基于局部陰影遮擋下的光伏組件效率提升優化控制技術及實驗分析

譚建斌 歐陽萍 段春艷 江 洋

（佛山職業技術學院電子信息學院，廣東 佛山 528137）

根據國家能源局公布數據，截止2021 年底，全國光伏發電并網裝機容量達到3.1 億千瓦，這也是自2014 年以來連續7 年位列世界首位。在我國光伏發電產業蓬勃發展的背景下，光伏組件運行效率不高成為產業發展道路上必須要解決的問題之一。研究表明，目前應用最為廣泛的多晶硅光伏組件，其光電轉換效率不足20%；個別新型材料的轉換效率雖然能達到30%，但是材料成本較高，現階段還無法全面普及。其中，日照強度不足是影響光伏電池輸出功率的一個主要因素，因此如何提高陰影遮擋下光伏組件的轉換效率和輸出功率成為該領域需要重點攻克的技術難題之一。

1 局部陰影遮擋下光伏組件輸出特性分析

1.1 局部陰影遮擋下光伏組件輸出變化

在正常接受光照的情況下，光伏組件能夠將光能轉化為電能，這些電能經過穩壓器的穩壓處理后存儲起來；如果存在局部陰影遮擋，那么陰影下的光伏電池會作為負載持續消耗能量并出現升溫、發燙的情況。如果陰影持續時間較長，則陰影區域還會出現熱斑，導致光伏組件局部損壞。為更加直觀地表示局部陰影下光伏電池的輸出特性，選擇三塊光伏電池進行串聯連接，并依次編號為1#、2#、3#。1#和2#正常接受1000W/m2的光照；使用一塊不透明的黑色硬紙板遮擋光照，使3#光伏電池處于陰影之下，實測光照強度為700W/m2。然后使用萬用表測量3 塊光伏組件的輸出電流，發現3#光伏組件的輸出電流明顯降低。同時，由于三塊光伏組件采用串聯連接，因此出現了1#和2#光伏電池向3#光伏電池倒灌電流的情況，整個線路的電流也被拉低。由于輸出電壓不變，根據功率公式P=UI 可知，當線路電流減小時，光伏組件的輸出功率也會降低。

1.2 局部陰影遮擋下光伏組件的輸出特性

光伏組件的旁路二極管具有單向（正向）導通特性，如果發生局部陰影遮擋的情況，旁路二極管會出現導通阻斷的情況，這是導致光伏組件輸出特性發生改變的主要原因。為了驗證旁路二極管與輸出特性之間的關聯性，設計了由2 塊光伏電池串聯而成的實驗裝置，其電路簡圖如圖1 所示。

在圖1 中，Iph1和Iph2分別表示2 塊光伏電池產生的電流，默認為相等；R1為外接電阻；Rs表示調節電阻。當1#光伏組件出現局部陰影遮擋時，Iph1會因為光強下降而減小，此時存在Iph1＜Iph2，相應的旁路二極管導通阻斷。連接外接負載R1后，由于R1的阻值較大，在電壓保持穩定的前提下會導致整個系統中輸出電流減小。由于Iph1和Iph2同時減小，因此Iph1＜Iph2仍然成立。串聯形式下光伏電池的電流方程可表示為：

圖1 兩塊光伏電池并聯旁路二極管的串聯電路模型

上式中，I 表示輸出電流，取值范圍[0,ISC2]；ISC2表示光強降低后2#電池的輸出電流，C1和C2分別表示旁路二極管處于阻斷狀態下1#和2#電池的電容。由于電壓始終保持不變，因此可以用I 近似代替輸出功率P，可繪制出陰影遮擋下串聯光伏電池的功率輸出特性曲線。

2 雙向Cuk 變換器的工作原理

本系統采用雙向Cuk 變換器，支持兩個電容相互耦合，實現電容之間的能量傳遞，避免因為局部陰影遮擋下不同電池組件之間能量差異過大而出現短路的情況。同時，雙向Cuk 變換器還能保證輸入和輸出電流連續平穩變化，為后續的電流濾波與降噪處理創造了有利條件，保證了信號質量。在光伏組件效率控制中，雙向Cuk變換器主要有兩個工作階段，其中第一工作階段的原理如圖2 所示。

圖2 Cuk 變換器第一工作階段

圖2 中，L1和L2分別表示電感電流，C0和C1表示電容。在第一階段，Q1導通、Q2斷開，電流方向為順時針方向，這種情況下L1會不斷儲存電能，同時電容C1向輸出端傳輸能量。由此可得第一工作階段電感電壓（VL1、VL2）和電容電流（iC1、iC2）的方程式：

分別令t=0 和t=Ton（第一階段結束時間），按照上述公式可以分別求得電感電流L1和L2的增量。按照同樣的方法，計算變換器第二工作階段的電感電壓和電容電流，該階段的電路圖如圖3 所示。

圖3 Cuk 變換器第二工作階段

如圖3 所示，在該階段Q2導通，而Q1關閉，電流方向為逆時針方向。此時電感L2向電容C2以及輸出端提供能量，輸入端Vg經電感L1為電容C1充電。該階段電感電壓（Vl1、Vl2）和電容電流（iC1、iC2）的方程式：

同樣的，令t=0 和t=Toff（第二階段結束時間），根據式（4）和式（5）能夠分別求得電感電流l1和l2的增量。

3 光伏組件效率提升優化控制系統的設計與實現

光伏組件效率提升控制系統主要由光伏電池子串、變換器電路等幾部分構成，系統外接最大功率追蹤器，可在功率分配優化后，在通過MPPT 算法實現最大功率Pm輸出。

3.1 系統硬件設計與實現

該系統的硬件部分由電源電路、變換器、驅動電路、檢測電路組成。其中電源電路中分別使用到了LM2575S-12V 電源模塊、ZM2H1205S-3.3 電源模塊，兩者均屬于多級DC-DC 直流電源。其中，LM2575S 內置過流保護電路，ZM2H1205S 設有隔離電壓芯片，能夠保證穩定供電，避免因為電壓波動而對系統運行控制效果造成干擾。光伏組件三組光伏電池子串的串聯電壓在0-45V 之間可調。雙向Cuk 變換器由四個電感、兩個電容、兩個功率開關以及一個輸入輸出電容組成，同時提供一個預留的電流采集接口，在仿真實驗中可連接計算機進行在線調試。在兩個電容之間連接了一塊最大供電電壓為12V 的Si8231 驅動芯片，支持隔離驅動。檢測電路又分為兩種，其一是光伏電池子串電壓檢測電路，其二是總線電壓檢測電路。考慮到本系統中電池子串采用串聯形式連接，可能會出現差分信號相互干擾的情況，為保證信號質量，在電池子串檢測電路的布線上采用了差分對布線方式，可以有效降低外界電磁干擾。

3.2 系統軟件設計與實現

該系統的軟件部分采用STM32F 微控制芯片，軟件程序基于Keil Vision5 平臺開發，使用C++語言，主要包含了主程序部分、控制程序部分、信號采樣程序部分。主程序運行流程如圖4 所示。

圖4 系統主程序設計與實現流程圖

結合圖4 可知，主程序運行后，首先進行系統初始化處理，包括I/O 口置位、TIM初始化、DMA 配置初始化、指定中斷優先級等。如果任何一項未能完成初始化，則系統自動報錯，開發人員根據報錯信息重新調整后再次執行初始化程序，經確認無誤后繼續執行下一程序。根據微控制器下達的指令，運行電壓信號采集器，并采集總線電壓信號、一次濾波信號。接收到電壓信號后，Drive_Enable 驅動電路上電運行，TIM1、TIM2 和TIM3 相繼動作。其中，TIM2 執行占空比更新，TIM3 執行電池子串電壓信號采集。然后執行一個判斷程序，判斷TIM1-3的動作是否順利完成，若判斷結果為“否”，則返回程序繼續執行，直到判斷結果為“是”，則結束主程序。

在信號采樣程序中，為提高采樣信號的可靠性與時效性，將優先級設置為TIM3＞TIM2。同時將TIM3 的中短周期從默認的1s 調整為5s。避免系統運行過程中頻繁的中斷切入造成采樣數據誤差偏大而干擾控制效果。對所有采集到的數據均做濾波、降噪處理，然后TIM3 中斷返回，等待執行下一次電壓數據采集指令。

4 光伏組件效率提升優化控制系統的實驗分析

本文使用仿真軟件Matlab 中的Simulink 組件搭建了三組串聯電池子串的仿真模型，分別進行了兩組實驗：一組光照強度為350W/m2，用于模擬實際環境下全光照情況；另一組光照強度為150W/m2，用于模擬實際環境下局部陰影遮擋情況。兩組實驗的其他設置均保持一致，消除無關變量影響。在仿真實驗開始后，控制電池子串向變換器輸送正向電流isr1和isr2，變換器輸出端電流isr3輸送至被遮擋的電池子串，觀察并記錄電流波形。全光照情況下三種電流波形如圖5 所示。

圖5 正常光照下變換器電流波形圖

從圖5 可知，在仿真實驗開始0.02s 后，isr1、isr2和isr3的波形趨于穩定，并且三種電流波形的變化趨勢基本上保持一致。其中，isr1的電流維持在0.8A，isr2的電流維持在0.5A，isr3的電流維持在-0.9A。在此基礎上，繼續進行局部陰影遮擋下的仿真實驗。實驗開始時三組光伏電池子串的光照強度均為350W/m2，第0.09s 時將第三組電池子串的光照強度調整為150W/m2，第0.17s 時再將第二組電池子串的光照強度調整為150W/m2，第0.22s 時將第二、第三組的光照強度重新調回350W/m2，觀察并記錄變換器電流波形，如圖6 所示。

從圖6 可知，在出現局部陰影遮擋時，仿真模型的電流波動變化較為明顯。以isr2為例，在未出現陰影遮擋時期電流基本為0，在0.09s 有遮擋時，電流升高至0.2A，在0.17s 對兩組電池子串同時進行遮擋時，電流最大值達到了1.8A。在開路電壓維持不變的前提下，隨著電流的升高，光伏組件輸出效率也會相應提升，本次仿真實驗中實測最大功率輸出為43.4W，相比于優化前效率提高了10%，優化效果明顯。

圖6 遮擋情況下變換器電流波形圖

5 結論

在光伏發電技術日益成熟且推廣使用的背景下，如何進一步提升光伏發電效率成為該技術創新發展中必須要攻克的難題之一。在光伏設備的實際應用中，局部陰影遮擋是造成其發電效率降低的主要因素，探究局部陰影遮擋下光伏組件效率提升策略成為當前的研究熱點。本文提出了一種基于雙向Cuk 變換器的光伏組件效率提升控制系統，可基于電壓平衡的功率匹配優化算法提高局部陰影遮擋下的系統穩定性。從仿真實驗結果來看，在該系統的控制下，當光伏組件出現局部陰影時，電壓保持不變，電流有一定程度上升，進而使整個系統的輸出功率增加，達到了預期的優化控制效果。下一步，還要繼續開展關于不同光照水平下的功率提升策略研究，以期能夠根據陰影遮擋面積的不同靈活調整電感、電流等參數，始終保證光伏組件效率最大化。