丁 坤，王 祥，翟泉新，徐俊偉，張經煒

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；

2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產裝備技術重點實驗室，江蘇 常州 213022）

常見光伏陣列拓撲重構方法綜述*

丁 坤1，2，王 祥1，翟泉新1，徐俊偉1，張經煒1

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；

2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產裝備技術重點實驗室，江蘇 常州 213022）

針對光伏發(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題，將系統(tǒng)拓撲重構技術應用到光伏發(fā)電系統(tǒng)中。在應對失配條件時，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，對光伏系統(tǒng)拓撲結構的研究已日益受到關注，不同工作環(huán)境下對光伏系統(tǒng)的拓撲結構進行重構的方法對于整個光伏系統(tǒng)輸出性能的提高有著重大意義。開展了常用光伏陣列拓撲結構重構策略的研究，對其優(yōu)缺點進行了對比分析，在此基礎上，對各種光伏陣列拓撲重構方法進行了評估。研究結果表明，面對不同工作環(huán)境時選擇合適的光伏陣列拓撲結構，從而可以有效提高光伏陣列的輸出特性。

光伏系統(tǒng)；失配；陣列拓撲

0 引 言

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際的應用中，由于樹木、云朵或建筑物對光伏陣列的遮蔽，以及光伏系統(tǒng)中某些組件損壞造成的失配，此時整個光伏系統(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組件并聯(lián)一個旁路二極管。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通導致了多個局部最大功率點的出現(xiàn)，需要復雜的最大功率點跟蹤（MPPT）技術。

目前，常見光伏發(fā)電系統(tǒng)中常應用的是集中式拓撲結構，即將組件串聯(lián)成一串，然后通過多串組件并聯(lián)輸出來構成整個光伏陣列。然而在實際應用的情況中，當光伏系統(tǒng)失配時，集中式拓撲容易造成較大的損失［5］。國內外學者對相同失配條件下的光伏系統(tǒng)不同拓撲結構做了大量的研究和分析實驗，提出對于不同失配條件下使用不同的陣列拓撲結構，以增加整個光伏系統(tǒng)的最大功率的輸出。本研究基于不同的實現(xiàn)方式對光伏陣列拓撲結構重構策略進行分類及概括討論。

1 小型光伏陣列串并聯(lián)拓撲重構

對于少量組件構成的小型光伏陣列，可以通過簡單地使用開關管和二極管電路來連接光伏組件，實現(xiàn)小型光伏系統(tǒng)拓撲重構［6］。4個光伏模塊PV1、PV2、PV3、PV4的重構電路拓撲如圖1所示。圖1展現(xiàn)了串聯(lián)、并聯(lián)、兩串兩并3種結構的重構控制過程。通過分析可知，對于4個模塊的兩并兩串連接方式，相比于過往所使用的方法［7］，只用了較少的開關和二極管，就可實現(xiàn)了更多的電氣結構，在遮陰條件下有更多的結構選擇。

圖1 串聯(lián)、并聯(lián)、兩串兩并結構重構

這種拓撲重構的方法，對不同輸出電壓、電流要求的場合，具有較強的適應能力，大多被應用在小型的光伏系統(tǒng)中，諸如太陽能電力汽車、太陽能路燈等小型的光伏系統(tǒng)中［8-10］。其對參數(shù)的依賴程度不高，拓撲結構重構取決于實際需求，在這類小型光伏陣列中被廣泛應用。

2 集中式結構拓撲重構方式

目前光伏陣列應用較多的拓撲結構為SP（seriesparallel）型，BL（bridge-link）型，TCT（total-cross-tied）型［11］。

過往研究中，有關學者比較上述3種拓撲方式的優(yōu)、缺點和輸出功率增加和成本，提出了計算不同結構可靠性的方法［12］，得出了SP、BL、TCT拓撲結構的可靠性指數(shù)［13］。

有學者提出［14］，針對SP結構，在其發(fā)生失配時，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路電壓，通過簡單的開關控制，轉換成其他的拓撲結構，輪流地使用SP，BL，TCT拓撲。通過對一系列復雜的拓撲結構進行研究一遍獲得最優(yōu)結構來輸出功率［15］。也有其他文獻［16-18］提出了針對不同工況對陣列進行改變，以應對復雜結構以及輸出功率和成本的協(xié)調。

對于集中式系統(tǒng)，由于目前大部分大型光伏系統(tǒng)采用的是SP結構，當失配發(fā)生程度較小時，對整個陣列功率輸出影響不大。但對在城市中的分布式光伏系統(tǒng)，面對城市多變環(huán)境和失配情況，這類拓撲重構的功率輸出有明顯增長。

3 輻照平衡原理光伏陣列拓撲重構

依據(jù)輻照平衡（irradiance equalization）原理［19］，研究者可通過控制智能開關的通斷來平衡陣列拓撲節(jié)點處的輻照大小，從而直接減少部分陰影產生的電流限制的影響。

3.1 利用功率補償單元進行重構

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

圖2 并聯(lián)補償單元

通過采用并聯(lián)的電力儲存單元組件進行補償［22］，通過使用獨立的電力儲存單元，當組件失配時，并聯(lián)在組件旁的電容就和失配組件并聯(lián)共同輸出，補償陣列輸出功率。對于簡單系統(tǒng)單一組件來說，可以通過該方法提高效率達到最佳節(jié)能狀態(tài)［23］，但是對整個陣列影響時，會大大增加成本。

3.2 全局重構

通過移動陣列中的組件的方式，來減少失配的損失［24］，在失配條件下，對整個光伏陣列進行整體重構，可以大量地提高整個陣列的輸出功率。

在整體重構中，可以用來重新配置整個光伏陣列拓撲結構的矩陣開關被廣泛應用，研究者通過使用矩陣開關來進行電子化陣列（Electrical Array Reconfigu?ration，EAR）的重構，最大限度地通過近似條件下相近組件來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，全局重構框圖如圖3所示，通過控制矩陣開關的通斷，可以分別完成下述拓撲結構全局重構，達到不同工作條件下所需拓撲方式［25］。

圖3 全局重構框圖

對于使用分布式系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)來說，當發(fā)生失配時，該系統(tǒng)可以控制每個光伏組件都工作在其最大功率點，因此可以控制整個系統(tǒng)的輸出功率最大。但是實際應用中，失配的組件可能只是一小部分，或者考慮到經濟因素以及成本原因，不需要每個組件都接逆變器，因此該系統(tǒng)通過矩陣開關可以根據(jù)不同的失配情況，控制多個組件和一個逆變器相連共同輸出，以此優(yōu)化整個陣列輸出功率和成本的協(xié)調。典型全局重構方式如圖4所示。

圖4中，開關Ssr用于控制各組件之間的串聯(lián)結構，開關Sby用于允許組件從結構的移除，開關Spu和Spd分別用于連接正端總線和負端總線，以實現(xiàn)各組件的并聯(lián)。通過矩陣開關控制上述不同功能的開關，即可實現(xiàn)不同組件和逆變器的接入方式。

圖4 典型全局重構的方式

對于正常工作的組件，控制器將有效的組件組成一串；當控制器檢查以下各組件時，其工作狀態(tài)與上一個相同且上述串沒有達到飽和（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，并旁路這個失配組件。

H.Noguchi，J.Tani，Y.Shimai等人［26-28］對全局重構的方法進行了分析。此類方法也被應用于不同的領域。對陣列在發(fā)生失配的情況下，全局重構比起簡單的TCT結構以及局部重構要帶來更大的功率增加，但是，相應的開關和傳感器大量增加，重構算法復雜較難實現(xiàn)，因此使用并不廣泛，多處于理論階段［29］。

3.3 局部重構

在輻照平衡的基礎上，主要被應用的光伏陣列拓撲重構方式是局部重構。該方式通過改變光伏陣列中組件的連接方式，用沒有陰影的光伏組件去補償被遮陰的光伏組件［30］。同時也有文獻［31］提出光伏陣列呈現(xiàn)出一個擁有自有電容調節(jié)的用于實時適應光伏發(fā)電的外部操作條件。

含自適應庫的局部重構如圖5所示，該方式使用固定的TCT結構以及可調節(jié)的自適應部分［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矩陣開關分成兩部分，固定結構輸出部分和作為自適應庫的部分。當陣列上出現(xiàn)陰影的時候，通過矩陣開關的通斷，利用自適應庫的組件匹配固定結構中低輸出點的部分通過矩陣開關的控制，改變組件的分布，使得TCT結構中每一行的輸出趨于平衡，利用矩陣開關的通斷，重構陣列，來緩和輻照失調，通過TCT結構的智能連接，達到每個節(jié)點的輻照區(qū)域平緩。這樣，即使所有節(jié)點電流都工作在單個組件的最大功率點電流以下時，整個陣列的輸出電壓仍可保持在一個可以預估的等級上。

圖5 含自適應庫的局部重構

通過矩陣開關的控制，可以將拓撲結構與智能控制電路相結合，方便進行快速變化的陰影以及不同失配情況時光伏陣列結構的重構。將陣列分為固定部分和自適應庫類似的方法，部分組件專門用于補償發(fā)生失配時陣列某些行的損失，雖然可以提高整個系統(tǒng)輸出功率，但是用于補償?shù)慕M件在平時輸出功率就浪費了。同時對于并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，也有人提出了在組件層次上的重構方法。上述這些方法仍然是基于輻照度平衡的重構策略。

對于陣列中組件局部重構，當失配情況嚴重時，自適應庫不能完全匹配固定結構的功率缺失，并且其控制算法復雜。而對于使用分布式MPPT控制的光伏陣列，需要考慮到當每個組件或者每條支路都使用組件優(yōu)化器，大大增加了成本。

局部重構方法結合了輻照平衡原理對整體重構進行了優(yōu)化，其適用于全部光伏系統(tǒng)，由于該方法能夠針對不同失配情況作出調整，對于輸出功率有明顯提高，并且由于改變的只是部分結構，實現(xiàn)復雜性相對簡單，成本也相應減少。不過其拓撲方式改變受到復雜判定方法的局限，但是相對于整體重構其復雜性有了顯著改善。

本研究所述的各光伏陣列拓撲重構方法優(yōu)劣比較如表1所示。

表1 光伏陣列拓撲重構方法比較

4 結束語

針對對于光伏陣列失配條件下拓撲重構的策略，若干文獻提出了相應的解決方法，本研究對這些方法進行了詳盡的總結和分析，并比較了其優(yōu)、缺點。

本研究對光伏陣列拓撲重構策略進行了分析和比較，為后續(xù)研究工作提供了鋪墊。

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本文引用格式：

丁 坤，王 祥，翟泉新，等.常見光伏陣列拓撲重構方法綜述［J］.機電工程，2014，31（4）：507-511.

DING Kun，WANG Xiang，ZHAI Quan-xin，et al.Review of common PV array topology reconfiguration methods［J］.Journal of Mechanical&Electri?cal Engineering，2014，31（4）：507-511.

《機電工程》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

江蘇省自然科學基金資助項目（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、電力電子技術方面的研究.E-mail：dkhhu@163.com

［編輯：李 輝］