平流層飛艇光伏電池發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)溲芯?/h1>
2021-08-24 12:21:00勇陳
科技視界 2021年21期 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)
倪 勇陳 中
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；
2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥230601）
0 引言
平流層飛艇利用自身浮力運(yùn)行在20 km高空附近，可以攜帶多種載荷完成預(yù)警、通訊、攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)。能源供給是制約平流層飛艇長(zhǎng)時(shí)駐空的關(guān)鍵技術(shù)。目前平流層飛艇主要采取光伏電池作為一次能源，為滿足飛艇自身供電需求，需要鋪設(shè)數(shù)百平方米光伏電池；當(dāng)飛艇攜帶雷達(dá)或微波武器等大功率裝備時(shí)，需進(jìn)一步提高光伏電池面積占比。大面積光伏電池鋪設(shè)于飛艇頂部時(shí)存在問題：（1）由于飛艇頂部的曲面結(jié)構(gòu)，不同位置光照強(qiáng)度不均會(huì)引起發(fā)電效率降低[1]；（2）大面積光伏電池在安裝過程中及飛艇升空階段，容易損壞。因此有必要對(duì)飛艇光伏電池發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)溥M(jìn)行研究，提高發(fā)電效率和可靠性。
1 飛艇分布式光伏電池發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)?/h2>
平流層飛艇多采用輕質(zhì)高效太陽能電池，包括薄型單晶硅、砷化鎵、銅銦鎵硒、非晶硅太陽能電池等[2]。由于單體太陽能電池的開路電壓、工作電流均很低，通常需要數(shù)百單體電池串并聯(lián)構(gòu)成光伏組件，再由若干光伏組件構(gòu)成光伏子陣，最后由若干光伏子陣構(gòu)成飛艇光伏發(fā)電系統(tǒng)。
飛艇光伏電池發(fā)電系統(tǒng)供電方式主要有集中式和分布式，當(dāng)光伏電池鋪設(shè)面積龐大時(shí)，考慮到飛艇表面光照不均及光伏電池性能參數(shù)不一致性，采用分布式供電[3]，如圖1。將光伏電池陣列分為n個(gè)子陣，每個(gè)子陣通過一個(gè)MPPT控制器并聯(lián)接入高壓母線。當(dāng)某個(gè)光伏子陣出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過控制其對(duì)應(yīng)的MPPT實(shí)現(xiàn)故障隔離，不影響其他子陣發(fā)電。n個(gè)MPPT控制器之間利用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)提高功率密度。采用高壓供電體制，給推進(jìn)電機(jī)和大功率設(shè)備直接供電，可以降低飛艇輸電線路重量，提高電能利用效率。高壓母線電壓等級(jí)可以采用480VDC以上，由于儲(chǔ)能電池電壓等級(jí)一般不超過270VDC，因此儲(chǔ)能電池通過雙向直流變換器接入高壓母線，實(shí)現(xiàn)充放電控制。
圖1 飛艇光伏電池分布式電路拓?fù)?/p>
2 飛艇光伏電池子陣電路拓?fù)?/h2>
飛艇分布式光伏電池發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)鋸暮暧^層面解決了飛艇大面積安裝太陽能電池的可靠性與最大功率跟蹤問題，為了進(jìn)一步提高發(fā)電效率，從微觀層面出發(fā)，研究光伏電池子陣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。
2.1 光伏電池子陣串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)
光伏電池子陣由若干個(gè)光伏電池組件通過串聯(lián)和并聯(lián)連接而成[4]。串聯(lián)方式可以提高輸出電壓，但是串中每個(gè)光伏電池組件流過相同電流，如果光照不均，光照強(qiáng)度最小的電池組件其輸出電流減小并且限制串中其他電池組件輸出電流，使得光伏陣列輸出功率大大減小。光伏子陣常用布局結(jié)構(gòu)包括SP結(jié)構(gòu)、BDSP結(jié)構(gòu)、BL結(jié)構(gòu)、TCT結(jié)構(gòu)，這四種布局在光照不均時(shí)，存在發(fā)電效率降低、多個(gè)功率極值點(diǎn)問題。
2.2 光伏電池子陣重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)
結(jié)合文獻(xiàn)[5]中的開關(guān)矩陣電路，利用開關(guān)和二極管實(shí)現(xiàn)光伏電池組件的電氣重構(gòu)，其中二極管可以自適應(yīng)導(dǎo)通關(guān)斷。圖2給出了6塊光伏組件基于開關(guān)矩陣的電氣重構(gòu)電路拓?fù)洌ㄟ^控制開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷與二極管的自適應(yīng)導(dǎo)通截止，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的電氣重構(gòu)。
圖2 基于開關(guān)矩陣光伏陣列重構(gòu)電路拓?fù)?/p>
圖3中給出3串2并光伏組件的兩種電路結(jié)構(gòu)布局，圖中光照強(qiáng)度單位為W/m2，上圖為初始結(jié)構(gòu)，下圖為重構(gòu)結(jié)構(gòu)。通過控制開關(guān)矩陣電路動(dòng)作，相當(dāng)于交換模塊PV4、PV6的電氣位置，實(shí)現(xiàn)電池組件電氣重構(gòu)，使得每一行光伏組件承受總光照強(qiáng)度均為700 W/m2。
圖3 3串2并光伏組件電氣重構(gòu)
當(dāng)光伏電池子陣由較多電池組件構(gòu)成時(shí)，如果利用開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)所有電池組件的電氣重構(gòu)，將需要數(shù)量龐大的開關(guān)管與二極管，控制過程也將極為復(fù)雜。因此采用如下重構(gòu)策略：根據(jù)光伏電池陣列在飛艇的安裝位置，考慮光照、溫度等因素，將光伏陣列分成固定部分和可重構(gòu)部分，固定部分光照條件較好，重構(gòu)部分電池組件數(shù)量只占整個(gè)光伏陣列的極小比例，可以極大減小開關(guān)數(shù)目和控制復(fù)雜度。固定部分與重構(gòu)部分獨(dú)立工作，當(dāng)光照強(qiáng)度不均勻時(shí)，重構(gòu)部分配合固定部分進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
以圖4所示電池子陣為例進(jìn)行分析研究，左邊3串4并電池組件為固定部分，連接形式為TCT結(jié)構(gòu)，右邊3串2并為可電氣重構(gòu)電池組件。固定部分與重構(gòu)部分通過直流母線開關(guān)K1、K2建立電氣聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)輸出。當(dāng)K1與K2斷開時(shí)，固定部分與重構(gòu)部分并聯(lián)輸出，各自獨(dú)立工作，此時(shí)重構(gòu)部分電池組件可以局部電氣重構(gòu)。當(dāng)K1與K2閉合時(shí)，重構(gòu)部分通過直流母線2、3與固定部分組合成TCT結(jié)構(gòu)，通過重構(gòu)部分電池組件的結(jié)構(gòu)布局改變來均衡每行光伏電池組件的光照強(qiáng)度，此時(shí)光伏陣列可以實(shí)現(xiàn)整體電氣重構(gòu)。
圖4 3串4并固定組件與3串2并重構(gòu)組件組合電路結(jié)構(gòu)
圖5中各電池組件光照強(qiáng)度如圖所示，單位為W/m2。為簡(jiǎn)便，只畫出重構(gòu)部分的變化情況。通過控制開關(guān)矩陣動(dòng)作，使模塊PV1與PV3、PV4與PV6交換電氣位置，使每行光伏電池組件所承受總光強(qiáng)為4800 W/m2，消除了光照不均對(duì)光伏陣列整體的影響。圖6為光伏陣列重構(gòu)后的輸出功率與工作電壓（P-V）曲線仿真結(jié)果，重構(gòu)后可獲得的最大功率值約為2865 W，比重構(gòu)前提高了約480 W。
圖5 3串6并光伏組件的電氣重構(gòu)
圖6 3串6并光伏子陣重構(gòu)輸出功率-電壓曲線
3 結(jié)語
平流層飛艇鋪設(shè)大規(guī)模太陽能電池陣列時(shí)，必須解決系統(tǒng)可靠性問題和由于光照不均導(dǎo)致的發(fā)電效率低下問題。論文首先分析了飛艇光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了光伏電池子陣電氣重構(gòu)電路拓?fù)浜涂刂撇呗?。仿真結(jié)果表明，基于電氣重構(gòu)的光伏電池子陣拓?fù)渚哂懈叩陌l(fā)電能力。
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1 飛艇分布式光伏電池發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)?/h2>
平流層飛艇多采用輕質(zhì)高效太陽能電池，包括薄型單晶硅、砷化鎵、銅銦鎵硒、非晶硅太陽能電池等[2]。由于單體太陽能電池的開路電壓、工作電流均很低，通常需要數(shù)百單體電池串并聯(lián)構(gòu)成光伏組件，再由若干光伏組件構(gòu)成光伏子陣，最后由若干光伏子陣構(gòu)成飛艇光伏發(fā)電系統(tǒng)。
飛艇光伏電池發(fā)電系統(tǒng)供電方式主要有集中式和分布式，當(dāng)光伏電池鋪設(shè)面積龐大時(shí)，考慮到飛艇表面光照不均及光伏電池性能參數(shù)不一致性，采用分布式供電[3]，如圖1。將光伏電池陣列分為n個(gè)子陣，每個(gè)子陣通過一個(gè)MPPT控制器并聯(lián)接入高壓母線。當(dāng)某個(gè)光伏子陣出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過控制其對(duì)應(yīng)的MPPT實(shí)現(xiàn)故障隔離，不影響其他子陣發(fā)電。n個(gè)MPPT控制器之間利用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)提高功率密度。采用高壓供電體制，給推進(jìn)電機(jī)和大功率設(shè)備直接供電，可以降低飛艇輸電線路重量，提高電能利用效率。高壓母線電壓等級(jí)可以采用480VDC以上，由于儲(chǔ)能電池電壓等級(jí)一般不超過270VDC，因此儲(chǔ)能電池通過雙向直流變換器接入高壓母線，實(shí)現(xiàn)充放電控制。
圖1 飛艇光伏電池分布式電路拓?fù)?/p>
2 飛艇光伏電池子陣電路拓?fù)?/h2>
飛艇分布式光伏電池發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)鋸暮暧^層面解決了飛艇大面積安裝太陽能電池的可靠性與最大功率跟蹤問題，為了進(jìn)一步提高發(fā)電效率，從微觀層面出發(fā)，研究光伏電池子陣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。
2.1 光伏電池子陣串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)
光伏電池子陣由若干個(gè)光伏電池組件通過串聯(lián)和并聯(lián)連接而成[4]。串聯(lián)方式可以提高輸出電壓，但是串中每個(gè)光伏電池組件流過相同電流，如果光照不均，光照強(qiáng)度最小的電池組件其輸出電流減小并且限制串中其他電池組件輸出電流，使得光伏陣列輸出功率大大減小。光伏子陣常用布局結(jié)構(gòu)包括SP結(jié)構(gòu)、BDSP結(jié)構(gòu)、BL結(jié)構(gòu)、TCT結(jié)構(gòu)，這四種布局在光照不均時(shí)，存在發(fā)電效率降低、多個(gè)功率極值點(diǎn)問題。
2.2 光伏電池子陣重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)
結(jié)合文獻(xiàn)[5]中的開關(guān)矩陣電路，利用開關(guān)和二極管實(shí)現(xiàn)光伏電池組件的電氣重構(gòu)，其中二極管可以自適應(yīng)導(dǎo)通關(guān)斷。圖2給出了6塊光伏組件基于開關(guān)矩陣的電氣重構(gòu)電路拓?fù)洌ㄟ^控制開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷與二極管的自適應(yīng)導(dǎo)通截止，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的電氣重構(gòu)。
圖2 基于開關(guān)矩陣光伏陣列重構(gòu)電路拓?fù)?/p>
圖3中給出3串2并光伏組件的兩種電路結(jié)構(gòu)布局，圖中光照強(qiáng)度單位為W/m2，上圖為初始結(jié)構(gòu)，下圖為重構(gòu)結(jié)構(gòu)。通過控制開關(guān)矩陣電路動(dòng)作，相當(dāng)于交換模塊PV4、PV6的電氣位置，實(shí)現(xiàn)電池組件電氣重構(gòu)，使得每一行光伏組件承受總光照強(qiáng)度均為700 W/m2。
圖3 3串2并光伏組件電氣重構(gòu)
當(dāng)光伏電池子陣由較多電池組件構(gòu)成時(shí)，如果利用開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)所有電池組件的電氣重構(gòu)，將需要數(shù)量龐大的開關(guān)管與二極管，控制過程也將極為復(fù)雜。因此采用如下重構(gòu)策略：根據(jù)光伏電池陣列在飛艇的安裝位置，考慮光照、溫度等因素，將光伏陣列分成固定部分和可重構(gòu)部分，固定部分光照條件較好，重構(gòu)部分電池組件數(shù)量只占整個(gè)光伏陣列的極小比例，可以極大減小開關(guān)數(shù)目和控制復(fù)雜度。固定部分與重構(gòu)部分獨(dú)立工作，當(dāng)光照強(qiáng)度不均勻時(shí)，重構(gòu)部分配合固定部分進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
以圖4所示電池子陣為例進(jìn)行分析研究，左邊3串4并電池組件為固定部分，連接形式為TCT結(jié)構(gòu)，右邊3串2并為可電氣重構(gòu)電池組件。固定部分與重構(gòu)部分通過直流母線開關(guān)K1、K2建立電氣聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)輸出。當(dāng)K1與K2斷開時(shí)，固定部分與重構(gòu)部分并聯(lián)輸出，各自獨(dú)立工作，此時(shí)重構(gòu)部分電池組件可以局部電氣重構(gòu)。當(dāng)K1與K2閉合時(shí)，重構(gòu)部分通過直流母線2、3與固定部分組合成TCT結(jié)構(gòu)，通過重構(gòu)部分電池組件的結(jié)構(gòu)布局改變來均衡每行光伏電池組件的光照強(qiáng)度，此時(shí)光伏陣列可以實(shí)現(xiàn)整體電氣重構(gòu)。
圖4 3串4并固定組件與3串2并重構(gòu)組件組合電路結(jié)構(gòu)
圖5中各電池組件光照強(qiáng)度如圖所示，單位為W/m2。為簡(jiǎn)便，只畫出重構(gòu)部分的變化情況。通過控制開關(guān)矩陣動(dòng)作，使模塊PV1與PV3、PV4與PV6交換電氣位置，使每行光伏電池組件所承受總光強(qiáng)為4800 W/m2，消除了光照不均對(duì)光伏陣列整體的影響。圖6為光伏陣列重構(gòu)后的輸出功率與工作電壓（P-V）曲線仿真結(jié)果，重構(gòu)后可獲得的最大功率值約為2865 W，比重構(gòu)前提高了約480 W。
圖5 3串6并光伏組件的電氣重構(gòu)
圖6 3串6并光伏子陣重構(gòu)輸出功率-電壓曲線
3 結(jié)語
平流層飛艇鋪設(shè)大規(guī)模太陽能電池陣列時(shí)，必須解決系統(tǒng)可靠性問題和由于光照不均導(dǎo)致的發(fā)電效率低下問題。論文首先分析了飛艇光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了光伏電池子陣電氣重構(gòu)電路拓?fù)浜涂刂撇呗?。仿真結(jié)果表明，基于電氣重構(gòu)的光伏電池子陣拓?fù)渚哂懈叩陌l(fā)電能力。
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