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1、IEEE电力电子学报, VOL. 16, NO. 3, 2001-3 2012-3-16光伏发电控制电路模块本文是对外文论文的翻译摘自IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 16, NO. 3, MAY 2001 293 Generation Control Circuit for Photovoltaic ModulesToshihisa Shimizu, Member, IEEE, Masaki Hirakata, Tomoya Kamezawa, and Hisao Watanabe）Toshihisa Shimizu, Member,
2、IEEE, Masaki Hirakata, Tomoya Kamezawa, and Hisao Watanabe摘要：为了进行有效的控制驱动逆变器，通常把光伏组件串联来产生所需电压。然而，即使是很小的一部分光伏模块（PV模块）被阻止接受光，光伏模块产生的电量会按比例降低。这比期望的降低的要多是因为光伏组件没有接受足够的光照而不能在正常工作点上运行，而是在负荷上运行。结果，即使仅仅一小部分的光伏组件被遮蔽，也会使来自光伏模块总功率降低。在本文所说的一种新意的电路，作为发电控制电路（GCC）参考。即使一些模块被阻止接收光照，它也能从所有光伏模块中获得最大电量。这种计划电路使个人光伏组件有效的运
3、作在最大功率跟踪点上，而不用考虑PV模块的连接系统。此外，总功率产生实验表明为了提高实验设置用于当前研究。关键字：交流交互式逆变器，多级斩波器，光伏模块。串，并联连接的光伏模块（a） 串联模块 （b）并联模块第一部分 简介现在，对保护全球环境重要性认识越来越高，呼吁各个领域有效地利用能源。因此，不但在方法上节约能源，而且也从发展新能方面开始研究。太阳能电池被认为是一种新能源，在过去的几十年里，人们在这个领域进行了大量的研究。结果，主要的不足是光伏发电相关的应用。诸如最初的成本，发电的效率和可靠性。现在不再是重大的问题。光伏发电是一种灵活的发电方式，它可运用于大，小型发电站等等，这些电站可以在任
4、何地方小到3KVA大到100KVA。最近几年，小功率的太阳能发电系统在家庭中已经越来越多的设计安装使用。然而，尤其是在城市地区，各种问题限制光伏发电的有效性和经济可行性。典型的城市家庭一般都在屋顶安装有一个光伏发电系统。此外除了阴天，周围的房屋，树木电话线和电力线路有时也会部分覆盖这些光伏组件。在传统的光伏发电系统中，这些遮挡使发电在一个更大程度上比最初的预期降低了，因此建造成本增加，安装在屋顶的太阳能板数量必须增加，结果，光伏发电不是很受吸引。因此，目前研制出了一种新的电路，被称为发电控制电路（GCC），既是一些光伏组件被遮蔽，它也能发电。用这种方法，GCC单独的控制每一个光伏模块，包括被遮
5、住的模块，以此来让每个模块产生最大的功率。这样让发电总量的降低减少到最小。在文章中，串并联电路的特性和问题已讨论过，下一步，下一代的原则，提出了控制电路运作关系来解决上述问题。两种类型的实际电路结构，以满足GCC的同时提出了这些配置的控制方案作了简要的论述。第二部分 光伏组件及连接方式的相关问题A 连接方式在光伏发电系统，多光伏组件一般是并联的,以此来充分实现直流电压的高转换效率在交流转换中的应用。此外,传统的PV模块是由几个太阳能电池连接起来的,如上图(a)所示。图(b)所显示的测量结果是光伏模块上的一些光伏电池覆盖了一层阴影时所产生的电流。很明显,即使是最轻微的阴影覆盖在PV模块上时，总功
6、率也有明显的下降。因此,在相同的发电情况下，光伏发电系统中处在阴影下的光伏组件是不能进行正常工作的，这种情况应当去检查一下。当无阴影覆盖光伏模块及有阴影覆盖光伏模块并联连接时,每个PV模块所产生的电压是固定的，并在整个光伏发电系统中相同。并且从每个PV模块中产生的电流流动不受限制,如图1（b）所示。换句话说,光伏系统输出的电压变为了单个模块输出的电压，输出的电流为每个模块产生电流的总和。相反,当每个PV模块串联连接时，每个模块中都会通过相同的电流，输出的电压为每一个模块所产生电压的总和。然而,每一个模块的电压是有电流大小所决定,而这又取决于产生的条件。因此,理想的电压并不总是从每个PV模块中得
7、到的。特别是,当一些光伏组件没有足够的电流产生时,就如图2(a)和(b),光伏模块中的电压大大减小了，总的发电量也大幅度降低。在接下来的章节中，通过考虑工作点来阐明串联连接光伏模块和并联连接光伏模块中的个别条件。B并联运行光伏组件图3(a)表明两并联光伏模块的特性和V-I曲线的产生有不同的生成条件。在图中,PV1和PV2分别代表有阴影覆盖模块和无阴影覆盖模块。在并联连接中,所产生的电压和每个模块电压相同。因此,每个PV模块工作点是通过和运行线的交点以及每个模块的V-I曲线来考虑的,其中的运行线就类似于y轴（例如，Pa,Pb和Pc）。当光伏系统的输出电流从0上升到最大值时，每个光伏模块的工作点的
8、移动如图3（b）所示，PV1中Pa1Pb1Pc1和PV2中的Pa2Pb2Pc2，该运行特点表明,不仅无阴影覆盖模块而且有阴影覆盖模块都能在该地区运行。因此，这些模块总的输出功率特性，P-V曲线都可以从图3（b）中获得。此外，输出总功率Ptotal可以通过 Ptotal=P1out+P2out (1)P1out:PV1模块产生的功率，P2out：PV2：模块产生的功率.如果每个电压等效在最大功率点，则输出功率Ptotalmax,可以在最大功率点获得Ptotal max=P1 max+P2 max (2)P1 max和P2 max分别代表PV1 PV2的最大功率。 C 光伏发电模块中的串联操作 图
9、4两并联连接的光伏模块特性（a）I-V特性，（b）P-V特性图4（a）显示了在上图3 (a)所示的条件下，光伏串联模块的V-I曲线，在串联连接中，每一模块产生的电流相同。因此，每个光伏模块的工作点是通过操作线的交点来考虑的。这些交点就是平行于x轴的虚线（例如Sa,Sb,Sc,和Sd）与每个光伏模块V-I曲线的交点。当光伏模块的电流从0增到最大值时，每个光伏模块的工作点就如图4（a）所示移动。模块1从Sa1Sb1Sc1Sd1和模块2从Sa2Sb2ScSd2. Sb工作曲线中，有阴影遮蔽的光伏模块PV1能达到其最大功率，然而没有阴影遮蔽的光伏模块PV2却不能达到其最大功率。当工作线移到Sc时,PV
10、1和PV2的工作点将分别转移到点sc1和sc2，同时PV2的功率提高了。然而PV1的工作点sc1移到了负电压区域，因为从PV2产生的电流通过与PV1模块反并联连接的旁路二极管流过，因此PV1模块产生的功率变为了负功率，这意味着有阴影遮蔽的光伏模块不能产生电，且引起电量的丢失。在Sd工作线中，没有阴影遮蔽的光伏模块PV2产生的最大功率为P2 max,有阴影遮蔽的PV1损失的功率为Ploss1,因此系统的输出功率Pout降为Ptotal=Pout2 max- Ploss1 (3)这个光伏系统输出总功率的特性和P-V曲线可以以同样的方式在图4（b）中获得。两个功率峰值点存在，但是这些峰值点的输出功率
11、比图3（b）所示并联连接时输出的要少的多。 尽管在本文中只描述了两种光伏连接模块，但多模块串联连接方式中功率减少的机制是类似于上述两模块连接方式的。 第三部分 发电控制电路A. 发电控制电路的工作原理（GCC）图5发电控制电路的工作原理（a）A型 （b）B型图5(a)和（b）为所拟定控制电路的工作原理，它是有m个光伏模块串联起来的。这个发电控制电路拥有从X1到Xm多重电压源，V1到Vm等同于输出电压Vout.同时电压源X1到Xm分别并联到光伏模块PV1到PVm。如图5（a）电路所示，不仅是本系统的输出功率，同时也是串联控制模块提供输出端子的GCC的功率。因此，而这些电压源产生正的输出功率，其他
12、电压源产生负的输出功率，因此，所有这些功率的总和应该是零。然而，在图5（b）所示的电路中电压源从V1到Vm, 由于输入端子GCC在两个方面产生积极或消极的输出功率，然Pc和Nc在图5（a）中就不存在，因此，一些电压源产生正的输出功率，其他一些产生负的输出功率，因此，所有这些功率的总和应该是零。 在图5（a）所示，假定Im为最大电流 (4) Im与Ii通过电压源Xi提供，使Pvi模块维持电压为Vi.因此，在发电控制电路中，总的输出功率Pout和输入功率Pin可以通过如下公式计算 Pout=(Im-Ii) (5) Pin=VoutIc （6）Ic是GCC输出的电流假设GCC的损失功率是微不足道的，
13、因此GCC的输出功率就等于输入功率。(Im-Ii)= VoutIc （7）并且输出电流Iout和输出功率Pout可以分别用公式（8），（9）计算Iout=Im-Ic=Ii (8)Pout=VoutIout=Ii （9）等式（9）表明尽管各自的电流不相吻合，但每个光伏模块都根据所期望的电压产生自己的功率，更进一步说明，来自系统输出端的功率就等于这些光伏模块产生的功率之和。在图5（b）所示，公式（6）输入功率一定是0，因为没有电流Ic的输入端子，如图5（a）所示，因此输出电流Iout就等于Im。然而，从I1到Im没有电流的限制。因此，当Iout-Ii是正值时，能量从Xi转移到PVi,当Iout-I
14、i是负值时，能量从PVi到Xi,且这些总功率之和为0。因此公式（5）可以修改为(Im-Ii) =0 （10）输出电流可以按如下计算Iout=Ii （11）因此系统输出功率可以通过公式（9）获得。B. 发电控制电路的电路工作结构图7 .GCC中的DC/DC变换工作波形图8. 基于多级斩波器的发电控制电路的结构图9 GCC的多级斩波门信号图6和图8显示了所提出的GCC实际电路结构，并且图5（a）和（b）分别表明了各自的原理。图6显示了有多个电压输出的DC/DC转换器的电路结构。当输出电压源的数量是按V/m计算时，DC/DC的每一输出电压是受控制的。由于输出电压不能单独控制，因此，每个光伏模块要产生精确的电压是难以实现。然而，在有阴影遮蔽的光伏模块中可以阻止严重的功耗。这种如图7所示的DC/DC转换拓扑结构的最有利的特点是简单，易于控制。
