基于TCT结构采用变异系数法光伏阵列重构策略

朱世豪，朱 武

(上海电力大学电子与信息工程学院，上海 200090)

随着化石燃料资源逐渐枯竭，世界各国开始重点关注可再生能源，而太阳能作为一种用之不竭的清洁能源，让光伏发电在电力系统中扮演着越来越重要的角色[1-2]。但在实际应用中，光伏阵列往往会受到周围建筑物、树木造成的阴影遮挡，或流动的云层和灰尘造成表面光照不均，使光伏阵列处在局部阴影条件PSC(partial shading condition)下，造成失配光伏组件的电流发生变化，使得正常工作的组件变成负载以热量的形式消耗功率，进而引发热斑效应[3]。目前针对组件失配问题多采用并联旁路二极管来给失配组件提供低阻抗能量通路，当发生遮荫时，组件两端的负电压使得旁路二极管从反向偏置转换为正向导通，断绝了热斑效应的出现。但被短路的组件因此承受反压而不能发电，且旁路二极管的导通会使P-U 曲线出现多个局部最大功率点，不利于最大功率点追踪[4]。此外，为解决失配问题，还可以采用重构的方法，让光伏组件随着外部环境的变化来改变组件间的连接方式。文献[5]通过移动阵列中的组件，使用矩阵开关进行电子化阵列，对光伏阵列进行整体重构，可以较大提高阵列的输出功率。但是相应的开关和传感器大量增加，较难实现复杂的重构算法。因此使用并不广泛，多处于理论阶段。文献[6]基于TCT 结构，先采用静态配置仅改变光伏组件的位置坐标，不改变电气连接，使集中的阴影分散到每一行，再将整个光伏阵列分为4 个小型方阵，并给每个方阵配一个全局最大功率追踪器，利用开关控制小型方阵的连接来提高输出功率。由于此方法仅局限于方阵，且静态配置实现困难，所以实用价值较低。文献[7]依据辐照均衡原理，在判断受到遮荫后，对光伏阵列增加额外的补偿电池单体，并对补偿电池和光伏阵列进行重构。但补偿电池不仅额外消耗功率，在遇到遮荫时还需要断开，对提高整体输出效率不明显。

为了满足重构方案的实施便携并减少矩阵开关的功率损耗，本文从光伏阵列宏观拓扑结构出发，选用TCT 结构，将光伏阵列自身一列看为活动补偿列，其余部分作为固定输出部分，通过硬件测量各个光伏组件的电压和电流，得出其辐照强度，利用变异系数法来降低遮荫下光伏组件间的失配程度，并借助矩阵开关实时调整光伏阵列的等效拓扑结构。此方法虽需要测量各个组件的电压和电流，但组件间不需要大量的开关连接，且对遮荫部位无限制，具有一定的实用性。针对6 种不同的遮荫情况进行阵列重构，借助仿真软件对重构前后的光伏阵列输出特性进行比对分析。

1 光伏阵列宏观结构

光伏阵列由光伏组件通过电气连接排列而成，组件间的基本连接方式有串联结构和并联结构。串联结构下，流过每个光伏组件的电流相同，且可以提升阵列整体的输出电压，但是一旦部分组件受到遮荫影响，电流减小，而串联结构中电流处处相等，使得阵列的输出电流减小并会限制结构中其他组件的电流，造成整个光伏阵列的输出功率减小；并联结构下，每个组件的端电压相同，且具有相互独立的输出电流，在受到遮荫影响时，不限制其他组件的正常工作，但并联结构的输出电压较低，使得直流母线上流过大电流，加大损耗。

基于这两种基本的连接方式，目前最常见的光伏阵列宏观布局有三种，分别是串并联SP(series-parallel)结构、TCT 结构以及桥式BL(bridge-linked)结构，如图1 所示。在光伏阵列无遮荫或光照均匀的条件下，三种宏观结构的最大输出功率相同，并且都只具有一个最大功率点；由文献[8]可知，在相同参数不同形状的局部阴影影响下，三种结构都会造成一定的功率损失，但TCT 结构具有更好的输出性能，故本文选取TCT 结构进行光伏阵列重构设计。

图1 光伏阵列常见宏观结构

2 电流值的离散程度

对于PSC 下所造成的光伏组件失配问题，很大程度上与光伏阵列中的串联结构有关。对于TCT 结构来说，每一个并联模块内的失配组件的电流互不影响，但相邻并联模块间的串联结构会限制电流的改变；在光伏组件正常工作时，其开路电压近似与辐照度的对数成正比，短路电流几乎与辐照度成线性正相关，说明阵列在最大功率点处的电流受辐照度的影响比电压大[9]。从分析阵列结构和限制功率输出的主要因素得出基于TCT 结构光伏阵列重构的目的就是让每个并联模块之间的电流离散程度尽可能减小，而一组数据的离散程度与其具体大小无关，为了能更直观地表现出电流值间的差异，这里可以采用辐照强度来间接替代电流值反映各并联模块的离散程度[10]。

假设TCT 结构是由m行n列的光伏组件排列而成，第i行、第j列的光伏组件的辐照度记为Gij，则第i行的并联模块的行辐照度均值Gi可表示为：

为了能够更精准地确定光伏阵列行与行之间辐照度的离散情况，给重构提出依据，这里采用变异系数作为离散指标。变异系数是衡量数据中各观测值变异程度的一个统计量，在本文中，变异系数定义为：

式中：Gm为光伏阵列的整体辐照度均值，其计算表达式为：

由上述分析可知光伏阵列的重构策略就是在所有重构方案中找到能使变异系数C.V最小的方案，在此方案下，每个并联模块之间因为辐照度不均匀而引起的功率损耗可达到最小，即在相同的PSC 下，C.V越小，光伏阵列就能获得越大的输出功率。

3 基于TCT结构的重构策略

3.1 光伏阵列的电气重构

为使光伏阵列能够通过重构降低各并联模块之间辐照度的差异，在TCT 结构的基础上将阵列最左列作为活动补偿列，其余部分作为固定输出部分，二者通过矩阵开关连接，如图2 所示。

图2 光伏阵列重构结构

对于m行n列的矩阵来说，其活动补偿部分有m个，固定输出部分有(mn-m)个，C1～Cm是矩阵开关与活动补偿部分之间的动作接口，分别连接m个组件的正负极，R1～Rm是矩阵开关与固定输出部分中第一列之间的动作接口。

3.2 矩阵开关的设计

在光伏阵列的局部重构策略中，矩阵开关起着至关重要的作用，通过矩阵开关的控制，可以将宏观结构与智能控制电路相结合，能够针对不同的阴影和失配情况进行切换，完成重构。对于上述的重构结构，其开关矩阵如图3 所示。

图3 开关矩阵结构

对于活动补偿部分的组件而言，其端口C1～Cm可以独立地连接到右边端口R1～Rm上，故每个组件都有m种选择来连接到对应的固定输出部分。对于R1～Rm接口而言，既可以不连接任何一个补偿组件，也可以并联上所有的补偿组件。针对图3 的开关结构，表示了C1～Cm接口分别并联接上了R1～Rm接口，即m行n列的初始TCT 结构。

3.3 基于变异系数的重构策略

3.3.1 辐照度的获取

光伏阵列重构的前提是已知每个光伏组件的辐照强度Gij，设每个组件由n个电池单体构成，测得第i行、第j列组件的电压和电流分别为Vij、Iij，那么该组件的辐照度计算式为：

式中：α 为电流和辐照度间的正比例系数；Is、a分别为电池单体二极管的饱和电流和特征因子；q为电子电荷常数；k为玻尔兹曼常数；T为工作温度。通过测量每个组件的电压和电流就可以计算其辐照强度。

3.3.2 重构策略的优化

在光伏阵列的局部重构过程中，其策略主要体现在对矩阵开关的控制。以m行n列的TCT 重构结构为例，一般情况下，需要在mm种方案中找到符合式(2)的最小变异系数C.V。但如果活动补偿部分的辐照度都相同时，它们对于固定部分每一行的补偿效果是一样的。从光伏阵列的角度来看，为了能使C.V尽可能小，重构后的阵列结果必定是Gi向Gm靠拢来降低数据的离散程度。故其中Gi≤Gm的行的端口开关一定不动作，因为该行的并联模块已经受到严重的阴影影响，不可能失去原始的补偿组件，但Gi>Gm的行的端口开关就具有不确定性。对于这种情况，能够自由分配的补偿组件有m－[i]个，故重构方案仅有mm-[i]种，其中[i]表示m行中Gi≤Gm的行的个数。结合上述两种情况，重构策略流程如图4 所示。

图4 重构实施流程

在此重构流程中，还加入了两个判断条件。一是所有行的Gi是否相等，如果相等，意味着重构前阵列就已经满足了重构要求，此时C.V=0，不需要额外的开关动作；二是加入稳定性判断，即在重构实施过程中，判断行辐照度均值Gi是否发生变化，若发生变化，则重新计算组件的辐照强度，避免重构过程中的阴影变化对结果产生影响。

4 光伏阵列重构仿真研究

为了验证上述重构方案的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建光伏阵列进行仿真。

4.1 工作情况模拟

本文模拟的TCT 光伏阵列结构行数m=6，列数n=5，共设置了6 种不同的工作情况，如图5 所示，分别为倒三角阴影、竖条状阴影、横条状阴影、团状不规则阴影、点状离散阴影和损坏情形。

图5 6种工作情况

分别对上述6 种初始情况实行重构，并对重构前、后的光伏阵列输出特性进行对比分析。

4.2 仿真结果对比分析

如图5(a)工作情况所示，阴影分布在光伏阵列的右上角，活动补偿组件辐照度都相同。G1～G6分别为560、700、840、920、1 000 和1 000 W/m2，Gm为836.67 W/m2，得出G1、G2

图6 重构后的光伏阵列结构

图7 重构前、后的光伏阵列P-U特性曲线

从输出特性曲线可以看出，重构前有较为明显的多峰值点，重构后光伏阵列的最大输出功率不仅有较明显的提升，而且P-U 曲线更趋向于单峰值特征，峰值点之间更趋于平滑，有效避免了最大功率点跟踪算法收敛在局部最优点，拥有后级控制简单的特点。针对上述6 种工作情况，重构前、后的各项参数与优化对比如表1 所示。

由表1 可知，重构后最大功率平均提升了10.57%，峰值点数目由平均3.2 个降为2.2 个。在本文列举的6 行5 列的TCT阵列结构中，每种工作情况完成一次重构操作理论上需要尝试的重构方案为66=46 656 个，通过优化重构策略，使重构方案数目平均减少了95.93%，避免了大部分的无效方案，并且都只有较少的开关动作次数。

表1 重构前后的参数与优化对比

5 结论

为了提升PSC 下光伏阵列的输出功率，本文基于TCT 结构，利用开关矩阵将阵列分为活动补偿部分和固定输出部分，采用变异系数作为离散指标来优化重构方案。仿真结果显示，在重构后，最大输出点功率平均提升了10.57%，P-U 特性曲线的峰值点个数由平均3.2 个降为2.2 个，且整体图像趋于平滑的单峰值特征；在补偿组件辐照度均匀的情况下，优化的重构策略使重构方案数目平均减少了95.93%，且重构完成后的开关动作次数都较少，面对大型光伏阵列和阴影变化较快的场景，此重构方法实现简单，可以节约大量时间成本，并为后期的最大功率点追踪提供便捷。