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光伏应用的体系结构和对子模块集成的直流-直流变换器的控制
摘要-本文介绍的光伏模块的体系结构是由子模块集成的直流-直流变换器(subMICs)并联而成的。这种结构能够提高光伏模块在部分阴影下或其他不匹配条件下的能量捕获效率。subMICs是双向隔离的直流-直流变换器，它能够通过注入或减少电流来平衡模块子串的电压。当不匹配不存在时,subMICs只是关闭,导致零插入损失。结果表明,最小subMIC的功率处理可以被看作一个线性规划问题得到解决。一种简单的接近最佳的分布式控制方法提出了允许自主subMIC控制而不需要中央控制器或任何subMICs之间的通信。此外,该控制方法能很好的用于一种隔离端口架构，这种架构所产生额外的实际优势包括减少subMIC功率和电压等级。这种体系结构和控制方法的有效性通过仿真和实验结果得到了验证。实验通过将三个双向反激变换器subMICs附加到一个标准为180-W，72-电池PV模块上，在不匹配小于25%的情况下，其运行的效率大于98%的模块级功率处理的效率。
索引词汇：直流-直流变换器，微分功率处理，分布式最大功率点跟踪，最大功率点跟踪(MPPT)，建模和电力电子器件的控制，光伏（PV）模块，可再生能源系统，子模块集成直流-直流变换器(subMICs)。
I.绪论
光伏（PV）系统通常由光伏模块串、并联构成，每个模块都由一串串联的光伏电池组成，如图1(a)所示。众所周知,在一个光伏系统的能量捕获中，由于制造公差,部分阴影,污垢,热梯度或器件老化而引起的不匹配会导致能量损失。由于流过串联的光伏电池的电流减小而导致这种不匹配在整体可用功率上产生不相称的影响。通常,旁路二极管与电池组(子串电池组)并联在一起，如图1(b)所示,以防止由于反向偏置的电池在故障运行时产生的功率损耗引起的热点而导致的电池故障[1]。然而,由文献[2]-[7]可知，旁路二极管的效率损失仍然显著。此外，不匹配的光伏模块或表现出非线性输出功率的光伏系统对有多个极大阻碍最大功率点（MPP）跟踪算法和结果的操作的输出电压特性需要在更宽范围的MPP电压下来操作光伏系统的功率电子器件。
人们对许多基于分布式电力电子功能的模块级的MPP跟踪（MPPT）的光伏架构已经进行了研究，其中包括直流–交流微逆变器，例如，[8]-[12]，或直流–直流模块集成转换器（MICs），例如，[13]-[15]。在这些方法中，不匹配的影响是通过执行模块级MPPT算法，以插入损耗为代价并且增加与分布式电源优化相关联的成本，这种分布式电源优化过程需要完整的光伏电源即使当它不存在不匹配时。此外，自从人们发现效率和能量捕获可以通过在光伏组件或系统中执行细粒度的MPPT得到进一步的提高，它对研究全功率处理模块级替代品的解决方案是很有意义的。
本文重点研究的光伏结构，如图1(c)所示，子模块集成的直流-直流转换器(subMICs)被配置为仅处理功率的失配分数，无插入损耗，并能够执行更精细粒度的MPPT[16]-[21]。应该注意的是，各种部分的功率处理方法适用于在电池系统中的主动电池平衡[22]-[25]也可应用于光伏组件和系统中。例如，该“混洗”电池平衡结构[22]的版本已经被应用到光伏系统[16]，[18]，[19]。同样地，图1(c)的体系结构已经被应用于电池平衡[24]，[25]和光伏系统[17]。一个基于分布式全部或部分功率处理转换器的光伏架构更为详细的回顾可以在[21]中研究发现。
本文概述了[17]和[21]中提出的架构，表明子模块集成的直流-直流转换器的最小功率处理可以通过将其转化为线性规划问题得到解决，可以采用双向子模块集成的直流-直流转换器和中央控制器来实现。之后将会介绍一种非常简单，接近最优的分布式控制方法，这种控制方法在子模块集成的直流-直流转换器中可以做到不需要一个中央控制器或者不需要任何控制的交流或者不需要传感信号之间传递的自主subMICs控制。这个简单的控制方法导致引入一个孤立的端口subMIC来提高光伏组件的架构，它提供了许多额外的实际操作中的优势。
本文安排如下。第二部分探讨了增强型子模块集成的直流-直流转换器的光伏模块架构中的功率处理问题，如图1(c)所示。并引入了一种可以平衡子串和非常适合独立端口增强型子模块集成的直流-直流转换器结构的简单的分布式控制方法。第三节描述了一个基于双向反激变换器而实现子模块集成的直流-直流转换器的例子，并提出系统建模和子模块集成的直流-直流转换器的控制器设计。仿真和验证体系结构和控制方法的实验结果将在第四节给出，其中三个双向反激式subMICs连接到一个标准的单晶180W，72片电池的光伏组件上。结论将在第五节给出。
图1 标准的和增强型的子模块集成的直流-直流转换器的光伏模块结构
II.增强型子模块集成的直流-直流转换器光伏模块的控制和功率处理
图1(a)表示一个由数控光伏电池串联而成的光伏模块的框图，根据各自对应的旁路二极管分为ns个子串，如图1(b)所示。为了说明所考虑的架构，以一个典型的72单元模块(Nc=72)与ns=3的子串为例，每个子串中包含24个电池单元。在正常操作下，子串电流Igi几乎完全一样，几乎完全相同的子串电压Vsub使子串正向偏置，这些使得最大功率点的电压Vmpp接近模块的额定值。在阳光照射不匹配(即，存在部分阴影)或者其他电池组之间不匹配的情况下，串联连接限制了输出电流的最小值。因此,即使是很小的不匹配也会对可用功率造成不成比例的影响[5]。此外，由于子串的电压是不同的，在缺少旁路二极管的情况下，那些反向偏置的子串所产生的较小的电流会导致热点的出现。旁路二极管[见图1(b)]防止这些热点的出现，并保护光伏组件免受潜在的破坏性影响。然而，当这样做时，不匹配的子串因形成短路而不产生输出功率。因此，不匹配的光伏模块表现出具有多个阻碍最大功率点算法操作的非线性特性，并导致需要在一个更宽的最大功率点电压范围内才能对光伏发电系统的电力电子器件进行操作。此外,当旁路二极管没有正向偏压时，不匹配的光伏模块在可用功率上具有相同的不成比例的影响如图1(a)所示。
作为旁路二极管操作的一个例子，就图2(a)中的光伏模块而言，其中两个子串在标称最大功率点（G2= G3=60瓦）下操作，而第三个子串是不匹配的，它产生的功率仅为其标称功率的一半（G1= 30 W）。如图3所示，旁路二极管都不导通，当一个局部的最大功率点存在于这种情况下时，这三个子串产生大致相同的功率，以便使Pmod asymp; 90 W。然而，当子串1被它自己的旁路二极管短路时，所有的最大功率点都会出现，子串2和子串3能够供应它们产生的所有功率使得Pmod asymp; 120 W。应该注意的是,理想的可用功率是G = G1 G2 G3 = 150 W,与此同时可以看到最大输出功率的输出只有Pmodasymp;120 W。因此,模块级的功率处理效率在本例中仅为80%。此外，整体的最大功率点都达到了一个远大于标称最大功率点电压的输出电压。
图1(c)所示的光伏模块架构与图1(b)相同，只是其中的旁路二极管被子模块集成的直流-直流转换器所替代。每个子模块集成的直流-直流转换器的原边与每个子串并联连接，直接更换相应的旁路二极管。二次侧并联连接在模块的输出上，这就是为什么子模块集成的直流-直流转换器可以作为直流-直流转换器实现隔离。
在条件完全匹配的情况下，子模块集成的直流-直流转化器只是简单的闭合，就可以使模块级的功率处理效率达到100%。在不匹配的情况下，子模块集成的直流-直流转化器只需要处理部分必要的电源功率来平衡子串即可。在这种情况下，除了少量在子模块集成的直流-直流转换器中损耗的功率，其他子模块集成的直流-直流转换器中输出的可用功率都可以用来使子串的电流达到平衡。因此，模块级功率处理效率可以很高。
在图2(b)和图2(c)中描述了与图2(a)例子相同情况下增强型子模块集成的直流-直流转换器。例如，在图2(b)中,子模块集成的直流-直流转化器 2和3获取必要的电流来实现子串之间的功率平衡。忽略子模块集成的直流-直流转化器的功率损耗，输出功率为Pmod asymp; G1 G2 G3 =150 W，由子模块集成的直流-直流转换器处理的功率等于P = P2 P3 = 60 W. 同样地,图2(c)显示了同一失配情况下的另一种解决方案，其中子模块集成的直流-直流转换器1只需要注入一定量的电流与子串1并联就可以达到相同的平衡效果。注意，在本例中，只有一个子模块集成的直流-直流转换器可以处理功率，其总体的处理功率为P = P1 = 30 W。
这个例子中有两个重要的事实：1）相同的失配情况下可以存在多个解决方案，其中最佳的解决方案与最少的处理功率产生最大的模块级效率；2）因为最佳的解决方案需要注入或获取子串的电流，所以子模块集成的直流-直流转换器应为双向直流-直流转换器才能实现要求。
图2 光伏模块子串操作控制结构图#1与标称功率的50%不匹配
如果功率处理的损失忽略不计，则子模块集成的直流-直流转换器处理的结果如图3所示。需要注意的是，与使用旁路二极管的情况相比，该子模块集成的直流-直流转化器不仅明显输出更高的输出功率而且该增强型子模块直流-直流转化器的输出电压具有线性特性，也同样使一个最大功率点电压一直保持接近额定值。
图3 带旁路二极管和直流-直流转换器的光伏模块的功率-电压特性
下一节解决多个平衡解的问题，并介绍一种可以用一个中央模块级控制器实现平衡的最佳方法。然后，还会在第II-B节介绍和分析一种可供选择的次优的策略。这种方法可以用一些简单的分布式子模块集成的直流-直流转换器的控制器来实现。
- 最优功率处理
一个拥有ns个子串的光伏模块在一般情况下，所参考的示例遵循相同的标记符号后，各个子串所产生的功率可以写做G1,hellip;hellip;,Gns和各个由子模块集成的直流-直流转换器所处理的功率可以记为P1,hellip;hellip;,Pns。最优潮流计算可以构成一个线性规划问题如下所示：
min P = |P1 | · · · |Pns|
服从于 G1 minus; P1 = G2 minus; P2
... （1）
Gnsminus;1 minus; Pnsminus;1 = Gns – Pns
P是子模块集成的直流-直流转换器处理的总功率。通过上面的方程组可以得出当所有子串功率都平衡时P的最小值。再次注意，因为子模块集成的直流-直流转换器是双向的，所以其处理的功率Pi既可以是有功功率也可以是无功功率。因此，一般情况下，不止一个解决方案可以得到相同的Plowast;值来实现最优解。
一种最优的控制方法可以用一个中央控制器来实现。它可以是各种不同的简化，这取决于子模块集成的直流-直流转化器是如何实现的。例如，当子模块集成的直流-直流转化器被用作直流-直流转换器工作在不连续导通模式（DCM）时，不需要检测子串的电流。这意味着电流指令iref 可以被当做占空比的控制指令来执行，进一步的解释会在第三节进行。在这种情况下，子串电压和子模块集成的直流-直流转换器的占空比可以被用来估算子串产生的功率，然后在每个采样时间内，线性规划问题(1)都可以得到解决，并为不同的子模块集成的直流-直流转化器产生新的控制指令。这种方法的一种可能实现的框图如图4(a)所示，使用一个中央控制器和一个模块级电流传感器，这个电流传感器同样可以看做是由下游电力电子器件控制用于最大功率点跟踪的电流传感器(例如，由模块提供的微逆变器)。控制算法的流程图如图5所示。如图4(a)所示，这个方法的一个缺点是中央控制器必须检测多个电压并给子模块集成的直流-直流转化器发出多个参考信号。另一种可供选择的，并且更简单的控制方法将在下一节中介绍。
图4 带一个中央控制器的最优功率转化
图5 一个能够实现最优功率转化的控制器的流程图
- 分布式子模块集成的直流-直流转换器控制
在本节提出了一种不需要中央控制器的可供选择的控制方法。这种方法允许每个子模块集成的直流-直流转换器都独立受控于各自对应的控制器。在接下来的讨论中，我们假定增强型集成的直流-直流转换器光伏模块被连接在一个转换器上(例如，一个微逆变器)，我们可以使用多种现有的方法中的一种方法来使它实现传统的最大功率点跟踪。模块的输出电压被设定为最大功率点电压值vmod 等于Vmod。
假设每个子串都拥有相同数量的电池片数，则功率平衡就可以通过平衡子串电压来实现[19]。尽管子串的最大功率点电压可能会随着操作条件（如温度和辐照度）而发生改变，但是我们假定这些变化可以被认为是相对较小的。这个条件限制将会在第IV-D节更进一步的讨论。图4（b）显示了一个子串和与之对应的子模块集成的直流-直流转换器控制子串电压使之达到一个参考值
为此，注入的电流或者被子模块集成的直流-直流转换器接受的电流ipri都可以被设定用来跟踪一个参考电流值iref，这是一个函数范围内的电压误差
K(s)是一个传递函数为有限的直流增益为K的控制器。应该注意的是,这种子模块集成的直流-直流转化器的控制器不需要一个中央控制器，或者不需要任何在子模块集成的直流-直流转化器之间传递传感信号或控制信号，就可以实现自主操作。此外,如果K(s)是低阶的,它可以通过使用标准的低成本的模拟或数字设备来实现控
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