常见光伏阵列拓扑结构分析

丁坤，王祥，徐俊伟，张经炜，翟泉新

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.常州市光伏系统集成与生产装备技术重点实验室，江苏 常州 213022）

随着现代社会的不断发展，能源需求也越发紧张。太阳能作为一种清洁能源，越来越受到广泛利用。太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要形式之一，近年来受到科研人员的关注[1-3]。但光伏发电目前仍存在很多问题，例如光伏阵列在云层、建筑物、表面灰尘等因素影响下导致表面辐照度不均匀，产生失配问题，造成输出功率损失[4-5]，又例如需使得所设计的光伏系统最大限度降低成本并做到效益最大化。这些都与太阳能光伏发电系统中光伏阵列拓扑结构密切相关。本文将通过理论分析和实验仿真得出不同拓扑结构光伏发电系统与输出功率之间关系。

1 集中式光伏发电系统

集中式光伏发电系统是一种较为传统的拓扑结构。它是通过将光伏组件直接串并联之后满足一定的功率和电压等级，再通过后级逆变器将能量传输到电网上。这种集中式结构每串上都需串联一个阻塞二极管，以防止光伏组件之间的失配而产生功率损耗。

目前，集中式光伏发电系统中阵列的拓扑结构主要有3种，即串联结构（SP）、网状结构（TCT）和桥式结构（BL）[6]。如图1所示。

图1 集中式系统常见拓扑结构Fig.1 The common topology structure for the centralized system

显然，对于SP结构的拓扑方式，其最大的优点是结构简单，节约成本。在组件表面光照均匀没有任何阴影的情况下，该结构是比较适用的。可是一旦阴影出现，由辐照强度和输出电流成近似正比关系可知，被遮挡组件中电流减小，从而导致该串电流减小，使得系统的输出功率降低。当组件严重失配时，还将影响组件阵列输出电压，导致系统安全问题[7]。相较于SP，TCT是一种不太理想目前还较少使用的拓扑结构。采用这种结构时，当某个组件中电流发生变化时，可使不同电流流经不同组件串，从而减小被遮挡组件中的电流，使其工作在正向偏压区并输出一部分功率[8]。因此，使用这种结构可有效提升系统输出功率。当然，代价是需要铺设更多的电缆，电缆上的电能损耗也相应增加。BL结构与TCT类似，只是使用了较少的互连电缆，效率处于TCT与 SP之间。

下面利用硅太阳能电池工程用模型[9]，以3×2阵列进行仿真实验，以分析3种连接方式之间的性能差异。假设其中一个组件处于不同程度辐照度失配条件（图中用黑色阴影表示，下同），其余5个组件在STC下工作，如图2所示。在此条件下，相对于各自的P-V特性曲线，SP，TCT和BL 3种不同拓扑结构都将会各自出现2个功率峰值。其中电压值较小的峰值点称为左峰，较大的称为右峰。利用Matlab编程仿真，得到的结果图3所示，横轴为失配的光伏组件吸收的辐照度值，纵轴为各个拓扑结构输出功率。

图2 三种拓扑结构下失配示意图Fig.2 Sketches of three kinds of different topology structures under the mismatch condition

由于在不同遮挡情况下，失配组件可能工作在左峰，或是在右峰。图3中总功率曲线出现弯折正是由左右峰造成的。从图3中可以看出，在轻微失配的情况下，最大功率点（MPP）在右峰，此时系统输出功率大小为TCT>BL>SP。当被遮挡组件处于严重失配时，最大功率点工作在左峰，这时有SP>BL>TCT。

由上述分析和仿真实验可以看出这3种结构各有优缺点，有学者就提出了可重构阵列[10]，使得系统可在不同工况下实现自动切换结构，如图4所示。这种阵列包括用于平时发电的固定阵列部分和平时处于备用状态的补偿阵列。当某固定部分的阵列出现阴影时，通过矩阵开关，利用备用阵列区补偿受到影响的阵列，这样使系统始终工作在最大功率输出点。这种矩阵开关实现了拓扑结构的智能控制，具有方便快速的优点[11]。但这种可重构阵列缺点在于：首先，补偿阵列增加了额外成本，当它们处于备用状态时是不工作的，浪费了输出功率。其次，可重构阵列系统结构和控制系统复杂，重构的判别依据算法困难，导致可靠性不高。最后，当补偿阵列也同时受到阴影影响，可重构阵列极有可能失效。

图3 三种拓扑结构在失配情况下最大输出功率Fig.3 The maximum output powers of three kinds of topology structures under the mismatch condition

图4 矩阵开关Fig.4 The matrix switch

2 模块式光伏发电系统

集中式结构虽然系统简单，成本低廉，但却有些弊端。首先，单个组件输出功率难以最大化。其次，一旦阵列中某个组件出现故障无法正常工作，整个支路都将受到影响，系统工作的可靠性得不到保证[12]。为了改善集中式发电系统结构存在的缺陷，因此便引入了模块式的光伏发电系统。图5表示的是典型的直流模块式和交流模块式光伏发电系统结构。

图5（a）的直流模块式系统中，每个光伏组件输出端都接入一个DC-DC变换器，变换器的输出端串联后将能量输入到后级逆变器输入端[13]。

图5（b）是交流模块式。这种系统中每个组件都接有一个具有MPPT功能的微型逆变器，直接将光伏组件输出的直流电能转换为交流电能，最后将各个模块的交流电能接入电网[12]。

图5 模块式光伏发电系统Fig.5 The modular PV system

采用模块式光伏发电系统结构具有以下优点[13]：

1）组件之间单独工作，互不影响，每个组件都能工作在MPP处，系统输出功率得到很大提高。

2）各组件互不影响，可根据需求方便地增加减少组件，具有“热插拔”性能。

3）由于各个模块相同，可以实现标准化，规模化生产。

4）可以方便迅速地采集每个模块的性能信息，而且能有效提高系统的使用寿命和可靠度。

以直流模块为例，需要在每个光伏组件输出端都连接一个DC-DC组件优化器，从而获取系统的最大功率。这类组件优化器在工作过程中首先要保证能够追踪到光伏组件的最大功率点，在此前提下，采用DC-DC变换器自动调节级联的组件优化器的输出电压、电流，使得光伏系统能够保证高效、稳定的功率输出[14]。例如美国国家半导体公司生产的SolarMagic模块，将其与组件配套使用，可有效提高系统输出功率。

常用的组件优化器的主电路DC-DC变换器的基本拓扑有3种：Buck、Boost和Buck-Boost。仿真实验表明，Buck和Boost拓扑电路在光伏发电系统处于严重失配工况下有可能使组件优化器出现失效现象，这样对系统总输出功率将会产生极大的影响。而对于Buck-Boost拓扑电路的组件优化器虽然能够适应任意工况，但是输入输出电压或者电流的极性相反，而且拓扑电路的工作效率低下。因此有人提出了基于双开关管的Buck-Boost拓扑电路的组件优化器[15]。这种拓扑电路的优化器能够较好解决上面出现的问题。

仿真实验表明，模块式光伏系统无论是在轻微失配还是严重失配情况下，组件优化器均能使得每个组件保持在MPP处输出功率。同样采用了3×2阵列仿真，如图6所示，利用Matlab编程得到仿真结果如图7所示。

图6 直流模块式失配示意图Fig.6 Sketch of the DC module under the mismatch condition

图7 集中式与模块式失配情况下最大功率比较Fig.7 The comparison of the maximum output powers for centralized and modular systems under the mismatch condition

可以看出，与集中式相比，同一个组件在相同失配条件下，由于模块式中每个组件均能工作在MPP处，整个系统的输出功率得到了很大的提高。

3 串式光伏发电系统

由于集中式光伏发电系统不能使每个组件工作在其MPP处，效率较低，而模块式虽然输出功率最大，效率最高，但鉴于成本限制，也不可能在实际中广泛应用。因此也有学者提出了串式结构，如图8所示，它可以有效兼顾上述优点。这种结构既能保证每串组件输出最大功率，同时也可以减少DC-DC变换器的数量，降低成本。

图8 串式失配示意图Fig.8 Sketch of series connected system under the mismatch condition

下面同样以3×2阵列为例进行仿真，如图9所示。考虑其中一个组件不同程度失配情况来分析串式结构的功率输出曲线。

图9 集中式、模块式和串式失配情况下最大功率比较Fig.9 The comparison of the maximum output powers for centralized，modular and series connected systems under the mismatch condition

从图9中可以看出，采用串式拓扑结构的光伏发电系统的输出功率比集中式要增加很多。虽然没有模块式输出功率大，但从经济角度考虑，采用这种拓扑结构性价比是最高的，所以现在广泛使用的正是串式结构。例如德国SMA公司生产的Sunny Boy系列和美国Power-One公司的AURORA组串式逆变器，他们均为有多路MPPT功能的逆变器，在串式光伏发电系统中得到了很好的使用。

4 结论

本文通过对光伏发电系统的不同拓扑结构进行分析，比较了各自优缺点。然后在假设一个组件有不同程度失配情况下，利用Matlab进行仿真计算，得到不同拓扑结构下的系统输出功率值，并得出以下结论：

1）在集中式光伏发电系统中，SP、TCT、和BL 3种阵列拓扑结构各自存在优缺点。当失配情况严重时，SP结构输出功率最大，轻微失配时，则TCT结构输出功率最大。

2）在不考虑成本情况下，模块式光伏发电系统结构效率最高，它能保证系统具有最大输出功率。

3）串式光伏发电系统效率和成本都介于集中式和模块式之间，是一种性价比较高的拓扑结构。

4）光伏发电系统在选择何种拓扑结构时，在以输出功率为主要参考的同时，也要兼顾成本和系统的控制精度和难度等。

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