具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：包括若干個雙向反激變換器，各個雙向反激變換器中的光伏組件PV串聯(lián)并通過防反充二極管D與PV-bus的正極連接，各個雙向反激變換器中的PVMIC單元的輸出端并聯(lián)且對應連接到PV-bus的正極、負極，PV-bus與DC/DC或DC/AC的直流輸入端對應連接。本實用新型裝置，對應有四種工作模式，所以在陰影條件下具有更高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，更大的輸出功率，更強的系統(tǒng)運行能力。
【專利說明】具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型屬于太陽能分布式可再生新能源發(fā)電【技術(shù)領域】，涉及一種具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]陰影分為硬性陰影和軟性陰影。軟性陰影指灰塵、落葉、云朵、積雪、樹影、高大建筑物等遮擋陽光所引起的部分陰影問題；硬性陰影指串并聯(lián)連接的光伏組件由于不同朝向、角度、參數(shù)以及部分光伏組件老化等原因引起的失配問題，這些統(tǒng)稱為部分陰影問題。
[0003]在實際的工程中，部分陰影問題是無法避免的，即使安裝程序正確，太陽能發(fā)電系統(tǒng)也會在一天的某些時段或一年內(nèi)的某些日子受到陰影遮擋的影響。陰影問題不僅無法避免，而且會對光伏發(fā)電系統(tǒng)造成嚴重影響。陰影問題主要表現(xiàn)在以下方面:
[0004]I)串聯(lián)連接的所有光伏組件都偏離了最大功率點，導致光伏組件輸出功率嚴重下降，因此整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率下降很多；
[0005]2)當光伏組件沒有并聯(lián)旁路二極管時，光伏組件端電壓下降到負值時，它將由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄哪芰康呢撦d，因而出現(xiàn)熱斑效應，可能導致光伏組件損壞，從而導致系統(tǒng)可靠性下降；
[0006]3)當光伏組件裝有旁路二極管時，而且旁路二極管導通時，會導致與該光伏組件串聯(lián)的所有光伏組件輸出的電壓下降。當導通的旁路二極管數(shù)量較多時，整個光伏發(fā)電系統(tǒng)可能由于無法正常工作而被迫停止。同時，由于光照嚴重不均衡或者旁路二極管的導通，會導致整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率-電壓曲線出現(xiàn)多個極大值點，使得普通的最大功率點跟蹤(MPPT)算法失效。
[0007]目前對于部分陰影問題的解決方法，主要從兩個方面考慮，一個方面是從MPPT算法角度出發(fā)，采用基于多峰值的MPPT算法，這種MPPT算法可以避免收斂于局部最大功率點，但是這種方法一般不容易編程，且不能彌補由陰影問題造成的系統(tǒng)功率損失。另一方面是從電路角度出發(fā)，通過合適的電路拓撲選擇，從而利用常規(guī)的MPPT算法就可以很好地實現(xiàn)最大功率點跟蹤。近年來學術(shù)界提出的“分布式最大功率點跟蹤”就是從電路拓撲角度著手解決部分陰影問題。一種做法是每塊光伏組件連接一個獨立的用于實現(xiàn)最大功率點跟蹤的變換器，把它稱為光伏直流模塊，在此基礎上對光伏直流模塊進行串并聯(lián)形成光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種方法使得在陰影影響下每個光伏模塊都能工作在最大功率點。另一種做法是給每塊光伏組件并聯(lián)一個補償陰影引起的功率損失變換器，把它稱為功率補償單元，通過給受到陰影影響的光伏組件回饋一個補償電流，使得整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率-電壓曲線呈現(xiàn)單峰值特性，從而利用常規(guī)的MPPT算法就可以很好地實現(xiàn)最大功率點跟蹤。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型的目的是提供一種具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能很好處理部分陰影的問題。[0009]本實用新型所采用的技術(shù)方案是，一種具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括若干個雙向反激變換器，各個雙向反激變換器中的光伏組件PV串聯(lián)并通過防反充二極管D與PV-bus的正極連接，各個雙向反激變換器中的PVMIC單元的輸出端并聯(lián)且對應連接到PV-bus的正極、負極，PV-bus與DC/DC或DC/AC的直流輸入端對應連接。
[0010]本實用新型的具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的每個雙向反激變換器包括一組光伏組件PV和一組PVMIC單元；
[0011]PVMIC單元的結(jié)構(gòu)是，包括濾波電容C1、C2和開關(guān)管S1、S2，其中的濾波電容Cl的正極連接高頻變壓器Tl的原邊，濾波電容Cl的負極連接開關(guān)管SI的一端，開關(guān)管SI的另一端連接到高頻變壓器Tl的原邊另一端；濾波電容C2的正極連接高頻變壓器Tl的副邊，濾波電容C2的負極連接開關(guān)管S2的一端，開關(guān)管S2的另一端連接到高頻變壓器Tl的副邊另一端；濾波電容Cl與光伏組件PV并聯(lián)，濾波電容C2的正極和負極作為對外連接的輸出端。
[0012]本實用新型的有益效果是:該光伏組件集成雙向反激變換器，是一種具有雙向能量傳遞功能的功率補償單元，由該PVMIC單元可以組成光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)陰影程度選擇工作在四種不同的工作模式，即睡眠模式、饋能模式、旁路二極管模式和DCmodule模式。沒有最大功率點誤判現(xiàn)象，使光伏發(fā)電系統(tǒng)在陰影條件下始終工作在最大功率點；每個PVMIC單元根據(jù)陰影程度選擇工作在不同的工作模式，能將電路損耗降到最低，最大程度地提高系統(tǒng)效率，很好的解決了部分陰影的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型中的雙向反激變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本實用新型中的雙向反激變換器簡化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本實用新型的單相單支路光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖；
[0016]圖4是本實用新型裝置在睡眠模式等效電路圖；
[0017]圖5是本實用新型裝置在饋能模式等效電路圖；
[0018]圖6是本實用新型裝置在旁路二極管模式等效電路圖；
[0019]圖7是本實用新型裝置在DC module模式等效電路圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0021]參照圖1，是本實用新型的光伏組件集成雙向反激變換器結(jié)構(gòu)示意圖，(photovoltaic module integrated converter,簡寫PVMIC,還簡稱雙向反激變換器)，每個雙向反激變換器包括一組光伏組件PV和一組PVMIC單元；PVMIC單元是一個左右對稱的結(jié)構(gòu)，包括濾波電容C1、C2和開關(guān)管S1、S2，其中的濾波電容Cl的正極連接高頻變壓器Tl的原邊，濾波電容Cl的負極連接開關(guān)管SI的一端，開關(guān)管SI的另一端連接到高頻變壓器Tl的原邊另一端；以高頻變壓器Tl為對稱軸，右邊的電路連接與左邊一致，即濾波電容C2的正極連接高頻變壓器Tl的副邊，濾波電容C2的負極連接開關(guān)管S2的一端，開關(guān)管S2的另一端連接到高頻變壓器Tl的副邊另一端；濾波電容Cl與光伏組件PV并聯(lián)，濾波電容C2的正極和負極作為對外連接的輸出端。圖2是圖1的簡化示意圖。[0022]該雙向反激變換器通過PVMIC單元的對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，從隔離電路的硬件成本上考慮，單端反激變換器是最經(jīng)濟的，特別是實現(xiàn)能量的雙向傳送能力方面，盡管通過合適的變化，正激電路、推挽電路和單相全橋電路都有雙向能量傳送能力，但是硬件成本會有所增力口。同時，考慮到光伏組件的功率大多低于300W，比較適合反激變換器的應用范圍，因此選用反激變換器作為光伏組件集成雙向變換器。
[0023]參照圖3，是本實用新型的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括若干個雙向反激變換器，各個雙向反激變換器中的光伏組件PV串聯(lián)并通過防反充二極管D與PV-bus的正極連接，各個雙向反激變換器中的PVMIC單元的輸出端并聯(lián)且對應連接到PV-bus的正極、負極，PV-bus與DC/DC或DC/AC的直流輸入端對應連接，DC/DC或DC/AC具有最大功率點跟蹤功能。換句話說，對于PV-bus而言，各個雙向反激變換器相當于低壓側(cè)(光伏組件PV側(cè))串聯(lián)，而高壓側(cè)(PVMIC單元輸出側(cè))并聯(lián)。
[0024]對于圖3所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)外界狀態(tài)總共有4種工作模式:睡眠模式、饋能模式、旁路二極管模式和DC module模式，各種工作模式具體說明如下:
[0025]參照圖4、5、6、7，分別是圖3所示的電路的幾種不同的工作模式，連接方式與圖3本質(zhì)上一致，直接顯示了各個狀態(tài)下的工作原理相關(guān)部分，所以沒有再重復描述結(jié)構(gòu)連接關(guān)系。
[0026]I)睡眠模式:當整個光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有陰影或部分陰影程度較輕(例如10%陰影影響)時，所有PVMIC單元都不動作，PVMIC單元沒有功率損耗，此時相當于所有光伏組件PV串聯(lián)組成傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由后級開關(guān)變換器一直實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能，睡眠模式的工作示意圖如圖4所示，由于PVMIC單元不動作，所以圖中沒有畫出。
[0027]2)饋能模式:當小部分(例如低于光伏組件總數(shù)的20%)光伏組件PV受到部分陰影影響(例如不低于10%陰影影響，且不高于90%陰影影響)時，與這些受到部分陰影影響的光伏組件PV對應的PVMIC單元動作，將PV-bus能量反饋給對應受陰影影響的光伏組件，對受到部分陰影影響的光伏組件輸出電流不足進行補充，以便保證PV-bus電流一直是未受陰影影響的最優(yōu)電流，此時沒有部分陰影影響的PVMIC單元仍處于睡眠模式，即此時該光伏組件PV輸出電流等于PV-bus電流。這樣可以保證系統(tǒng)效率得到較大程度的提高，饋能模式的工作示意圖如圖5所示，圖中光伏組件PV受到陰影影響，其對應的反激變換器動作，其他光伏組件PV沒有受到陰影影響，其對應的反激變換器不工作，所以沒有畫出。
[0028]3)旁路二極管模式:當某塊光伏組件PV受到嚴重陰影影響(例如高于90%陰影影響)，且趨于出現(xiàn)負壓時，對應的PVMIC單元禁止動作，與該光伏組件PV并聯(lián)的二極管和高頻變壓器低壓側(cè)線圈提供電流通路，箝位該光伏組件PV端電壓，防止熱斑效應發(fā)生。旁路二極管模式的工作示意圖如圖6所示，圖中光伏組件PV受到陰影影響，。
[0029]4) DC module模式:當工作在旁路二極管模式的PVMIC單元較多(例如超過光伏組件PV總數(shù)的20%)而導致PV-bus電壓不能滿足系統(tǒng)發(fā)電要求時，保持旁路二極管模式的PVMIC單元不變，使不受陰影影響的PVMIC單元工作在DC module模式，它來實現(xiàn)對應光伏組件PV的最大功率點跟蹤功能，此時后級開關(guān)變換器以穩(wěn)定PV-bus電壓為控制目標，來實現(xiàn)整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量穩(wěn)定地供給負載。DC module模式的工作示意圖如圖7所示。
[0030]本實用新型是一種具有部分陰影解決能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)電路拓撲，能夠完成以下功能:①抑制部分陰影問題，保證在陰影條件下每塊光伏組件始終工作在最大功率點處；②實時監(jiān)測陰影程度，從而選擇工作在不同的工作模式。
【權(quán)利要求】
1.一種具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:包括若干個雙向反激變換器，各個雙向反激變換器中的光伏組件PV串聯(lián)并通過防反充二極管D與PV-bus的正極連接，各個雙向反激變換器中的PVMIC單元的輸出端并聯(lián)且對應連接到PV-bus的正極、負極，PV-bus與DC/DC或DC/AC的直流輸入端對應連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有部分陰影解決能力的單相單支路式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的每個雙向反激變換器包括一組光伏組件PV和一組PVMIC單元； PVMIC單元的結(jié)構(gòu)是，包括濾波電容C1、C2和開關(guān)管S1、S2，其中的濾波電容Cl的正極連接高頻變壓器Tl的原邊，濾波電容Cl的負極連接開關(guān)管SI的一端，開關(guān)管SI的另一端連接到高頻變壓器Tl的原邊另一端；濾波電容C2的正極連接高頻變壓器Tl的副邊，濾波電容C2的負極連接開關(guān)管S2的一端，開關(guān)管S2的另一端連接到高頻變壓器Tl的副邊另一端；濾波電容Cl與光伏組件PV并聯(lián)，濾波電容C2的正極和負極作為對外連接的輸出端。
【文檔編號】H02S40/32GK203788233SQ201420129084
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】孫向東, 張琦, 任碧瑩, 安少亮, 郭列 申請人:西安理工大學