基于单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器

随着传统化石能源日趋枯竭及环境污染问题日益严峻，加快新能源的研究与应用已经成为了全社会的广泛共识。光伏发电作为新能源的重要代表已经得到了快速发展和广泛应用。然而，由于组件失配造成的光伏系统发电量损失已经成为一个不可忽视的问题。

无论是集中式光伏系统为主的大型光伏电站，还是组串式结构为主的分布式发电系统，光伏组件均要通过多个串联达到一定的电压等级。当串联光伏组串中某一块组件由于云朵、树木、粉尘等原因发生局部遮蔽时，组串电流由于串联结构会被拉低至遮蔽组件的电流，同时也会导致最大功率曲线的多峰值问题，造成发电量的严重损失。目前，工业上使用的方案是通过在组件两端反并联若干旁路二极管，将发生遮蔽的组件短路从而不拉低整体组串电流。然而，这种方案虽保证了未遮蔽组件不受影响而工作于其最大功率点，但被遮蔽组件由于被旁路造成了发电量不可忽视的损失，同时该组件还会因消耗功率产生热量从而造成“热斑”效应。为解决这一问题，有学者提出了分布式最大功率追踪(distributed maximum power point tracking, DMPPT)。DMPPT是指在每一块光伏组件两端并联一个DC-DC变换器，实现每一块电池板的最大功率追踪。这样即使在遮蔽情况下，每块电池板都可以工作在对应光照强度下的最大功率点^[1]。该方案的主要缺点是要给每一块组件均并联一个DC-DC变换器并处理光伏组件发出的全部功率，使得系统成本大大增加，同时系统效率也会有所降低。

近年来提出的光伏均衡器(又称差分功率处理器, differential power-processing, DPP)通过并联DC-DC变换器为遮蔽的光伏组件提供补偿电流，从而通过将未被遮蔽组件的部分功率转移到遮蔽组件中，实现被遮蔽组件的最大功率输出。最基本的光伏均衡器拓扑与传统的电池均衡器原理相似，这些均衡器多是基于buck-boost电路、开关电容电路、正反激电路等^[2-5]。文献[6]提出了一种基于双向buck-boost电路的光伏均衡器，采用板间均衡结构来实现均衡功能，文献[7-8]则分别使用开关电容电路和开关电感电路来进行板间均衡。这些拓扑由于采用板间均衡方式，其功率传输仅限于2个相邻的模块，这样未遮蔽组件的部分功率可能会经过多个变换器和模块到达被遮蔽组件，从而降低了整个系统的效率。同时，变换器数量也会根据组件数量成比例增长，从而大大增加系统复杂程度和成本。文献[9]提出了发电控制电路(generation control circuit, GCC)的概念，采用多级buck-boost电路，其各级占空比与各个光伏子串的MPP电压之比相等，这种结构需要对每个光伏子串进行输出扰动，控制维度过多，控制算法过于复杂。文献[10]提出了多绕组正激变换器实现了对开关管的简化，但其仅适用于中小功率。文献[11-12]分别提出了一种准Z源逆变器与倍压电路相结合的电压均衡器，实现了一体化拓扑设计。

本文提出一种基于多绕组的单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器，该结构只需要一个开关变换器即可实现对多个光伏组件的均衡且仅有2个开关管使得电路结构简单、成本低廉。该拓扑结构将组串输出母线电压作为均衡器的输入，多绕组输出分别接各个光伏组件。当某块光伏组件发生遮蔽时，相应的变换器输出绕组提供均衡电流将其两端电压调节至与未发生遮蔽光伏板两端电压相等，由于光照条件改变时光伏组件的最大功率点电压变化较小，因此可以认为该组件近似工作在最大工作点，从而实现了系统的自均衡，将被遮蔽组件的发电潜力释放，从而提升系统整体发电量。

1 光伏均衡器原理分析 1.1 光伏系统在局部遮蔽下的多峰值现象

在理想状况下，串联的光伏组件均无遮蔽且光照强度相等，因此在后级MPPT算法的控制下每块组件均工作在最大功率点。

但当某块或几块光伏组件发生遮蔽时，被遮蔽组件的电流输出能力便会降低，造成组串功率特性的多峰值问题，导致系统最大功率点难以跟踪。如图 1a)所示，当出现遮蔽时，系统出现了A, B 2个峰值点且均小于未遮蔽的峰值点。这时会出现2种不同工况：一种由于组串电流被拉低至遮蔽组件电流，会大大降低光伏组串整体发电量；另一种组串电流工作于未遮蔽组件的最大功率点，被遮蔽组件不能提供该电流而造成旁路二极管导通，从而将遮蔽组件电压钳位于负值，如图 1b)所示，造成该组件由发电转化为耗电从而造成“热斑”。

下面以3块光伏组件中的PV3组件发生遮蔽为例详细分析光伏组串的工作状态。

工况1：如图 2a)所示，此时2块未遮蔽组件的输出电流仍是后级MPPT追踪到的最大点电流I_MPPT。PV3由于发生遮蔽导致其电流输出能力降低，假设该电流为I_PV3。此时，PV3将不能提供电流，因此部分电流将会流过其旁路二极管，定义该电流为I_D则有

(1)

由于旁路二极管被导通，因此PV3板两端的电压将会被钳位在-0.7 V，PV3将会工作在第二象限。其将不发出功率而是吸收功率并造成“热斑”效应。此时，其他光伏组件仍然工作在最大功率点。这种情况即系统工作于MPP1点，其功率损失为

(2)

即组件PV3本应发出的功率和其损失的功率之和。

工况2：如图 2b)所示，后级MPPT算法追踪不到光照强度未发生改变时的最大功率点，而追踪到被遮蔽组件PV3最大功率点时，整个组串电流将会被拉低至PV3在遮蔽下的MPP点电流，假设为I′_PV3，则有

(3)

假设此时3块电池板的电压分别为U_PV1, U_PV2, U_PV3(其中U_PV1=U_PV2)。则功率损失为

(4)

1.2 光伏均衡器原理

光伏均衡器采用一个能量变换传输装置将未被遮蔽组件的部分功率转移到被遮蔽组件使其工作点发生改变从而提升系统发电量。这种能量传输装置可以是开关电容、开关电感、倍压单元以及DC-DC变换器等。除此之外，光伏均衡器的拓扑结构有板间均衡方式，母线到光伏组件等均衡方式。

如图 3所示，光伏均衡器采用一个DC-DC变换器来代替反并联二极管，让本应流过二极管的电流流经均衡器。有如下关系

(5)

式中：I_MPPT为正常光照强度下的最大功率点电流；I_DPP为流过均衡器的电流；I_PV3为流过被遮蔽光伏板的电流。

加入均衡器后，由于均衡器为一个DC-DC变换器，可以将光伏组件两端的电压控制在其最大功率点附近而非被旁路二极管钳位于负值。此时，被遮蔽的光伏组件将不再消耗功率而是输出功率，从而大幅提升光伏系统在遮蔽情况下的发电量。

2 基于单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器拓扑结构及工作原理

本文采用的是一种单输入多输出的推挽变换器拓扑，具有结构简单、采用的开关器件少、适用的功率场合大等优点。所提出的基于推挽变换器的单输入多输出光伏均衡器系统如图 4所示。共包含3个部分，光伏组串、光伏均衡器、MPPT模块。

当光伏组串工作在正常光照强度下且未发生遮蔽，均衡器不工作，后级MPPT模块正常工作，整个系统工作在最大功率，此时组串的电流为I_MPPT，如图 5a)所示，当PV3的光照强度发生突变，光伏均衡器开始工作分为4种模态。

1) 模态1：t₀-t₁。开关管S₁导通，S₂关断，变压器副边上正下负，二极管D₅正向偏置，i_D5上升。二极管D₆反向偏置而截止。均衡器从母线电压吸收能量，通过变压器为PV3及电感提供能量，电感电流i_L上升。

2) 模态2：t₁-t₂。开关管S₁和S₂均关断，二极管D₅, D₆均正向偏置导通，起到续流作用，二极管电流i_D5, i_D6下降。输出电感L₃放电为PV3提供能量，电感电流i_L下降。

3) 模态3：t₂-t₃。开关管S₂导通，S₁关断，变压器副边上正下负，二极管D₆正向偏置，i_D6上升。二极管D₅反向偏置而截止。均衡器从母线电压吸收能量，通过变压器为PV3及电感提供能量，电感电流i_L上升。

4) 模态4：t₃-t₄。开关管S₁和S₂均关断，上下2个二极管D₅, D₆均正向偏置导通，起到续流作用，二极管电流i_D5, i_D6下降。输出电感L₃放电为PV3提供能量，电感电流i_L下降。

其中，模态1和2分别如图 5b)及5c)所示，波形图如图 6所示。模态3和4与之类似，在此不再赘述。

通过将光伏均衡器代替被遮蔽组件PV3两端的旁路二极管，让本应流过二极管的电流流过均衡器，二极管将不会被导通，且遮蔽组件两端电压将会被控制在MPPT电压附近，使得光伏组件PV3近似工作在其最大功率点，其余未遮蔽组件均工作在其最大功率点，因而可以大幅提升光伏组串在遮蔽工况下的发电量。

相较于传统反激、正激变换器通常工作于几十至几百瓦功率等级，本文选用设计的单输入多输出的推挽变换器可适合于上千瓦的功率等级，特别适用于3~5块光伏组件构成的小型光伏系统，且开关数量少、电路构成简单、成本低廉。

3 仿真结果及分析

为验证所提出均衡器理论分析的正确性及可行性，在MATLAB/Simulink中对所设计的基于单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器进行仿真验证。图 7为仿真系统整体框图。其中，光伏组件采用simulink中自带的光伏组件模型，型号为1Soltec-h1STH-215-P，光伏组件的正常光照强度为1 000 W/m²。当光照强度为1 000 h，其最大功率点为U=29 V，I=7.35 A。

分别进行如下3种情况下的仿真分析：系统工作在MPP1点处、系统工作在MPP2点处、系统加入均衡器后的工作情况。

系统工作在MPP1点处仿真结果如图 8所示。PV1和PV2工作在正常光照强度即光照强度为1 000 W/m²，PV3工作在800 W/m²。图 8a)~8c)分别为各光伏板的工作电压、电流、功率。由仿真可见，PV1和PV2两端电压电流分别为29 V, 7.35 A, 功率为213.15 W，工作在该光照强度的最大功率点；PV3两端的电压电流分别为-0.8 V，6.2 A，功率为-4.96 W。P为3块电池板总功率为421.34 W。

说明此时PV3两端的电压被二极管钳位为负值，有部分电流流过二极管，流过PV3的电流不再为最大功率点电流而被拉低为遮蔽后光照强度的电流，PV3开始消耗功率，从而统验证了前文系统工作在MPP1点的理论分析。

系统工作在MPP2点的仿真结果如图 9所示。PV1和PV2工作在正常光照强度即1 000 W/m²，PV3在0~0.2 s工作在1 000 W/m²，0.2 s时刻光照强度从1 000突变为800 W/m²。图 9a))~9c)分别为3块光伏组件的电压、电流、功率。

在0~0.2 s过程中，3块光伏板电压、电流及功率分别为29 V, 7.35 A, 213.15 W，均在后级MPPT算法控制下工作在最大功率点；0.2 s时刻开始，光伏板PV1，PV2光照条件不变而PV3光照强度突变为800 W/m²，3块光伏组件的电流均变为6.1 A。这是由于PV3光照突变后电流减小，从而将整个光伏组串的电流拉低。由于电流条件发生了改变，因此PV1和PV2将偏离最大功率点，电压变为32 V，PV3两端的电压为26 V。此时3块组件的功率分别突变为195.2, 195.2, 158.6 W，总功率P为549 W。这说明整体组串电流被拉低为发生遮蔽的PV3电流，这样未遮蔽光伏组件两端的电压也将发生偏移，不再是最大功率点电压。因此，验证了前文系统工作在MPP2点的理论分析。

系统加入均衡器后的工作过程如下：0~0.1 s过程中，3块光伏组件均工作在正常光照条件下，0.1~0.3 s过程PV3光照强度突变为800 W/m²，0.3 s时将均衡器投入运行。

如图 10所示，0.3 s投入均衡器后，PV1和PV2电压和电流分别为29 V, 7.35 A，功率为213.15 W，这说明PV1和PV2在投入均衡器以后均工作在最大功率点。PV3两端电压和电流为27.8 V, 6.1 A，功率为169.58 W。3块电池板总功率为595.88 W。

在投入均衡器后，相较于MPP1点，发生遮蔽的光伏板释放功率将近似工作在最大功率点而非吸收功率；相较于MPP2点，未发生遮蔽组件均工作在正常光照条件下的最大功率点，而非工作在电流被拉低至与遮蔽后的电流值。这说明均衡器工作后，失配光伏系统的多峰现象将会消失，均衡器将会为被遮蔽组串提供均衡电流，使整个组串近似工作在最大功率点。

图 11为3种工况总功率的对比图，P_MPP1, P_MPP2, P_DPP分别表示系统工作在MPP1点、MPP2点及投入均衡器后的总功率，分别为421.34, 549, 595.88 W。与系统工作在MPP1点相比，加入均衡器后，系统功率增长174.54 W，增长率为41.4%；与系统工作在MPP2点相比，当加入均衡器后，系统功率增长为46.88 W，增长率为8.5%。

4 结论

针对光伏组件遮蔽现象引起的光伏系统的功率损失，本文提出了一种基于单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器，该均衡器具有拓扑结构简单、所用开关数量少、可用于中大功率场合等优点。对光伏系统发生遮蔽后的2种工作状态进行了分析；介绍了光伏均衡器的工作原理；对于所提光伏差分均衡器的拓扑结构及工作原理进行了详细的分析和说明；最后在MATLAB/simulink中进行仿真分析，得出了如下结论：

1) 当光伏组件发生遮蔽现象后将出现多峰值现象，导致最大功率点难以追踪。系统将会出现被遮蔽组件因反并联二极管导通消耗功率或整个组串电流被拉低至与被遮蔽组件电流相同2种工作状态，从而造成系统的功率损失。

2) 当系统发生遮蔽后，投入均衡器进行电流补偿，可以为遮蔽组件提供均衡电流，从而使其他未遮蔽板组件工作在最大功率点，且使遮蔽组件近似工作在最大功率点。

3) 组件失配光伏系统投入本文设计的基于单输入多输出推挽变换器的光伏均衡器后，系统总功率比其工作在MPP1点处提高了41.4%，比工作在MPP2处总功率提高了8.5%。

4) 本文设计的均衡器所处理的功率最大仅约30 W，均衡器自身的损耗仅数瓦，相较于600 W的系统总发电功率，均衡器损耗占比很小，因此本文未对均衡器自身的损耗进行详细分析，而重点关注了均衡器对系统发电量的提升作用。均衡器自身的损耗分析以及对系统的影响将在下一步研究工作中深入开展。