 PV1和 PV2组成)的最大输出功率为 92W，最大功率点电压为 31V；光伏串 23和 PV4组成)的最大输出功率为 181W，最大功率点电压为 57V。两个支路单独工作时可的最大功率之和为 273W，组成光伏阵列后的最大输出功率为 216W，最大功率损失比例达%。因此，为了提高光伏阵列输出功率利用率，应优化设计光伏阵列结构形式。

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【参考文献】