基于TCT結(jié)構(gòu)采用變異系數(shù)法光伏陣列重構(gòu)策略

朱世豪，朱 武

(上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)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(guān)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(fā)電在電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色[1-2]。但在實際應(yīng)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(fā)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(fā)熱斑效應(yīng)[3]。目前針對組件失配問題多采用并聯(lián)旁路二極管來給失配組件提供低阻抗能量通路，當(dāng)發(fā)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(zhuǎn)換為正向?qū)?，斷絕了熱斑效應(yīng)的出現(xiàn)。但被短路的組件因此承受反壓而不能發(fā)電，且旁路二極管的導(dǎo)通會使P-U 曲線出現(xiàn)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(gòu)的方法，讓光伏組件隨著外部環(huán)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(guān)進行電子化陣列，對光伏陣列進行整體重構(gòu)，可以較大提高陣列的輸出功率。但是相應(yīng)的開關(guān)和傳感器大量增加，較難實現(xiàn)復(fù)雜的重構(gòu)算法。因此使用并不廣泛，多處于理論階段。文獻[6]基于TCT 結(jié)構(gòu)，先采用靜態(tài)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(guān)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(tài)配置實現(xiàn)困難，所以實用價值較低。文獻[7]依據(jù)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(gòu)。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(gòu)方案的實施便攜并減少矩陣開關(guān)的功率損耗，本文從光伏陣列宏觀拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，選用TCT 結(jié)構(gòu)，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(shù)法來降低遮蔭下光伏組件間的失配程度，并借助矩陣開關(guān)實時調(diào)整光伏陣列的等效拓撲結(jié)構(gòu)。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(guān)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(gòu)，借助仿真軟件對重構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)中電流處處相等，使得陣列的輸出電流減小并會限制結(jié)構(gòu)中其他組件的電流，造成整個光伏陣列的輸出功率減??；并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)SP(series-parallel)結(jié)構(gòu)、TCT 結(jié)構(gòu)以及橋式BL(bridge-linked)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)不同形狀的局部陰影影響下，三種結(jié)構(gòu)都會造成一定的功率損失，但TCT 結(jié)構(gòu)具有更好的輸出性能，故本文選取TCT 結(jié)構(gòu)進行光伏陣列重構(gòu)設(shè)計。

圖1 光伏陣列常見宏觀結(jié)構(gòu)

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(lián)結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于TCT 結(jié)構(gòu)來說，每一個并聯(lián)模塊內(nèi)的失配組件的電流互不影響，但相鄰并聯(lián)模塊間的串聯(lián)結(jié)構(gòu)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(shù)成正比，短路電流幾乎與輻照度成線性正相關(guān)，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(jié)構(gòu)和限制功率輸出的主要因素得出基于TCT 結(jié)構(gòu)光伏陣列重構(gòu)的目的就是讓每個并聯(lián)模塊之間的電流離散程度盡可能減小，而一組數(shù)據(jù)的離散程度與其具體大小無關(guān)，為了能更直觀地表現(xiàn)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(lián)模塊的離散程度[10]。

假設(shè)TCT 結(jié)構(gòu)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(lián)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(gòu)提出依據(jù)，這里采用變異系數(shù)作為離散指標。變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量，在本文中，變異系數(shù)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(gòu)策略就是在所有重構(gòu)方案中找到能使變異系數(shù)C.V最小的方案，在此方案下，每個并聯(lián)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(jié)構(gòu)的重構(gòu)策略

3.1 光伏陣列的電氣重構(gòu)

為使光伏陣列能夠通過重構(gòu)降低各并聯(lián)模塊之間輻照度的差異，在TCT 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(guān)連接，如圖2 所示。

圖2 光伏陣列重構(gòu)結(jié)構(gòu)

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(guān)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(guān)與固定輸出部分中第一列之間的動作接口。

3.2 矩陣開關(guān)的設(shè)計

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

圖3 開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(lián)上所有的補償組件。針對圖3 的開關(guān)結(jié)構(gòu)，表示了C1～Cm接口分別并聯(lián)接上了R1～Rm接口，即m行n列的初始TCT 結(jié)構(gòu)。

3.3 基于變異系數(shù)的重構(gòu)策略

3.3.1 輻照度的獲取

光伏陣列重構(gòu)的前提是已知每個光伏組件的輻照強度Gij，設(shè)每個組件由n個電池單體構(gòu)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(shù)；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(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；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(gòu)策略的優(yōu)化

在光伏陣列的局部重構(gòu)過程中，其策略主要體現(xiàn)在對矩陣開關(guān)的控制。以m行n列的TCT 重構(gòu)結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)后的陣列結(jié)果必定是Gi向Gm靠攏來降低數(shù)據(jù)的離散程度。故其中Gi≤Gm的行的端口開關(guān)一定不動作，因為該行的并聯(lián)模塊已經(jīng)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(guān)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(gòu)方案僅有mm-[i]種，其中[i]表示m行中Gi≤Gm的行的個數(shù)。結(jié)合上述兩種情況，重構(gòu)策略流程如圖4 所示。

圖4 重構(gòu)實施流程

在此重構(gòu)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(gòu)前陣列就已經(jīng)滿足了重構(gòu)要求，此時C.V=0，不需要額外的開關(guān)動作；二是加入穩(wěn)定性判斷，即在重構(gòu)實施過程中，判斷行輻照度均值Gi是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則重新計算組件的輻照強度，避免重構(gòu)過程中的陰影變化對結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 光伏陣列重構(gòu)仿真研究

為了驗證上述重構(gòu)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(jié)構(gòu)行數(shù)m=6，列數(shù)n=5，共設(shè)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(guī)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(gòu)，并對重構(gòu)前、后的光伏陣列輸出特性進行對比分析。

4.2 仿真結(jié)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(gòu)后的光伏陣列結(jié)構(gòu)

圖7 重構(gòu)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(gòu)前有較為明顯的多峰值點，重構(gòu)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(yōu)點，擁有后級控制簡單的特點。針對上述6 種工作情況，重構(gòu)前、后的各項參數(shù)與優(yōu)化對比如表1 所示。

由表1 可知，重構(gòu)后最大功率平均提升了10.57%，峰值點數(shù)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(jié)構(gòu)中，每種工作情況完成一次重構(gòu)操作理論上需要嘗試的重構(gòu)方案為66=46 656 個，通過優(yōu)化重構(gòu)策略，使重構(gòu)方案數(shù)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(guān)動作次數(shù)。

表1 重構(gòu)前后的參數(shù)與優(yōu)化對比

5 結(jié)論

為了提升PSC 下光伏陣列的輸出功率，本文基于TCT 結(jié)構(gòu)，利用開關(guān)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(shù)作為離散指標來優(yōu)化重構(gòu)方案。仿真結(jié)果顯示，在重構(gòu)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(shù)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(yōu)化的重構(gòu)策略使重構(gòu)方案數(shù)目平均減少了95.93%，且重構(gòu)完成后的開關(guān)動作次數(shù)都較少，面對大型光伏陣列和陰影變化較快的場景，此重構(gòu)方法實現(xiàn)簡單，可以節(jié)約大量時間成本，并為后期的最大功率點追蹤提供便捷。