浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員杜進(jìn)、王睿馳、王志鹍、吳建德、何湘寧，在2017年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，因局部陰影遮擋造成的特性失配是引起輸出功率降低的重要原因。

傳統(tǒng)方案大多針對組串及組件失配問題，將每個光伏組件的輸出經(jīng)過變換器獨(dú)立的最大功率跟蹤后再串聯(lián)加以解決，改變了原有系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)。針對小功率分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要遭遇的組件內(nèi)失配問題，研究了一種不改變原有光伏組件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，并采用單開關(guān)的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。

該方法在光伏組件遇到局部陰影等造成的組件內(nèi)特性失配時(shí)，可以從光伏組件的輸出抽取能量，對受遮擋部分進(jìn)行補(bǔ)償，使得各個光伏子串的工作狀態(tài)可調(diào)，從而提高這種情況下的總輸出功率。

該方法屬于部分功率變換，且電路拓?fù)鋬H采用單個開關(guān)管，控制算法簡單，電路損耗和成本較低。仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高局部陰影條件下光伏組件的輸出功率。

隨著全球能源需求的日益增長，光伏發(fā)電因其清潔、便利、安全、適合分布式組網(wǎng)等優(yōu)勢，受到了越來越廣泛的關(guān)注，并已成為最有前途的可再生能源發(fā)電方式之一[1-5]。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)對外部環(huán)境變化和組件的一致性較為敏感，當(dāng)遭遇局部陰影遮擋或光伏組件個體差異形成的失配問題時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率將顯著下降。這一問題已經(jīng)成為制約光伏發(fā)電進(jìn)一步推廣應(yīng)用的重要因素之一[6,7]。

研究光伏發(fā)電失配問題的解決方案，首先需要對失配問題的類別進(jìn)行劃分[8]。在集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于架設(shè)地點(diǎn)一般選在開闊的平原或荒漠，各個光伏組件的光照條件一致程度很高，僅在大片云朵飄過時(shí)易出現(xiàn)組串失配和組件失配等組件外部的失配問題；而在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)如建筑物集成光伏系統(tǒng)（BuildingIntegrated Photovoltaic System, BIPV）中，發(fā)電條件更加復(fù)雜多變。

光伏組件數(shù)目少，并且極易受到由建筑物、樹木、鳥獸排泄物等造成的局部陰影問題的影響，主要遇到的是組件內(nèi)部的失配問題[9]。由局部陰影遮擋造成的各類光伏失配問題如圖1所示。

圖1由局部陰影遮擋造成的光伏失配問題示意圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)在失配條件下輸出功率衰減的原因主要有兩個方面：一是由于輸出特性曲線呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum PowerPoint Tracking, MPPT）算法受到多個極值點(diǎn)干擾，無法尋到真正的最大功率點(diǎn)；二是由于特性失配，系統(tǒng)各部分的最大功率點(diǎn)工作電流不同，即便工作在系統(tǒng)特性曲線的最大功率點(diǎn)，也存在發(fā)電潛能的浪費(fèi)。

針對光伏發(fā)電的失配問題，許多學(xué)者做了深入的研究，并且形成了光伏優(yōu)化器（PV optimizer）這一概念。光伏優(yōu)化器，在一些文獻(xiàn)中也被稱為嵌入式變換器（ModuleIntegrated Converter, MIC）、光伏調(diào)節(jié)器（PV conditioner）或發(fā)電控制電路（GenerationControl Circuit, GCC）等。光伏優(yōu)化器是一種與光伏組件串聯(lián)連接的DC-DC電路。按照其用途可分為用于解決組件外部的組串失配和組件失配的優(yōu)化器，以及用于解決組件內(nèi)部的組件內(nèi)部失配問題的優(yōu)化器。

按照光伏優(yōu)化器與光伏組件的連接結(jié)構(gòu)，可以分為串聯(lián)型光伏優(yōu)化器和并聯(lián)型光伏優(yōu)化器，具體分類如圖2所示。

圖2光伏優(yōu)化器的分類

針對組串失配和組件失配問題，主要是采用串聯(lián)型光伏優(yōu)化器解決。相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟。這類方法需要改變光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，將每個光伏組件的輸出經(jīng)過DC-DC變換器的調(diào)節(jié)，再串聯(lián)形成組串，最終通過逆變器并網(wǎng)。這樣的結(jié)構(gòu)可以對每個光伏組件進(jìn)行獨(dú)立的分布式MPPT，從而在組串失配和組件失配的情況下使得各個光伏組件仍然工作在各自的最大功率點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]詳細(xì)總結(jié)了該類電路的類型和拓?fù)溥x擇，并選取了一個最優(yōu)拓?fù)浼右詫?shí)現(xiàn)，用樣機(jī)驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[11,12]分析了基于上述思路的光伏優(yōu)化器產(chǎn)品SolarMagic的原理和適用條件。

文獻(xiàn)[13]在文獻(xiàn)[11,12]基礎(chǔ)上研究了光伏優(yōu)化器的硬件設(shè)計(jì)與控制策略，分析了串聯(lián)分布式系統(tǒng)中最合適的拓?fù)浜涂刂品椒?。另外還有學(xué)者研究利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的解決方案。文獻(xiàn)[14]采用了組態(tài)控制的方法。通過控制開關(guān)矩陣切換，實(shí)現(xiàn)輸出功率最大化，取得了較好的效果。上述方法很好地解決了組串失配和組件失配問題帶來的功率下降問題。

對于分布式應(yīng)用中最關(guān)鍵的組件內(nèi)部失配問題，如果采用上述的串聯(lián)型優(yōu)化器，則必須將光伏組件中的子串?dāng)嚅_連接，通過相應(yīng)數(shù)量的優(yōu)化器進(jìn)行功率變換后再進(jìn)行串聯(lián)，在實(shí)際使用中可操作性不強(qiáng)。

文獻(xiàn)[15,16]總結(jié)了一些針對局部陰影的改進(jìn)算法，但是這些改進(jìn)算法僅能改善MPPT算法受到多極值點(diǎn)干擾的情況，光伏系統(tǒng)中仍然存在發(fā)電潛能浪費(fèi)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，更為有效的方法是利用特殊設(shè)計(jì)的光伏優(yōu)化器，對組件內(nèi)各個光伏子串的發(fā)電條件加以控制，從而提高輸出功率。

在文獻(xiàn)[17-19]中，作者提出了發(fā)電控制電路（GenerationControl Circuit, GCC）的概念，并且歸納了兩種實(shí)現(xiàn)的原理。一種是采用一個多級Buck-Boost電路，其各級占空比與各個光伏子串的MPP電壓之比相等；另一種是采用多輸出的DC-DC電路，輸入接光伏組件的總輸出，控制每個光伏子串的電壓相等。

這種方法可以用來解決組件內(nèi)部失配問題。然而，前者需要對每個光伏子串的輸出進(jìn)行擾動，控制維度過多，控制算法復(fù)雜，另外采用了較多的開關(guān)管和磁性元件，電路也較為復(fù)雜；后者的控制目標(biāo)是均壓，并不能使失配條件下的光伏組件發(fā)揮全部發(fā)電潛能。上述兩種方法雖然為解決組件內(nèi)部失配問題奠定了基礎(chǔ)，但是都存在各自的不足。

文獻(xiàn)[20]提出了虛擬并聯(lián)的概念，通過兩個輔助相將光伏模塊中三個串聯(lián)光伏子串等效為并聯(lián)連接，從而使其電壓相等。這種方法具有便于控制的優(yōu)點(diǎn)，但是需要將各個光伏子串電壓強(qiáng)制鉗位到相同值，存在錯過光伏組件在該條件下的最大功率點(diǎn)的可能。

本文基于并聯(lián)型優(yōu)化方法，研究和設(shè)計(jì)了一種單開關(guān)管光伏優(yōu)化器電路，采用電流控制方法，能夠在不改變光伏組件外部電氣連接方式的前提下，實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)部失配部分的能量均衡，調(diào)節(jié)各個光伏子串的工作點(diǎn)，從而提升光伏組件在組件內(nèi)部失配情況下的輸出功率。

圖12樣機(jī)電路圖片

結(jié)論

本文分析了光伏組件局部陰影條件下并聯(lián)型功率優(yōu)化方法的原理和適用條件，并采用單開關(guān)管的多繞組反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法在光伏組件遭受不同陰影遮擋的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)2%～15%的功率提升。

本方法的優(yōu)勢明顯。首先，本文提出的并聯(lián)型優(yōu)化器從釋放局部陰影條件下光伏組件浪費(fèi)的發(fā)電潛能入手，在不改變光伏組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，消除了光伏組件P-U特性曲線的多峰值現(xiàn)象，提高了光伏組件在該情況下的最大輸出功率。其次，本文提出的并聯(lián)型優(yōu)化器采用多繞組反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，僅有一個功率開關(guān)管，電路結(jié)構(gòu)與控制算法均較為簡單。

然而，需要指出的是，并聯(lián)型優(yōu)化器需要與具有MPPT功能的光伏組件功率優(yōu)化器或微逆變器配合使用，才能保證在更廣泛的輸出電壓范圍內(nèi)保持最大功率輸出。另外，當(dāng)光伏子串?dāng)?shù)量較多，而各個光伏子串的遮擋情況不一致時(shí)，該電路僅能實(shí)現(xiàn)輸出功率一定程度的提升。無法確保達(dá)到真正的全局最大功率點(diǎn)。并聯(lián)型功率優(yōu)化方法仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。