丁坤，王祥，徐俊偉，張經(jīng)煒，翟泉新

（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）

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，能源需求也越發(fā)緊張。太陽能作為一種清潔能源，越來越受到廣泛利用。太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要形式之一，近年來受到科研人員的關(guān)注[1-3]。但光伏發(fā)電目前仍存在很多問題，例如光伏陣列在云層、建筑物、表面灰塵等因素影響下導(dǎo)致表面輻照度不均勻，產(chǎn)生失配問題，造成輸出功率損失[4-5]，又例如需使得所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)最大限度降低成本并做到效益最大化。這些都與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文將通過理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真得出不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)與輸出功率之間關(guān)系。

1 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種較為傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它是通過將光伏組件直接串并聯(lián)之后滿足一定的功率和電壓等級，再通過后級逆變器將能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上。這種集中式結(jié)構(gòu)每串上都需串聯(lián)一個(gè)阻塞二極管，以防止光伏組件之間的失配而產(chǎn)生功率損耗。

目前，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種，即串聯(lián)結(jié)構(gòu)（SP）、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（TCT）和橋式結(jié)構(gòu)（BL）[6]。如圖1所示。

圖1 集中式系統(tǒng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The common topology structure for the centralized system

顯然，對于SP結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞绞?，其最大的?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。在組件表面光照均勻沒有任何陰影的情況下，該結(jié)構(gòu)是比較適用的?？墒且坏╆幱俺霈F(xiàn)，由輻照強(qiáng)度和輸出電流成近似正比關(guān)系可知，被遮擋組件中電流減小，從而導(dǎo)致該串電流減小，使得系統(tǒng)的輸出功率降低。當(dāng)組件嚴(yán)重失配時(shí)，還將影響組件陣列輸出電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)安全問題[7]。相較于SP，TCT是一種不太理想目前還較少使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)某個(gè)組件中電流發(fā)生變化時(shí)，可使不同電流流經(jīng)不同組件串，從而減小被遮擋組件中的電流，使其工作在正向偏壓區(qū)并輸出一部分功率[8]。因此，使用這種結(jié)構(gòu)可有效提升系統(tǒng)輸出功率。當(dāng)然，代價(jià)是需要鋪設(shè)更多的電纜，電纜上的電能損耗也相應(yīng)增加。BL結(jié)構(gòu)與TCT類似，只是使用了較少的互連電纜，效率處于TCT與 SP之間。

下面利用硅太陽能電池工程用模型[9]，以3×2陣列進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以分析3種連接方式之間的性能差異。假設(shè)其中一個(gè)組件處于不同程度輻照度失配條件（圖中用黑色陰影表示，下同），其余5個(gè)組件在STC下工作，如圖2所示。在此條件下，相對于各自的P-V特性曲線，SP，TCT和BL 3種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都將會各自出現(xiàn)2個(gè)功率峰值。其中電壓值較小的峰值點(diǎn)稱為左峰，較大的稱為右峰。利用Matlab編程仿真，得到的結(jié)果圖3所示，橫軸為失配的光伏組件吸收的輻照度值，縱軸為各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出功率。

圖2 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下失配示意圖Fig.2 Sketches of three kinds of different topology structures under the mismatch condition

由于在不同遮擋情況下，失配組件可能工作在左峰，或是在右峰。圖3中總功率曲線出現(xiàn)彎折正是由左右峰造成的。從圖3中可以看出，在輕微失配的情況下，最大功率點(diǎn)（MPP）在右峰，此時(shí)系統(tǒng)輸出功率大小為TCT>BL>SP。當(dāng)被遮擋組件處于嚴(yán)重失配時(shí)，最大功率點(diǎn)工作在左峰，這時(shí)有SP>BL>TCT。

由上述分析和仿真實(shí)驗(yàn)可以看出這3種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，有學(xué)者就提出了可重構(gòu)陣列[10]，使得系統(tǒng)可在不同工況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這種陣列包括用于平時(shí)發(fā)電的固定陣列部分和平時(shí)處于備用狀態(tài)的補(bǔ)償陣列。當(dāng)某固定部分的陣列出現(xiàn)陰影時(shí)，通過矩陣開關(guān)，利用備用陣列區(qū)補(bǔ)償受到影響的陣列，這樣使系統(tǒng)始終工作在最大功率輸出點(diǎn)。這種矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的智能控制，具有方便快速的優(yōu)點(diǎn)[11]。但這種可重構(gòu)陣列缺點(diǎn)在于：首先，補(bǔ)償陣列增加了額外成本，當(dāng)它們處于備用狀態(tài)時(shí)是不工作的，浪費(fèi)了輸出功率。其次，可重構(gòu)陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，重構(gòu)的判別依據(jù)算法困難，導(dǎo)致可靠性不高。最后，當(dāng)補(bǔ)償陣列也同時(shí)受到陰影影響，可重構(gòu)陣列極有可能失效。

圖3 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在失配情況下最大輸出功率Fig.3 The maximum output powers of three kinds of topology structures under the mismatch condition

圖4 矩陣開關(guān)Fig.4 The matrix switch

2 模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)

集中式結(jié)構(gòu)雖然系統(tǒng)簡單，成本低廉，但卻有些弊端。首先，單個(gè)組件輸出功率難以最大化。其次，一旦陣列中某個(gè)組件出現(xiàn)故障無法正常工作，整個(gè)支路都將受到影響，系統(tǒng)工作的可靠性得不到保證[12]。為了改善集中式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的缺陷，因此便引入了模塊式的光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖5表示的是典型的直流模塊式和交流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖5（a）的直流模塊式系統(tǒng)中，每個(gè)光伏組件輸出端都接入一個(gè)DC-DC變換器，變換器的輸出端串聯(lián)后將能量輸入到后級逆變器輸入端[13]。

圖5（b）是交流模塊式。這種系統(tǒng)中每個(gè)組件都接有一個(gè)具有MPPT功能的微型逆變器，直接將光伏組件輸出的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，最后將各個(gè)模塊的交流電能接入電網(wǎng)[12]。

圖5 模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.5 The modular PV system

采用模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：

1）組件之間單獨(dú)工作，互不影響，每個(gè)組件都能工作在MPP處，系統(tǒng)輸出功率得到很大提高。

2）各組件互不影響，可根據(jù)需求方便地增加減少組件，具有“熱插拔”性能。

3）由于各個(gè)模塊相同，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)?；a(chǎn)。

4）可以方便迅速地采集每個(gè)模塊的性能信息，而且能有效提高系統(tǒng)的使用壽命和可靠度。

以直流模塊為例，需要在每個(gè)光伏組件輸出端都連接一個(gè)DC-DC組件優(yōu)化器，從而獲取系統(tǒng)的最大功率。這類組件優(yōu)化器在工作過程中首先要保證能夠追蹤到光伏組件的最大功率點(diǎn)，在此前提下，采用DC-DC變換器自動(dòng)調(diào)節(jié)級聯(lián)的組件優(yōu)化器的輸出電壓、電流，使得光伏系統(tǒng)能夠保證高效、穩(wěn)定的功率輸出[14]。例如美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的SolarMagic模塊，將其與組件配套使用，可有效提高系統(tǒng)輸出功率。

常用的組件優(yōu)化器的主電路DC-DC變換器的基本拓?fù)溆?種：Buck、Boost和Buck-Boost。仿真實(shí)驗(yàn)表明，Buck和Boost拓?fù)潆娐吩诠夥l(fā)電系統(tǒng)處于嚴(yán)重失配工況下有可能使組件優(yōu)化器出現(xiàn)失效現(xiàn)象，這樣對系統(tǒng)總輸出功率將會產(chǎn)生極大的影響。而對于Buck-Boost拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器雖然能夠適應(yīng)任意工況，但是輸入輸出電壓或者電流的極性相反，而且拓?fù)潆娐返墓ぷ餍实拖?。因此有人提出了基于雙開關(guān)管的Buck-Boost拓?fù)潆娐返慕M件優(yōu)化器[15]。這種拓?fù)潆娐返膬?yōu)化器能夠較好解決上面出現(xiàn)的問題。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，模塊式光伏系統(tǒng)無論是在輕微失配還是嚴(yán)重失配情況下，組件優(yōu)化器均能使得每個(gè)組件保持在MPP處輸出功率。同樣采用了3×2陣列仿真，如圖6所示，利用Matlab編程得到仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 直流模塊式失配示意圖Fig.6 Sketch of the DC module under the mismatch condition

圖7 集中式與模塊式失配情況下最大功率比較Fig.7 The comparison of the maximum output powers for centralized and modular systems under the mismatch condition

可以看出，與集中式相比，同一個(gè)組件在相同失配條件下，由于模塊式中每個(gè)組件均能工作在MPP處，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率得到了很大的提高。

3 串式光伏發(fā)電系統(tǒng)

由于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)不能使每個(gè)組件工作在其MPP處，效率較低，而模塊式雖然輸出功率最大，效率最高，但鑒于成本限制，也不可能在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。因此也有學(xué)者提出了串式結(jié)構(gòu)，如圖8所示，它可以有效兼顧上述優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)既能保證每串組件輸出最大功率，同時(shí)也可以減少DC-DC變換器的數(shù)量，降低成本。

圖8 串式失配示意圖Fig.8 Sketch of series connected system under the mismatch condition

下面同樣以3×2陣列為例進(jìn)行仿真，如圖9所示?？紤]其中一個(gè)組件不同程度失配情況來分析串式結(jié)構(gòu)的功率輸出曲線。

圖9 集中式、模塊式和串式失配情況下最大功率比較Fig.9 The comparison of the maximum output powers for centralized，modular and series connected systems under the mismatch condition

從圖9中可以看出，采用串式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率比集中式要增加很多。雖然沒有模塊式輸出功率大，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性價(jià)比是最高的，所以現(xiàn)在廣泛使用的正是串式結(jié)構(gòu)。例如德國SMA公司生產(chǎn)的Sunny Boy系列和美國Power-One公司的AURORA組串式逆變器，他們均為有多路MPPT功能的逆變器，在串式光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了很好的使用。

4 結(jié)論

本文通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比較了各自優(yōu)缺點(diǎn)。然后在假設(shè)一個(gè)組件有不同程度失配情況下，利用Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)輸出功率值，并得出以下結(jié)論：

1）在集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，SP、TCT、和BL 3種陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各自存在優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)失配情況嚴(yán)重時(shí)，SP結(jié)構(gòu)輸出功率最大，輕微失配時(shí)，則TCT結(jié)構(gòu)輸出功率最大。

2）在不考慮成本情況下，模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效率最高，它能保證系統(tǒng)具有最大輸出功率。

3）串式光伏發(fā)電系統(tǒng)效率和成本都介于集中式和模塊式之間，是一種性價(jià)比較高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4）光伏發(fā)電系統(tǒng)在選擇何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，在以輸出功率為主要參考的同時(shí)，也要兼顧成本和系統(tǒng)的控制精度和難度等。

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