平流層飛艇光伏電池發電系統電路拓撲研究

倪 勇陳 中

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；

2.安徽建筑大學機械與電氣工程學院，安徽 合肥230601）

0 引言

平流層飛艇利用自身浮力運行在20 km高空附近，可以攜帶多種載荷完成預警、通訊、攻擊等作戰任務。能源供給是制約平流層飛艇長時駐空的關鍵技術。目前平流層飛艇主要采取光伏電池作為一次能源，為滿足飛艇自身供電需求，需要鋪設數百平方米光伏電池；當飛艇攜帶雷達或微波武器等大功率裝備時，需進一步提高光伏電池面積占比。大面積光伏電池鋪設于飛艇頂部時存在問題：（1）由于飛艇頂部的曲面結構，不同位置光照強度不均會引起發電效率降低[1]；（2）大面積光伏電池在安裝過程中及飛艇升空階段，容易損壞。因此有必要對飛艇光伏電池發電系統的電路拓撲進行研究，提高發電效率和可靠性。

1 飛艇分布式光伏電池發電系統電路拓撲

平流層飛艇多采用輕質高效太陽能電池，包括薄型單晶硅、砷化鎵、銅銦鎵硒、非晶硅太陽能電池等[2]。由于單體太陽能電池的開路電壓、工作電流均很低，通常需要數百單體電池串并聯構成光伏組件，再由若干光伏組件構成光伏子陣，最后由若干光伏子陣構成飛艇光伏發電系統。

飛艇光伏電池發電系統供電方式主要有集中式和分布式，當光伏電池鋪設面積龐大時，考慮到飛艇表面光照不均及光伏電池性能參數不一致性，采用分布式供電[3]，如圖1。將光伏電池陣列分為n個子陣，每個子陣通過一個MPPT控制器并聯接入高壓母線。當某個光伏子陣出現故障時，可以通過控制其對應的MPPT實現故障隔離，不影響其他子陣發電。n個MPPT控制器之間利用交錯并聯技術提高功率密度。采用高壓供電體制，給推進電機和大功率設備直接供電，可以降低飛艇輸電線路重量，提高電能利用效率。高壓母線電壓等級可以采用480VDC以上，由于儲能電池電壓等級一般不超過270VDC，因此儲能電池通過雙向直流變換器接入高壓母線，實現充放電控制。

圖1 飛艇光伏電池分布式電路拓撲

2 飛艇光伏電池子陣電路拓撲

飛艇分布式光伏電池發電系統電路拓撲從宏觀層面解決了飛艇大面積安裝太陽能電池的可靠性與最大功率跟蹤問題，為了進一步提高發電效率，從微觀層面出發，研究光伏電池子陣的電路拓撲結構問題。

2.1 光伏電池子陣串并聯電路結構

光伏電池子陣由若干個光伏電池組件通過串聯和并聯連接而成[4]。串聯方式可以提高輸出電壓，但是串中每個光伏電池組件流過相同電流，如果光照不均，光照強度最小的電池組件其輸出電流減小并且限制串中其他電池組件輸出電流，使得光伏陣列輸出功率大大減小。光伏子陣常用布局結構包括SP結構、BDSP結構、BL結構、TCT結構，這四種布局在光照不均時，存在發電效率降低、多個功率極值點問題。

2.2 光伏電池子陣重構電路結構

結合文獻[5]中的開關矩陣電路，利用開關和二極管實現光伏電池組件的電氣重構，其中二極管可以自適應導通關斷。圖2給出了6塊光伏組件基于開關矩陣的電氣重構電路拓撲，通過控制開關管的導通關斷與二極管的自適應導通截止，實現光伏陣列的電氣重構。

圖2 基于開關矩陣光伏陣列重構電路拓撲

圖3中給出3串2并光伏組件的兩種電路結構布局，圖中光照強度單位為W/m2，上圖為初始結構，下圖為重構結構。通過控制開關矩陣電路動作，相當于交換模塊PV4、PV6的電氣位置，實現電池組件電氣重構，使得每一行光伏組件承受總光照強度均為700 W/m2。

圖3 3串2并光伏組件電氣重構

當光伏電池子陣由較多電池組件構成時，如果利用開關矩陣實現所有電池組件的電氣重構，將需要數量龐大的開關管與二極管，控制過程也將極為復雜。因此采用如下重構策略：根據光伏電池陣列在飛艇的安裝位置，考慮光照、溫度等因素，將光伏陣列分成固定部分和可重構部分，固定部分光照條件較好，重構部分電池組件數量只占整個光伏陣列的極小比例，可以極大減小開關數目和控制復雜度。固定部分與重構部分獨立工作，當光照強度不均勻時，重構部分配合固定部分進行電路結構優化。

以圖4所示電池子陣為例進行分析研究，左邊3串4并電池組件為固定部分，連接形式為TCT結構，右邊3串2并為可電氣重構電池組件。固定部分與重構部分通過直流母線開關K1、K2建立電氣聯系，實現并聯輸出。當K1與K2斷開時，固定部分與重構部分并聯輸出，各自獨立工作，此時重構部分電池組件可以局部電氣重構。當K1與K2閉合時，重構部分通過直流母線2、3與固定部分組合成TCT結構，通過重構部分電池組件的結構布局改變來均衡每行光伏電池組件的光照強度，此時光伏陣列可以實現整體電氣重構。

圖4 3串4并固定組件與3串2并重構組件組合電路結構

圖5中各電池組件光照強度如圖所示，單位為W/m2。為簡便，只畫出重構部分的變化情況。通過控制開關矩陣動作，使模塊PV1與PV3、PV4與PV6交換電氣位置，使每行光伏電池組件所承受總光強為4800 W/m2，消除了光照不均對光伏陣列整體的影響。圖6為光伏陣列重構后的輸出功率與工作電壓（P-V）曲線仿真結果，重構后可獲得的最大功率值約為2865 W，比重構前提高了約480 W。

圖5 3串6并光伏組件的電氣重構

圖6 3串6并光伏子陣重構輸出功率-電壓曲線

3 結語

平流層飛艇鋪設大規模太陽能電池陣列時，必須解決系統可靠性問題和由于光照不均導致的發電效率低下問題。論文首先分析了飛艇光伏發電系統的分布式電路拓撲結構，進一步研究了光伏電池子陣電氣重構電路拓撲和控制策略。仿真結果表明，基于電氣重構的光伏電池子陣拓撲具有更高的發電能力。