宁夏大学李健、姜豪：局部阴影条件下的新型光伏阵列混合重构方法

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对于光伏发电系统，局部阴影可导致输出功率下降，甚至产生热斑效应。采用重构方法能够有效降低局部阴影的影响，减少功率损失，提高输出功率。针对现有重构方法存在的不足，宁夏大学电子与电气工程学院的李健、姜豪在2024年第9期《电气技术》上撰文，结合动、静态重构方法的优点，基于全交联（TCT）结构光伏阵列，提出一种新型混合重构（NHR）方法。 首先，将整个光伏阵列划分为四个子阵列，并基于插空列循环（ICL）静态重构方法对子阵列进行重构；然后，采用开关控制技术对各子阵列进行动态重构，得到最优结构；最后，在局部阴影条件下，基于Matlab/Simulink软件搭建光伏阵列仿真模型，对比分析NHR方法与其他重构方法的仿真结果。结果表明，采用NHR方法能有效分散被阴影遮挡的组件，降低失配损失，有利于提高光伏阵列输出功率，明显减少其输出特性曲线上的峰值个数，使其输出性能更优。

作为化石燃料的可行替代品，光伏能源的应用日益广泛，在满足人类能源需求的同时减少了污染。然而，阴影遮蔽会导致光伏阵列的输出功率大幅降低，因此对局部阴影条件下光伏阵列的优化策略进行研究具有重要意义。

一般的光伏阵列重构方法可分为动态重构和静态重构。动态重构方法需要大量的传感器、开关和控制算法，增加了系统的成本和复杂性。相较而言，静态重构方法具有原理简单、成本较低等优点。

在实际应用中，考虑到位置和地形等因素，为增强光伏阵列的适用性，文献提出“之”字形ZZ（zig-zag）静态重构方法，虽然该方法能将被阴影遮挡的组件分散，但是其分散效果有限，不适用于大规模光伏阵列。文献提出奇偶重构（odd even configuration, OEC）方法，该方法使光伏阵列的列之间循环较快。文献提出插空列循环（inter- polation & column loop, ICL）静态重构方法，该方法对奇数行光伏阵列在长窄型阴影遮蔽情况下的阴影分散效果有限。

针对局部阴影条件下光伏阵列行电流不匹配导致的功率损失问题，为了增大其输出功率、减少输出特性曲线上的峰值个数，本文提出一种新型混合重构（new hybrid reconstruction, NHR）方法，并基于Matlab/Simulink软件搭建全交联（total-cross-tied, TCT）结构光伏阵列仿真模型，以验证所提方法的优越性。

1 基于TCT结构的NHR方法

1.1 ZZ、OEC和ICL重构方法概述

在实际的光伏发电系统中，光伏阵列内部光伏组件的排布需要综合考虑发电量、占地面积、支架用量和安装难度等因素，相较于其他结构阵列，TCT结构光伏阵列的应用较多，如图1（a）所示。从光伏阵列重构优化后的效果来看，以下3种重构方法具有优势。

1）2017年，VIJAYALEKSHMY S等学者提出了“之”字形ZZ重构方法，如图1（b）所示。具体重构过程如下。

图1 TCT结构，ZZ、OEC和ICL重构方法

（1）奇、偶行分离。将原TCT结构光伏阵列分离为奇数行组件和偶数行组件，奇数行组件在上、偶数行组件在下，再按顺序依次连接，那么得到各列的行排序均为1、3、5、2、4。

（2）奇、偶列移动。第1列组件保持不变，将其余各列分为奇数列和偶数列。偶数列第2列向上移动1行，奇数列第3列向下移动2行，偶数列第4列向上移动3行，奇数列第5列向下移动4行，偶数列第6列向上移动5行。

（3）组件交换位置。将第１行组件与执行第（2）步得到阵列对角线上的组件交换位置。第1列组件保持不变。第2列中组件12与组件52交换位置，即可得重构优化阵列第2列的行排序为3、1、2、4、5。第3列中组件13位于阵列对角线上，因此无需交换位置，第3列的行排序为2、4、1、3、5。第4列中组件14与组件34交换位置，可得第4列的行排序为2、4、3、1、5。第5列与第3列相同，组件15位于阵列对角线上，因此无需交换位置，第5列的行排序为3、5、2、4、1。第6列的行排列与第1列相同，第6列的行排序为1、3、5、2、4。

2）2020年YADAV K等学者提出OEC方法，如图1（c）所示。具体重构过程如下。

（1）奇、偶行分离排序。将原TCT结构光伏阵列中的每一列分离为奇数行组件和偶数行组件，在奇数列中奇数行组件在上、偶数行组件在下，按顺序依次连接；在偶数列中偶数行组件在上、奇数行组件在下，按顺序依次连接。

（2）奇、偶列移动。第1列组件保持不变。第2列向上移动1行，即可得重构优化阵列，第2列的行排序为4、1、3、5、2。第3列向上移动2行，可得第3列的行排序为5、2、4、1、3。第4列向上移动3行，可得第4列的行排序为3、5、2、4、1。第5列向上移动4行，可得第5列的行排序为4、1、3、5、2。第6列向上移动5行，可得第6列的行排序为2、4、1、3、5。

3）李峰、孟少飞在2021年提出ICL静态重构方法，如图1（d）所示。具体重构过程如下。

（1）行插空。将光伏阵列分离为前3行（1、2、3行）和后2行（4、5行）两部分。再将后2行组件按顺序依次插入前3行组件之间，那么得到各列的行排序均为1、4、2、5、3。

（2）循环。第1列组件保持不变，其余各列依次为前1列的所有行向下循环1行，即可得重构优化阵列第2列的行排序为3、1、4、2、5。同理可得，第3列的行排序为5、3、1、4、2，第4列的行排序为2、5、3、1、4，第5列的行排序为4、2、5、3、1，第6列的行排序为1、4、2、5、3。

由图1可知，在大范围阴影遮蔽情况下，ZZ重构方法对阴影的分散效果有限，OEC方法列循环较快，ICL重构方法在长窄型阴影遮蔽的情况下，对奇数行光伏阵列阴影的分散效果有限。

1.2 基于TCT结构及开关控制的NHR方法

在局部阴影情况下，本文先根据阴影类型将整个光伏阵列划分为四个子阵列，再将其组合成2×2的TCT结构光伏阵列。选取长宽型、长窄型、梯型和短宽型4种典型阴影情况，再根据阵列受阴影遮蔽程度，由大到小依次将阵列编号为1、2、3、4。阴影类型如图2所示，设定灰色模块为受遮蔽组件，接受的光辐射照度为500 W/m 2 ，白色模块为未受遮蔽组件，接受的光辐射照度为1 000W/m2。

图2 阴影类型

在光伏阵列中，输出电压为每列串联子阵列输出电压之和，输出电流为一行内子阵列输出电流之和。由此可知，改变每行子阵列的左右位置，该行输出电压不会改变；改变每列子阵列的上下位置，该列输出电流不会改变。因此，光伏阵列存在3种组合形式，形成3种结构类型，如图3所示。

图3 结构类型

分析图3可知，根据光辐射照度均衡原理，3种结构光伏阵列的输出电压和电流均不相同，因此光伏阵列的输出特性曲线存在差异。

图4 开关控制电路

2 局部阴影情况下光伏阵列的性能

2.1 动态重构的仿真分析

本文基于Matlab/Simulink软件搭建光伏阵列仿真模型，为了便于计算，默认所有光伏组件均在25℃的温度条件下工作。针对长宽型、长窄型、梯型和短宽型这4种阴影遮挡情况，采用结构1、结构2、结构3进行仿真对比。3种结构的光伏阵列P-U输出特性曲线如图5所示。

图5 光伏阵列P-U输出特性曲线

由图5可知，与结构1和结构2相比，结构3的最大输出功率分别提高了620W和334W，提升率为3.4%和1.8%。因此，在上述4种典型阴影情况下，采用结构3的光伏阵列获得的重构效果最佳。

2.2 局部阴影情况下的性能指标分析

针对结构3的光伏阵列，本文分别采用ZZ、OEC和ICL静态重构方法进行仿真对比。以采用ICL静态重构方法为例，NHR重构过程如图6所示。重构过程主要步骤如下：

1）采用ICL静态重构方法对四个子阵列进行静态重构。

2）采用开关控制技术对各子阵列进行动态重构。

采用ZZ和OEC静态重构方法同理。由于各重构方法的优化效果不同，子阵列的输出电压和电流均不相同，导致光伏阵列的输出特性曲线存在差异。

图6 NHR重构过程

图7 不同重构方法优化后的光伏阵列输出特性曲线

由图7可知，对于局部阴影情况下的TCT结构光伏阵列，其输出特性曲线上存在两个峰值，且阵列的最大输出功率最低；采用ZZ和OEC静态重构方法优化后，光伏阵列的最大输出功率有所提高，但是其输出特性曲线上的峰值个数并未减少。与未重构优化的TCT结构光伏阵列，以及ZZ和OEC静态重构方法相比，采用本文所提NHR方法优化后，光伏阵列的输出特性曲线呈现单峰值特性，且最大输出功率最高。

图8 不同重构方法的优化效果对比

式（1）-（3）

3 结论

本文分析了采用不同重构方法优化后光伏阵列的多项性能指标，基于Matlab/Simulink软件搭建了光伏阵列仿真模型，仿真结果表明，在局部阴影条件下，使用NHR方法能提高光伏阵列的最大输出功率，相对重构前的TCT结构光伏阵列，峰值输出功率提升率约10.4%，其输出特性曲线呈现单峰值特性，优化效果显著。因此，在典型局部阴影条件下，本文所提方法可以根据阴影类型动态地改变光伏阵列，有效分散被阴影遮挡的组件，降低失配损失，同时提高光伏阵列的输出功率，优化输出特性曲线，有利于最大功率点跟踪。

本工作成果发表在2024年第9期《电气技术》，论文标题为“局部阴影条件下的新型光伏阵列混合重构方法”，作者为李健、姜豪。

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