学术︱基于分布式最大功率跟踪的光伏系统输出特性分析

西安交通大学电气工程学院、美国加州iWatt公司、美国弗吉尼亚理工大学的研究人员王丰、孔鹏举、Fred C. Lee、卓放，在2015年第24期《电工技术学报》上撰文指出，分布式最大功率跟踪（DMPPT）光伏系统可以有效地抑制实际环境中因为光照不均影响所造成的产电率下降的问题。

以DMPPT的光伏系统为研究对象，针对多个分布式最大功率跟踪模块组网的优化问题，基于系统静态输出特性对多个光伏优化模块级联的结构进行了分析，提出了一种新型的DMPPT光伏系统结构。

通过分析和研究，阐明了光照条件、系统结构及单个光伏优化模块本身限压值、限流值等参数与光伏阵列最大输出功率之间的关系。所提出的新型DMPPT光伏系统结构可以保证在不同的光照条件下每块光伏板都可以工作在各自的最大功率点，该结构有效地提高了光伏阵列在失配问题下产电率，并且适用于高电压母线系统。最后搭建了实验平台，通过硬件实验平台验证了所提出的新型DMPPT光伏系统结构对光伏系统产电率的优化效果。

太阳能发电作为清洁能源供能的主要方法之一，其自身具有能源总量巨大，清洁无污染及地理上不受限制等优势，同时，太阳能发电系统安全稳定，易于实施和维护。近十几年里，在工业界和学术界的努力推广下，光伏发电的效率显著提高，成本不断降低，从而使得整个产业链快速成长，成为全球增速最快的高新技术产业之一，太阳能发电也逐渐由补充能源转变为可替代能源。

然而，在实际的光伏系统应用环境中，周围物体阴影的遮挡和太阳能板的具体安装朝向不同会导致光伏系统产电率严重下降（10%～20%）[1-4]，上述问题通常被称为光伏系统的失配问题。失配问题会导致光伏阵列整体的输出静态特性曲线呈现出“多个最大功率点（Multiple Maximum Power Point，MMPP）”的现象，对传统集中式最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法也提出了挑战。

即便采用某种复杂先进的算法，可以找到多个最大功率点中的全局最高点，整个系统仍旧无法保证所有光伏板都工作在自身的最大功率点。因此传统光伏系统对光伏组件的电气参数和运行环境的一致性要求高，日常系统维护和清理较为麻烦，人工成本高昂，限制了光伏产业的进一步发展。

2001年，Toshihisa Shimizu对光照不均情况下的光伏系统输出特性进行了分析，从单块光伏单元的角度去寻求解决失配问题对光伏系统造成的影响的方法。2004年，G. R.Walker和P. C. Sernia examined提出了分布式最大功率跟踪的概念（Distributed Maximum Power Point Tracking，DMPPT），通过单块光伏板连接独立的最大功率跟踪优化单元的结构扩大模块，输出最大功率的范围，并且基于不同的电路拓扑进行了分析和比较。2006年，EduardoRomán将传统串并联结构的光伏系统与分布式最大功率跟踪的概念相结合，从系统级的角度对分布式光伏系统进行了分析[5-7]。

基于DMPPT的概念，本文在分析光伏模块输出特性的基础上，对于失配条件下多模块级联组网的系统静态输出特性曲线进行了详细的分析，提出一种基于DMPPT光伏系统的优选方法。并且通过这种方法得出一种适合于高压母线的光伏阵列结构，可以保证在任何失配条件下，各个光伏板都工作在各自的最大功率点，该结构可以有效地提高光伏系统在实际应用中的产电率。

本文主要分为如下部分：①文章以屋顶光伏系统为例，通过Matlab仿真，比较了DMPPT光伏系统和传统光伏系统在失配条件下的静态输出特性，量化分析了失配条件对传统光伏系统产电率的影响。②对不同结构的DMPPT光伏系统输出特性进行了详细分析，提出一种衡量DMPPT光伏系统在不同光照条件下是否保证最大功率输出的准则。③提出了一种适用于高压母线的DMPPT光伏系统结构，该结构可以保证光伏系统在任何光照条件下的最大功率输出，极大地提高了光伏系统在实际环境中的产电率。④最后通过搭建实验平台，验证了所提出的系统结构。

图11 实验平台示意图

结论

本文主要分析了基于DMPPT结构的新型光伏系统的工作原理和输出特性。通过对不同组成结构的DMPPT光伏系统的分析，提出了用于衡量光伏系统在不同光照条件下是否总是可以保证最大功率输出的判据。

在分析总结不同结构光伏系统特性的同时，本文针对不同的DMPPT光伏组网结构，通过所提出的判据进行量化评价，文章最后通过实验平台证明了所提判据的有效性，具有很好的理论和应用价值。

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