譚建斌 歐陽萍 段春艷 江 洋

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，廣東 佛山 528137）

根據(jù)國家能源局公布數(shù)據(jù)，截止2021 年底，全國光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到3.1 億千瓦，這也是自2014 年以來連續(xù)7 年位列世界首位。在我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，光伏組件運(yùn)行效率不高成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路上必須要解決的問題之一。研究表明，目前應(yīng)用最為廣泛的多晶硅光伏組件，其光電轉(zhuǎn)換效率不足20%；個別新型材料的轉(zhuǎn)換效率雖然能達(dá)到30%，但是材料成本較高，現(xiàn)階段還無法全面普及。其中，日照強(qiáng)度不足是影響光伏電池輸出功率的一個主要因素，因此如何提高陰影遮擋下光伏組件的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率成為該領(lǐng)域需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題之一。

1 局部陰影遮擋下光伏組件輸出特性分析

1.1 局部陰影遮擋下光伏組件輸出變化

在正常接受光照的情況下，光伏組件能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，這些電能經(jīng)過穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓處理后存儲起來；如果存在局部陰影遮擋，那么陰影下的光伏電池會作為負(fù)載持續(xù)消耗能量并出現(xiàn)升溫、發(fā)燙的情況。如果陰影持續(xù)時(shí)間較長，則陰影區(qū)域還會出現(xiàn)熱斑，導(dǎo)致光伏組件局部損壞。為更加直觀地表示局部陰影下光伏電池的輸出特性，選擇三塊光伏電池進(jìn)行串聯(lián)連接，并依次編號為1#、2#、3#。1#和2#正常接受1000W/m2的光照；使用一塊不透明的黑色硬紙板遮擋光照，使3#光伏電池處于陰影之下，實(shí)測光照強(qiáng)度為700W/m2。然后使用萬用表測量3 塊光伏組件的輸出電流，發(fā)現(xiàn)3#光伏組件的輸出電流明顯降低。同時(shí)，由于三塊光伏組件采用串聯(lián)連接，因此出現(xiàn)了1#和2#光伏電池向3#光伏電池倒灌電流的情況，整個線路的電流也被拉低。由于輸出電壓不變，根據(jù)功率公式P=UI 可知，當(dāng)線路電流減小時(shí)，光伏組件的輸出功率也會降低。

1.2 局部陰影遮擋下光伏組件的輸出特性

光伏組件的旁路二極管具有單向（正向）導(dǎo)通特性，如果發(fā)生局部陰影遮擋的情況，旁路二極管會出現(xiàn)導(dǎo)通阻斷的情況，這是導(dǎo)致光伏組件輸出特性發(fā)生改變的主要原因。為了驗(yàn)證旁路二極管與輸出特性之間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)了由2 塊光伏電池串聯(lián)而成的實(shí)驗(yàn)裝置，其電路簡圖如圖1 所示。

在圖1 中，Iph1和Iph2分別表示2 塊光伏電池產(chǎn)生的電流，默認(rèn)為相等；R1為外接電阻；Rs表示調(diào)節(jié)電阻。當(dāng)1#光伏組件出現(xiàn)局部陰影遮擋時(shí)，Iph1會因?yàn)楣鈴?qiáng)下降而減小，此時(shí)存在Iph1＜Iph2，相應(yīng)的旁路二極管導(dǎo)通阻斷。連接外接負(fù)載R1后，由于R1的阻值較大，在電壓保持穩(wěn)定的前提下會導(dǎo)致整個系統(tǒng)中輸出電流減小。由于Iph1和Iph2同時(shí)減小，因此Iph1＜Iph2仍然成立。串聯(lián)形式下光伏電池的電流方程可表示為：

圖1 兩塊光伏電池并聯(lián)旁路二極管的串聯(lián)電路模型

上式中，I 表示輸出電流，取值范圍[0,ISC2]；ISC2表示光強(qiáng)降低后2#電池的輸出電流，C1和C2分別表示旁路二極管處于阻斷狀態(tài)下1#和2#電池的電容。由于電壓始終保持不變，因此可以用I 近似代替輸出功率P，可繪制出陰影遮擋下串聯(lián)光伏電池的功率輸出特性曲線。

2 雙向Cuk 變換器的工作原理

本系統(tǒng)采用雙向Cuk 變換器，支持兩個電容相互耦合，實(shí)現(xiàn)電容之間的能量傳遞，避免因?yàn)榫植筷幱罢趽跸虏煌姵亟M件之間能量差異過大而出現(xiàn)短路的情況。同時(shí)，雙向Cuk 變換器還能保證輸入和輸出電流連續(xù)平穩(wěn)變化，為后續(xù)的電流濾波與降噪處理創(chuàng)造了有利條件，保證了信號質(zhì)量。在光伏組件效率控制中，雙向Cuk變換器主要有兩個工作階段，其中第一工作階段的原理如圖2 所示。

圖2 Cuk 變換器第一工作階段

圖2 中，L1和L2分別表示電感電流，C0和C1表示電容。在第一階段，Q1導(dǎo)通、Q2斷開，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，這種情況下L1會不斷儲存電能，同時(shí)電容C1向輸出端傳輸能量。由此可得第一工作階段電感電壓（VL1、VL2）和電容電流（iC1、iC2）的方程式：

分別令t=0 和t=Ton（第一階段結(jié)束時(shí)間），按照上述公式可以分別求得電感電流L1和L2的增量。按照同樣的方法，計(jì)算變換器第二工作階段的電感電壓和電容電流，該階段的電路圖如圖3 所示。

圖3 Cuk 變換器第二工作階段

如圖3 所示，在該階段Q2導(dǎo)通，而Q1關(guān)閉，電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。此時(shí)電感L2向電容C2以及輸出端提供能量，輸入端Vg經(jīng)電感L1為電容C1充電。該階段電感電壓（Vl1、Vl2）和電容電流（iC1、iC2）的方程式：

同樣的，令t=0 和t=Toff（第二階段結(jié)束時(shí)間），根據(jù)式（4）和式（5）能夠分別求得電感電流l1和l2的增量。

3 光伏組件效率提升優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光伏組件效率提升控制系統(tǒng)主要由光伏電池子串、變換器電路等幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)外接最大功率追蹤器，可在功率分配優(yōu)化后，在通過MPPT 算法實(shí)現(xiàn)最大功率Pm輸出。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的硬件部分由電源電路、變換器、驅(qū)動電路、檢測電路組成。其中電源電路中分別使用到了LM2575S-12V 電源模塊、ZM2H1205S-3.3 電源模塊，兩者均屬于多級DC-DC 直流電源。其中，LM2575S 內(nèi)置過流保護(hù)電路，ZM2H1205S 設(shè)有隔離電壓芯片，能夠保證穩(wěn)定供電，避免因?yàn)殡妷翰▌佣鴮ο到y(tǒng)運(yùn)行控制效果造成干擾。光伏組件三組光伏電池子串的串聯(lián)電壓在0-45V 之間可調(diào)。雙向Cuk 變換器由四個電感、兩個電容、兩個功率開關(guān)以及一個輸入輸出電容組成，同時(shí)提供一個預(yù)留的電流采集接口，在仿真實(shí)驗(yàn)中可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試。在兩個電容之間連接了一塊最大供電電壓為12V 的Si8231 驅(qū)動芯片，支持隔離驅(qū)動。檢測電路又分為兩種，其一是光伏電池子串電壓檢測電路，其二是總線電壓檢測電路?？紤]到本系統(tǒng)中電池子串采用串聯(lián)形式連接，可能會出現(xiàn)差分信號相互干擾的情況，為保證信號質(zhì)量，在電池子串檢測電路的布線上采用了差分對布線方式，可以有效降低外界電磁干擾。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件部分采用STM32F 微控制芯片，軟件程序基于Keil Vision5 平臺開發(fā)，使用C++語言，主要包含了主程序部分、控制程序部分、信號采樣程序部分。主程序運(yùn)行流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程圖

結(jié)合圖4 可知，主程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理，包括I/O 口置位、TIM初始化、DMA 配置初始化、指定中斷優(yōu)先級等。如果任何一項(xiàng)未能完成初始化，則系統(tǒng)自動報(bào)錯，開發(fā)人員根據(jù)報(bào)錯信息重新調(diào)整后再次執(zhí)行初始化程序，經(jīng)確認(rèn)無誤后繼續(xù)執(zhí)行下一程序。根據(jù)微控制器下達(dá)的指令，運(yùn)行電壓信號采集器，并采集總線電壓信號、一次濾波信號。接收到電壓信號后，Drive_Enable 驅(qū)動電路上電運(yùn)行，TIM1、TIM2 和TIM3 相繼動作。其中，TIM2 執(zhí)行占空比更新，TIM3 執(zhí)行電池子串電壓信號采集。然后執(zhí)行一個判斷程序，判斷TIM1-3的動作是否順利完成，若判斷結(jié)果為“否”，則返回程序繼續(xù)執(zhí)行，直到判斷結(jié)果為“是”，則結(jié)束主程序。

在信號采樣程序中，為提高采樣信號的可靠性與時(shí)效性，將優(yōu)先級設(shè)置為TIM3＞TIM2。同時(shí)將TIM3 的中短周期從默認(rèn)的1s 調(diào)整為5s。避免系統(tǒng)運(yùn)行過程中頻繁的中斷切入造成采樣數(shù)據(jù)誤差偏大而干擾控制效果。對所有采集到的數(shù)據(jù)均做濾波、降噪處理，然后TIM3 中斷返回，等待執(zhí)行下一次電壓數(shù)據(jù)采集指令。

4 光伏組件效率提升優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

本文使用仿真軟件Matlab 中的Simulink 組件搭建了三組串聯(lián)電池子串的仿真模型，分別進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)：一組光照強(qiáng)度為350W/m2，用于模擬實(shí)際環(huán)境下全光照情況；另一組光照強(qiáng)度為150W/m2，用于模擬實(shí)際環(huán)境下局部陰影遮擋情況。兩組實(shí)驗(yàn)的其他設(shè)置均保持一致，消除無關(guān)變量影響。在仿真實(shí)驗(yàn)開始后，控制電池子串向變換器輸送正向電流isr1和isr2，變換器輸出端電流isr3輸送至被遮擋的電池子串，觀察并記錄電流波形。全光照情況下三種電流波形如圖5 所示。

圖5 正常光照下變換器電流波形圖

從圖5 可知，在仿真實(shí)驗(yàn)開始0.02s 后，isr1、isr2和isr3的波形趨于穩(wěn)定，并且三種電流波形的變化趨勢基本上保持一致。其中，isr1的電流維持在0.8A，isr2的電流維持在0.5A，isr3的電流維持在-0.9A。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行局部陰影遮擋下的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)三組光伏電池子串的光照強(qiáng)度均為350W/m2，第0.09s 時(shí)將第三組電池子串的光照強(qiáng)度調(diào)整為150W/m2，第0.17s 時(shí)再將第二組電池子串的光照強(qiáng)度調(diào)整為150W/m2，第0.22s 時(shí)將第二、第三組的光照強(qiáng)度重新調(diào)回350W/m2，觀察并記錄變換器電流波形，如圖6 所示。

從圖6 可知，在出現(xiàn)局部陰影遮擋時(shí)，仿真模型的電流波動變化較為明顯。以isr2為例，在未出現(xiàn)陰影遮擋時(shí)期電流基本為0，在0.09s 有遮擋時(shí)，電流升高至0.2A，在0.17s 對兩組電池子串同時(shí)進(jìn)行遮擋時(shí)，電流最大值達(dá)到了1.8A。在開路電壓維持不變的前提下，隨著電流的升高，光伏組件輸出效率也會相應(yīng)提升，本次仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)測最大功率輸出為43.4W，相比于優(yōu)化前效率提高了10%，優(yōu)化效果明顯。

圖6 遮擋情況下變換器電流波形圖

5 結(jié)論

在光伏發(fā)電技術(shù)日益成熟且推廣使用的背景下，如何進(jìn)一步提升光伏發(fā)電效率成為該技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中必須要攻克的難題之一。在光伏設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，局部陰影遮擋是造成其發(fā)電效率降低的主要因素，探究局部陰影遮擋下光伏組件效率提升策略成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文提出了一種基于雙向Cuk 變換器的光伏組件效率提升控制系統(tǒng)，可基于電壓平衡的功率匹配優(yōu)化算法提高局部陰影遮擋下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在該系統(tǒng)的控制下，當(dāng)光伏組件出現(xiàn)局部陰影時(shí)，電壓保持不變，電流有一定程度上升，進(jìn)而使整個系統(tǒng)的輸出功率增加，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化控制效果。下一步，還要繼續(xù)開展關(guān)于不同光照水平下的功率提升策略研究，以期能夠根據(jù)陰影遮擋面積的不同靈活調(diào)整電感、電流等參數(shù)，始終保證光伏組件效率最大化。