常見(jiàn)光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方法綜述*

丁 坤，王 祥，翟泉新，徐俊偉，張經(jīng)煒

（1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；

2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產(chǎn)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213022）

常見(jiàn)光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方法綜述*

丁 坤1，2，王 祥1，翟泉新1，徐俊偉1，張經(jīng)煒1

（1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；

2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產(chǎn)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213022）

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中由于環(huán)境和光伏系統(tǒng)本身失配造成的輸出功率降低問(wèn)題，將系統(tǒng)拓?fù)渲貥?gòu)技術(shù)應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)中。在應(yīng)對(duì)失配條件時(shí)，目前常采用的增加光伏系統(tǒng)輸出功率的方法是使用改進(jìn)的最大功率跟蹤方法，然而該類方法已被廣泛研究和漸趨成熟，而為了使得光伏系統(tǒng)的輸出性能更加優(yōu)化，對(duì)光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究已日益受到關(guān)注，不同工作環(huán)境下對(duì)光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)的方法對(duì)于整個(gè)光伏系統(tǒng)輸出性能的提高有著重大意義。開(kāi)展了常用光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)策略的研究，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)各種光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方法進(jìn)行了評(píng)估。研究結(jié)果表明，面對(duì)不同工作環(huán)境時(shí)選擇合適的光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可以有效提高光伏陣列的輸出特性。

光伏系統(tǒng)；失配；陣列拓?fù)?/p>

0 引 言

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中，由于樹(shù)木、云朵或建筑物對(duì)光伏陣列的遮蔽，以及光伏系統(tǒng)中某些組件損壞造成的失配，此時(shí)整個(gè)光伏系統(tǒng)輸出的功率與所受輻照度不成正比。在某些光伏系統(tǒng)中，由于失配造成的輸出損失年均可以達(dá)到10%［1-2］，在光伏系統(tǒng)中減少由失配造成的輸出損失有著積極的意義。目前，普遍使用的用于減少失配的方法是多個(gè)組件并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。利用并聯(lián)旁路二極管給失配組件提供低阻抗能量通路［3-4］，但失配光伏組件承受反壓而不能發(fā)電，此外旁路二極管的導(dǎo)通導(dǎo)致了多個(gè)局部最大功率點(diǎn)的出現(xiàn)，需要復(fù)雜的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)。

目前，常見(jiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)中常應(yīng)用的是集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將組件串聯(lián)成一串，然后通過(guò)多串組件并聯(lián)輸出來(lái)構(gòu)成整個(gè)光伏陣列。然而在實(shí)際應(yīng)用的情況中，當(dāng)光伏系統(tǒng)失配時(shí)，集中式拓?fù)淙菀自斐奢^大的損失［5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相同失配條件下的光伏系統(tǒng)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了大量的研究和分析實(shí)驗(yàn)，提出對(duì)于不同失配條件下使用不同的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以增加整個(gè)光伏系統(tǒng)的最大功率的輸出。本研究基于不同的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)策略進(jìn)行分類及概括討論。

1 小型光伏陣列串并聯(lián)拓?fù)渲貥?gòu)

對(duì)于少量組件構(gòu)成的小型光伏陣列，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地使用開(kāi)關(guān)管和二極管電路來(lái)連接光伏組件，實(shí)現(xiàn)小型光伏系統(tǒng)拓?fù)渲貥?gòu)［6］。4個(gè)光伏模塊PV1、PV2、PV3、PV4的重構(gòu)電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖1展現(xiàn)了串聯(lián)、并聯(lián)、兩串兩并3種結(jié)構(gòu)的重構(gòu)控制過(guò)程。通過(guò)分析可知，對(duì)于4個(gè)模塊的兩并兩串連接方式，相比于過(guò)往所使用的方法［7］，只用了較少的開(kāi)關(guān)和二極管，就可實(shí)現(xiàn)了更多的電氣結(jié)構(gòu)，在遮陰條件下有更多的結(jié)構(gòu)選擇。

圖1 串聯(lián)、并聯(lián)、兩串兩并結(jié)構(gòu)重構(gòu)

這種拓?fù)渲貥?gòu)的方法，對(duì)不同輸出電壓、電流要求的場(chǎng)合，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，大多被應(yīng)用在小型的光伏系統(tǒng)中，諸如太陽(yáng)能電力汽車、太陽(yáng)能路燈等小型的光伏系統(tǒng)中［8-10］。其對(duì)參數(shù)的依賴程度不高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)取決于實(shí)際需求，在這類小型光伏陣列中被廣泛應(yīng)用。

2 集中式結(jié)構(gòu)拓?fù)渲貥?gòu)方式

目前光伏陣列應(yīng)用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為SP（seriesparallel）型，BL（bridge-link）型，TCT（total-cross-tied）型［11］。

過(guò)往研究中，有關(guān)學(xué)者比較上述3種拓?fù)浞绞降膬?yōu)、缺點(diǎn)和輸出功率增加和成本，提出了計(jì)算不同結(jié)構(gòu)可靠性的方法［12］，得出了SP、BL、TCT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性指數(shù)［13］。

有學(xué)者提出［14］，針對(duì)SP結(jié)構(gòu)，在其發(fā)生失配時(shí)，根據(jù)各組件環(huán)境參數(shù)（輻照度和溫度），確定其短路電流和開(kāi)路電壓，通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，轉(zhuǎn)換成其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輪流地使用SP，BL，TCT拓?fù)?。通過(guò)對(duì)一系列復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究一遍獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)來(lái)輸出功率［15］。也有其他文獻(xiàn)［16-18］提出了針對(duì)不同工況對(duì)陣列進(jìn)行改變，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及輸出功率和成本的協(xié)調(diào)。

對(duì)于集中式系統(tǒng)，由于目前大部分大型光伏系統(tǒng)采用的是SP結(jié)構(gòu)，當(dāng)失配發(fā)生程度較小時(shí)，對(duì)整個(gè)陣列功率輸出影響不大。但對(duì)在城市中的分布式光伏系統(tǒng)，面對(duì)城市多變環(huán)境和失配情況，這類拓?fù)渲貥?gòu)的功率輸出有明顯增長(zhǎng)。

3 輻照平衡原理光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)

依據(jù)輻照平衡（irradiance equalization）原理［19］，研究者可通過(guò)控制智能開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)平衡陣列拓?fù)涔?jié)點(diǎn)處的輻照大小，從而直接減少部分陰影產(chǎn)生的電流限制的影響。

3.1 利用功率補(bǔ)償單元進(jìn)行重構(gòu)

通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)光伏組件上并聯(lián)功率補(bǔ)償單元，根據(jù)各光伏組件之間的輻照強(qiáng)度不均情況進(jìn)行處理，并聯(lián)補(bǔ)償單元如圖2所示。在光伏陣列中，光伏組件進(jìn)行串、并聯(lián)，某個(gè)組件由于自身局部陰影造成功率較少時(shí)，通過(guò)給其并聯(lián)補(bǔ)償單元以達(dá)到與其他組件相同的輸出狀態(tài)。其輸出的I-V特性曲線只有一個(gè)峰值點(diǎn)，具有后級(jí)控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)有多個(gè)組件發(fā)生陰影時(shí)，需要用到較多的并聯(lián)補(bǔ)償單元，成本昂貴。這種方法常常采用電力電子變換器作為補(bǔ)償單元，通過(guò)控制該變換器對(duì)每個(gè)組件的輸出電壓進(jìn)行控制［20-21］。

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償單元

通過(guò)采用并聯(lián)的電力儲(chǔ)存單元組件進(jìn)行補(bǔ)償［22］，通過(guò)使用獨(dú)立的電力儲(chǔ)存單元，當(dāng)組件失配時(shí)，并聯(lián)在組件旁的電容就和失配組件并聯(lián)共同輸出，補(bǔ)償陣列輸出功率。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)單一組件來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)該方法提高效率達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)［23］，但是對(duì)整個(gè)陣列影響時(shí)，會(huì)大大增加成本。

3.2 全局重構(gòu)

通過(guò)移動(dòng)陣列中的組件的方式，來(lái)減少失配的損失［24］，在失配條件下，對(duì)整個(gè)光伏陣列進(jìn)行整體重構(gòu)，可以大量地提高整個(gè)陣列的輸出功率。

在整體重構(gòu)中，可以用來(lái)重新配置整個(gè)光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣開(kāi)關(guān)被廣泛應(yīng)用，研究者通過(guò)使用矩陣開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行電子化陣列（Electrical Array Reconfigu?ration，EAR）的重構(gòu)，最大限度地通過(guò)近似條件下相近組件來(lái)最大化陣列直流功率的輸出。

由光伏組件與逆變器共同組成的光伏系統(tǒng)中，全局重構(gòu)框圖如圖3所示，通過(guò)控制矩陣開(kāi)關(guān)的通斷，可以分別完成下述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全局重構(gòu)，達(dá)到不同工作條件下所需拓?fù)浞绞剑?5］。

圖3 全局重構(gòu)框圖

對(duì)于使用分布式系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)生失配時(shí)，該系統(tǒng)可以控制每個(gè)光伏組件都工作在其最大功率點(diǎn)，因此可以控制整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率最大。但是實(shí)際應(yīng)用中，失配的組件可能只是一小部分，或者考慮到經(jīng)濟(jì)因素以及成本原因，不需要每個(gè)組件都接逆變器，因此該系統(tǒng)通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)可以根據(jù)不同的失配情況，控制多個(gè)組件和一個(gè)逆變器相連共同輸出，以此優(yōu)化整個(gè)陣列輸出功率和成本的協(xié)調(diào)。典型全局重構(gòu)方式如圖4所示。

圖4中，開(kāi)關(guān)Ssr用于控制各組件之間的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)Sby用于允許組件從結(jié)構(gòu)的移除，開(kāi)關(guān)Spu和Spd分別用于連接正端總線和負(fù)端總線，以實(shí)現(xiàn)各組件的并聯(lián)。通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)控制上述不同功能的開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)不同組件和逆變器的接入方式。

圖4 典型全局重構(gòu)的方式

對(duì)于正常工作的組件，控制器將有效的組件組成一串；當(dāng)控制器檢查以下各組件時(shí)，其工作狀態(tài)與上一個(gè)相同且上述串沒(méi)有達(dá)到飽和（由輸出電壓決定）則串聯(lián)入上述串，如果飽和，重新串聯(lián)入另一串；如果檢測(cè)到組件處于失配狀態(tài)，控制器不將該組件聯(lián)入串，并旁路這個(gè)失配組件。

H.Noguchi，J.Tani，Y.Shimai等人［26-28］對(duì)全局重構(gòu)的方法進(jìn)行了分析。此類方法也被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。對(duì)陣列在發(fā)生失配的情況下，全局重構(gòu)比起簡(jiǎn)單的TCT結(jié)構(gòu)以及局部重構(gòu)要帶來(lái)更大的功率增加，但是，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)和傳感器大量增加，重構(gòu)算法復(fù)雜較難實(shí)現(xiàn)，因此使用并不廣泛，多處于理論階段［29］。

3.3 局部重構(gòu)

在輻照平衡的基礎(chǔ)上，主要被應(yīng)用的光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方式是局部重構(gòu)。該方式通過(guò)改變光伏陣列中組件的連接方式，用沒(méi)有陰影的光伏組件去補(bǔ)償被遮陰的光伏組件［30］。同時(shí)也有文獻(xiàn)［31］提出光伏陣列呈現(xiàn)出一個(gè)擁有自有電容調(diào)節(jié)的用于實(shí)時(shí)適應(yīng)光伏發(fā)電的外部操作條件。

含自適應(yīng)庫(kù)的局部重構(gòu)如圖5所示，該方式使用固定的TCT結(jié)構(gòu)以及可調(diào)節(jié)的自適應(yīng)部分［32］，其控制策略同樣基于輻照平衡原理，將光伏陣列中組件通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)分成兩部分，固定結(jié)構(gòu)輸出部分和作為自適應(yīng)庫(kù)的部分。當(dāng)陣列上出現(xiàn)陰影的時(shí)候，通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)的通斷，利用自適應(yīng)庫(kù)的組件匹配固定結(jié)構(gòu)中低輸出點(diǎn)的部分通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)的控制，改變組件的分布，使得TCT結(jié)構(gòu)中每一行的輸出趨于平衡，利用矩陣開(kāi)關(guān)的通斷，重構(gòu)陣列，來(lái)緩和輻照失調(diào)，通過(guò)TCT結(jié)構(gòu)的智能連接，達(dá)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輻照區(qū)域平緩。這樣，即使所有節(jié)點(diǎn)電流都工作在單個(gè)組件的最大功率點(diǎn)電流以下時(shí)，整個(gè)陣列的輸出電壓仍可保持在一個(gè)可以預(yù)估的等級(jí)上。

圖5 含自適應(yīng)庫(kù)的局部重構(gòu)

通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)的控制，可以將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與智能控制電路相結(jié)合，方便進(jìn)行快速變化的陰影以及不同失配情況時(shí)光伏陣列結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。將陣列分為固定部分和自適應(yīng)庫(kù)類似的方法，部分組件專門用于補(bǔ)償發(fā)生失配時(shí)陣列某些行的損失，雖然可以提高整個(gè)系統(tǒng)輸出功率，但是用于補(bǔ)償?shù)慕M件在平時(shí)輸出功率就浪費(fèi)了。同時(shí)對(duì)于并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，也有人提出了在組件層次上的重構(gòu)方法。上述這些方法仍然是基于輻照度平衡的重構(gòu)策略。

對(duì)于陣列中組件局部重構(gòu)，當(dāng)失配情況嚴(yán)重時(shí)，自適應(yīng)庫(kù)不能完全匹配固定結(jié)構(gòu)的功率缺失，并且其控制算法復(fù)雜。而對(duì)于使用分布式MPPT控制的光伏陣列，需要考慮到當(dāng)每個(gè)組件或者每條支路都使用組件優(yōu)化器，大大增加了成本。

局部重構(gòu)方法結(jié)合了輻照平衡原理對(duì)整體重構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其適用于全部光伏系統(tǒng)，由于該方法能夠針對(duì)不同失配情況作出調(diào)整，對(duì)于輸出功率有明顯提高，并且由于改變的只是部分結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也相應(yīng)減少。不過(guò)其拓?fù)浞绞礁淖兪艿綇?fù)雜判定方法的局限，但是相對(duì)于整體重構(gòu)其復(fù)雜性有了顯著改善。

本研究所述的各光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方法優(yōu)劣比較如表1所示。

表1 光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)方法比較

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)對(duì)于光伏陣列失配條件下拓?fù)渲貥?gòu)的策略，若干文獻(xiàn)提出了相應(yīng)的解決方法，本研究對(duì)這些方法進(jìn)行了詳盡的總結(jié)和分析，并比較了其優(yōu)、缺點(diǎn)。

本研究對(duì)光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)策略進(jìn)行了分析和比較，為后續(xù)研究工作提供了鋪墊。

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本文引用格式：

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《機(jī)電工程》雜志：http：//www.meem.com.cn

Review of common PV array topology reconfiguration methods

DING Kun1，2，WANG Xiang1，ZHAI Quan-xin1，XV Jun-wei1，ZHANG Jing-wei1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；
2.Changzhou Key Laboratory of Photovoltaic System Integration&Production Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

Aiming at solving the problem of power reduction due to the mismatch caused by the environment and the system itself in a PV system，the system topology reconstruction technology was investigated in PV generation system.To deal with the mismatch condition，at present，the method commonly used to increase output power of PV system is using improved method of maximum power tracking，however this method has been widely studied，and in order to improve the output performance of PV system，the study on PV system topology is caused increasingly attention.Under different operation conditions，study on the topology of PV system reconstruction method to improve output power has much more significance.After analysis of plenty of commonly used PV array topology reconfiguration strategies，on the basis of comparing their advantages and disadvantages，the PV array topology reconstruction methods were evaluated.The results indicate that，choosing the appropriate PV array topology when under different operation conditions can improve output performance of the PV array.

photovoltaic（PV）system；mismatch；array topology

TM615；TP24

A

1001-4551（2014）04-0507-05

10.3969/j.issn.1001-4551.2014.04.022

2013-11-25

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20131134）

丁 坤（1975-），男，福建泉州人，博士，副教授，主要從事光伏發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)方面的研究.E-mail：dkhhu@163.com

［編輯：李 輝］