基于TCT結構采用變異系數法光伏陣列重構策略

朱世豪，朱 武

(上海電力大學電子與信息工程學院，上海 200090)

隨著化石燃料資源逐漸枯竭，世界各國開始重點關注可再生能源，而太陽能作為一種用之不竭的清潔能源，讓光伏發電在電力系統中扮演著越來越重要的角色[1-2]。但在實際應用中，光伏陣列往往會受到周圍建筑物、樹木造成的陰影遮擋，或流動的云層和灰塵造成表面光照不均，使光伏陣列處在局部陰影條件PSC(partial shading condition)下，造成失配光伏組件的電流發生變化，使得正常工作的組件變成負載以熱量的形式消耗功率，進而引發熱斑效應[3]。目前針對組件失配問題多采用并聯旁路二極管來給失配組件提供低阻抗能量通路，當發生遮蔭時，組件兩端的負電壓使得旁路二極管從反向偏置轉換為正向導通，斷絕了熱斑效應的出現。但被短路的組件因此承受反壓而不能發電，且旁路二極管的導通會使P-U 曲線出現多個局部最大功率點，不利于最大功率點追蹤[4]。此外，為解決失配問題，還可以采用重構的方法，讓光伏組件隨著外部環境的變化來改變組件間的連接方式。文獻[5]通過移動陣列中的組件，使用矩陣開關進行電子化陣列，對光伏陣列進行整體重構，可以較大提高陣列的輸出功率。但是相應的開關和傳感器大量增加，較難實現復雜的重構算法。因此使用并不廣泛，多處于理論階段。文獻[6]基于TCT 結構，先采用靜態配置僅改變光伏組件的位置坐標，不改變電氣連接，使集中的陰影分散到每一行，再將整個光伏陣列分為4 個小型方陣，并給每個方陣配一個全局最大功率追蹤器，利用開關控制小型方陣的連接來提高輸出功率。由于此方法僅局限于方陣，且靜態配置實現困難，所以實用價值較低。文獻[7]依據輻照均衡原理，在判斷受到遮蔭后，對光伏陣列增加額外的補償電池單體，并對補償電池和光伏陣列進行重構。但補償電池不僅額外消耗功率，在遇到遮蔭時還需要斷開，對提高整體輸出效率不明顯。

為了滿足重構方案的實施便攜并減少矩陣開關的功率損耗，本文從光伏陣列宏觀拓撲結構出發，選用TCT 結構，將光伏陣列自身一列看為活動補償列，其余部分作為固定輸出部分，通過硬件測量各個光伏組件的電壓和電流，得出其輻照強度，利用變異系數法來降低遮蔭下光伏組件間的失配程度，并借助矩陣開關實時調整光伏陣列的等效拓撲結構。此方法雖需要測量各個組件的電壓和電流，但組件間不需要大量的開關連接，且對遮蔭部位無限制，具有一定的實用性。針對6 種不同的遮蔭情況進行陣列重構，借助仿真軟件對重構前后的光伏陣列輸出特性進行比對分析。

1 光伏陣列宏觀結構

光伏陣列由光伏組件通過電氣連接排列而成，組件間的基本連接方式有串聯結構和并聯結構。串聯結構下，流過每個光伏組件的電流相同，且可以提升陣列整體的輸出電壓，但是一旦部分組件受到遮蔭影響，電流減小，而串聯結構中電流處處相等，使得陣列的輸出電流減小并會限制結構中其他組件的電流，造成整個光伏陣列的輸出功率減?。徊⒙摻Y構下，每個組件的端電壓相同，且具有相互獨立的輸出電流，在受到遮蔭影響時，不限制其他組件的正常工作，但并聯結構的輸出電壓較低，使得直流母線上流過大電流，加大損耗。

基于這兩種基本的連接方式，目前最常見的光伏陣列宏觀布局有三種，分別是串并聯SP(series-parallel)結構、TCT 結構以及橋式BL(bridge-linked)結構，如圖1 所示。在光伏陣列無遮蔭或光照均勻的條件下，三種宏觀結構的最大輸出功率相同，并且都只具有一個最大功率點；由文獻[8]可知，在相同參數不同形狀的局部陰影影響下，三種結構都會造成一定的功率損失，但TCT 結構具有更好的輸出性能，故本文選取TCT 結構進行光伏陣列重構設計。

圖1 光伏陣列常見宏觀結構

2 電流值的離散程度

對于PSC 下所造成的光伏組件失配問題，很大程度上與光伏陣列中的串聯結構有關。對于TCT 結構來說，每一個并聯模塊內的失配組件的電流互不影響，但相鄰并聯模塊間的串聯結構會限制電流的改變；在光伏組件正常工作時，其開路電壓近似與輻照度的對數成正比，短路電流幾乎與輻照度成線性正相關，說明陣列在最大功率點處的電流受輻照度的影響比電壓大[9]。從分析陣列結構和限制功率輸出的主要因素得出基于TCT 結構光伏陣列重構的目的就是讓每個并聯模塊之間的電流離散程度盡可能減小，而一組數據的離散程度與其具體大小無關，為了能更直觀地表現出電流值間的差異，這里可以采用輻照強度來間接替代電流值反映各并聯模塊的離散程度[10]。

假設TCT 結構是由m行n列的光伏組件排列而成，第i行、第j列的光伏組件的輻照度記為Gij，則第i行的并聯模塊的行輻照度均值Gi可表示為：

為了能夠更精準地確定光伏陣列行與行之間輻照度的離散情況，給重構提出依據，這里采用變異系數作為離散指標。變異系數是衡量數據中各觀測值變異程度的一個統計量，在本文中，變異系數定義為：

式中：Gm為光伏陣列的整體輻照度均值，其計算表達式為：

由上述分析可知光伏陣列的重構策略就是在所有重構方案中找到能使變異系數C.V最小的方案，在此方案下，每個并聯模塊之間因為輻照度不均勻而引起的功率損耗可達到最小，即在相同的PSC 下，C.V越小，光伏陣列就能獲得越大的輸出功率。

3 基于TCT結構的重構策略

3.1 光伏陣列的電氣重構

為使光伏陣列能夠通過重構降低各并聯模塊之間輻照度的差異，在TCT 結構的基礎上將陣列最左列作為活動補償列，其余部分作為固定輸出部分，二者通過矩陣開關連接，如圖2 所示。

圖2 光伏陣列重構結構

對于m行n列的矩陣來說，其活動補償部分有m個，固定輸出部分有(mn-m)個，C1～Cm是矩陣開關與活動補償部分之間的動作接口，分別連接m個組件的正負極，R1～Rm是矩陣開關與固定輸出部分中第一列之間的動作接口。

3.2 矩陣開關的設計

在光伏陣列的局部重構策略中，矩陣開關起著至關重要的作用，通過矩陣開關的控制，可以將宏觀結構與智能控制電路相結合，能夠針對不同的陰影和失配情況進行切換，完成重構。對于上述的重構結構，其開關矩陣如圖3 所示。

圖3 開關矩陣結構

對于活動補償部分的組件而言，其端口C1～Cm可以獨立地連接到右邊端口R1～Rm上，故每個組件都有m種選擇來連接到對應的固定輸出部分。對于R1～Rm接口而言，既可以不連接任何一個補償組件，也可以并聯上所有的補償組件。針對圖3 的開關結構，表示了C1～Cm接口分別并聯接上了R1～Rm接口，即m行n列的初始TCT 結構。

3.3 基于變異系數的重構策略

3.3.1 輻照度的獲取

光伏陣列重構的前提是已知每個光伏組件的輻照強度Gij，設每個組件由n個電池單體構成，測得第i行、第j列組件的電壓和電流分別為Vij、Iij，那么該組件的輻照度計算式為：

式中：α 為電流和輻照度間的正比例系數；Is、a分別為電池單體二極管的飽和電流和特征因子；q為電子電荷常數；k為玻爾茲曼常數；T為工作溫度。通過測量每個組件的電壓和電流就可以計算其輻照強度。

3.3.2 重構策略的優化

在光伏陣列的局部重構過程中，其策略主要體現在對矩陣開關的控制。以m行n列的TCT 重構結構為例，一般情況下，需要在mm種方案中找到符合式(2)的最小變異系數C.V。但如果活動補償部分的輻照度都相同時，它們對于固定部分每一行的補償效果是一樣的。從光伏陣列的角度來看，為了能使C.V盡可能小，重構后的陣列結果必定是Gi向Gm靠攏來降低數據的離散程度。故其中Gi≤Gm的行的端口開關一定不動作，因為該行的并聯模塊已經受到嚴重的陰影影響，不可能失去原始的補償組件，但Gi>Gm的行的端口開關就具有不確定性。對于這種情況，能夠自由分配的補償組件有m－[i]個，故重構方案僅有mm-[i]種，其中[i]表示m行中Gi≤Gm的行的個數。結合上述兩種情況，重構策略流程如圖4 所示。

圖4 重構實施流程

在此重構流程中，還加入了兩個判斷條件。一是所有行的Gi是否相等，如果相等，意味著重構前陣列就已經滿足了重構要求，此時C.V=0，不需要額外的開關動作；二是加入穩定性判斷，即在重構實施過程中，判斷行輻照度均值Gi是否發生變化，若發生變化，則重新計算組件的輻照強度，避免重構過程中的陰影變化對結果產生影響。

4 光伏陣列重構仿真研究

為了驗證上述重構方案的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建光伏陣列進行仿真。

4.1 工作情況模擬

本文模擬的TCT 光伏陣列結構行數m=6，列數n=5，共設置了6 種不同的工作情況，如圖5 所示，分別為倒三角陰影、豎條狀陰影、橫條狀陰影、團狀不規則陰影、點狀離散陰影和損壞情形。

圖5 6種工作情況

分別對上述6 種初始情況實行重構，并對重構前、后的光伏陣列輸出特性進行對比分析。

4.2 仿真結果對比分析

如圖5(a)工作情況所示，陰影分布在光伏陣列的右上角，活動補償組件輻照度都相同。G1～G6分別為560、700、840、920、1 000 和1 000 W/m2，Gm為836.67 W/m2，得出G1、G2

圖6 重構后的光伏陣列結構

圖7 重構前、后的光伏陣列P-U特性曲線

從輸出特性曲線可以看出，重構前有較為明顯的多峰值點，重構后光伏陣列的最大輸出功率不僅有較明顯的提升，而且P-U 曲線更趨向于單峰值特征，峰值點之間更趨于平滑，有效避免了最大功率點跟蹤算法收斂在局部最優點，擁有后級控制簡單的特點。針對上述6 種工作情況，重構前、后的各項參數與優化對比如表1 所示。

由表1 可知，重構后最大功率平均提升了10.57%，峰值點數目由平均3.2 個降為2.2 個。在本文列舉的6 行5 列的TCT陣列結構中，每種工作情況完成一次重構操作理論上需要嘗試的重構方案為66=46 656 個，通過優化重構策略，使重構方案數目平均減少了95.93%，避免了大部分的無效方案，并且都只有較少的開關動作次數。

表1 重構前后的參數與優化對比

5 結論

為了提升PSC 下光伏陣列的輸出功率，本文基于TCT 結構，利用開關矩陣將陣列分為活動補償部分和固定輸出部分，采用變異系數作為離散指標來優化重構方案。仿真結果顯示，在重構后，最大輸出點功率平均提升了10.57%，P-U 特性曲線的峰值點個數由平均3.2 個降為2.2 個，且整體圖像趨于平滑的單峰值特征；在補償組件輻照度均勻的情況下，優化的重構策略使重構方案數目平均減少了95.93%，且重構完成后的開關動作次數都較少，面對大型光伏陣列和陰影變化較快的場景，此重構方法實現簡單，可以節約大量時間成本，并為后期的最大功率點追蹤提供便捷。