局部陰影條件下太陽能電池-超級電容串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法

楊洪明，王穎杰，陳博文，王 懂，尹邦哲

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省“電動(dòng)交通與智能配網(wǎng)”工程技術(shù)研究中心，教育部“基于分布式光儲的能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃”國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114；2.國網(wǎng)宿州供電公司，宿州 234000）

光伏發(fā)電清潔無害、安全便利、維護(hù)簡單，已成為太陽能大規(guī)模開發(fā)利用的重要途徑。光伏發(fā)電并網(wǎng)將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，由光伏陣列、直流變換器、逆變器組成。光伏陣列作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，由若干太陽能電池根據(jù)發(fā)電需求，通過串并聯(lián)方式組成大功率直流電源裝置。在實(shí)際運(yùn)行中，太陽能電池容易受樹葉、灰塵或者云層等遮擋[1-2]，受不同光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度影響，太陽能電池的輸出特性不一致，輸出功率較小的電池不但無法對光伏陣列總輸出功率做出貢獻(xiàn)，而且會變成負(fù)載消耗功率，進(jìn)而產(chǎn)生熱斑效應(yīng)[3]。

為避免局部陰影遮擋下“熱斑”損壞太陽能電池，光伏陣列的一個(gè)或連續(xù)幾個(gè)太陽能電池并聯(lián)旁路二極管[4]。該方法不需要外加控制器，但并聯(lián)的旁路二極管隨太陽能電池端口電壓的變化而導(dǎo)通或截止，易造成光伏陣列輸出功率-電壓曲線呈現(xiàn)多峰值。常規(guī)的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）方法，例如擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法[5]等，都是針對單峰值特性而提出的，在多峰值情況下容易陷入局部極值點(diǎn)。針對既定結(jié)構(gòu)的光伏陣列，提出了光伏陣列在多峰值情況下的全局最大功率點(diǎn)跟蹤GMPPT（global maximum power point tracking）方法，例如粒子群算法[6]、等功率曲線法[7]、改進(jìn)擾動(dòng)觀察法[8]、改進(jìn)細(xì)菌覓食算法[9]等，求取多峰值特性曲線的最大值。但是，該類方法并未從根本上解決多峰值問題，光伏陣列各支路功率不能同時(shí)達(dá)到最大輸出功率，光伏陣列總輸出功率仍小于各器件最大輸出功率之和，造成功率損失。

改變光伏陣列的配置方式是應(yīng)對局部陰影遮擋所造成的光伏陣列功率損失的常用方法[10]。通過優(yōu)化光伏陣列拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)，減小二極管旁路對陣列功率的影響。光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化存在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)配置兩種方法。光伏陣列靜態(tài)配置通過改變光伏陣列組件的排列順序，使陣列中每行或每列的太陽能電池輸出功率達(dá)到相對均衡，從而減弱局部陰影遮擋對光伏陣列輸出功率的影響[11-12]，但是該方法中光伏陣列連接方式相對固定，無法及時(shí)應(yīng)對云層、樹葉遮擋的隨時(shí)變化，難以避免光伏陣列受到大面積陰影遮擋時(shí)的輸出功率損失。

相對于靜態(tài)配置，動(dòng)態(tài)配置采用光伏陣列電氣控制與開關(guān)控制結(jié)合的方式，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，改變光伏陣列的連接方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其具有更強(qiáng)的陰影適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[13]采用開關(guān)連接光伏陣列中的多個(gè)小型方陣，通過改變小型方陣內(nèi)部組件的擺放次序，實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法將整個(gè)光伏陣列的陰影分散到小方陣的不同行中，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的功率跟蹤，但是在每個(gè)小方陣內(nèi)，仍然無法實(shí)現(xiàn)每個(gè)太陽能電池器件的最大功率輸出。

近年來，為了克服通過改變連接方式解決光伏陣列局部陰影問題的不足之處，開展了基于并聯(lián)功率補(bǔ)償單元的光伏陣列優(yōu)化方法研究。按照補(bǔ)償單元類型分為光伏陣列自補(bǔ)償和外加輔助單元補(bǔ)償兩種方式。自補(bǔ)償方法利用光伏陣列中無陰影遮擋電池對陰影遮擋電池的電壓或輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[14]采用支路串聯(lián)電壓源的光伏陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光伏支路功率的優(yōu)化控制，該方法與傳統(tǒng)GMPPT方法比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是沒有涉及多個(gè)光伏組件串并聯(lián)之后對整個(gè)光伏陣列的影響。文獻(xiàn)[15]通過DC/DC變換器控制電池子串的輸出電壓保持一致，使正常電池串補(bǔ)償被陰影遮擋電池串的輸出功率，但是該方法仍然存在補(bǔ)償結(jié)構(gòu)相對固定、不易實(shí)現(xiàn)陰影遮擋電池完全補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。

外加輔助單元補(bǔ)償通過并聯(lián)的電力儲能裝置（例如鋰電池、超級電容等）對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償。當(dāng)光伏陣列存在陰影遮擋時(shí)，控制儲能單元補(bǔ)償陣列降低的輸出功率，從而保持光伏陣列輸出功率穩(wěn)定。文獻(xiàn)[16]采用小波分解方法將儲能裝置功率進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)儲能電站對分布式光伏陣列出力波動(dòng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，但是在該配置條件下儲能電池只在整體上平抑光伏系統(tǒng)的出力波動(dòng)，并沒有涉及儲能裝置與光伏電池內(nèi)部的連接及其功率優(yōu)化，無法解決局部陰影遮擋下光伏陣列輸出功率降低的問題。文獻(xiàn)[17-18]提出一種由光伏電池和儲能電池構(gòu)成的新型光伏-儲能發(fā)電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，太陽能電池及其匹配的儲能電池構(gòu)成光伏-儲能模組，通過控制儲能電池的充放電模式，實(shí)現(xiàn)對陰影遮擋的光伏電池的功率補(bǔ)償，但是該方法的儲能電池通常采用電池單體串并聯(lián)構(gòu)成電池包的形式，電池單體之間存在電壓均衡問題[19]。

為了有效解決局部陰影遮擋條件下光伏陣列輸出功率損失問題，基于太陽能電池與儲能設(shè)備的不同組合，光伏發(fā)電-儲能一體化的概念被提出[20]。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)了一種太陽能電池-超級電容器件SCSD（solar cell-supercapacitor device），該裝置將太陽能電池和超級電容集成為一個(gè)具有“發(fā)電-儲能”雙重功能的三端口器件，不僅簡化了制作工藝流程，而且減小了電荷轉(zhuǎn)移造成的能量損失，同時(shí)提高了超級電容能量密度，使超級電容兼顧高功率和高能量輸出，全生命周期成本相對于鋰電池儲能裝置大幅降低。該方法通過對物理結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超級電容與太陽能電池的一體化融合，但是并未開展SCSD的電氣特性及實(shí)現(xiàn)“發(fā)電-儲能”雙重功能的控制策略研究。

為此，針對局部陰影遮擋條件下光伏陣列輸出功率下降和多峰值問題，綜合考慮光伏陣列拓?fù)渲貥?gòu)與并聯(lián)功率補(bǔ)償兩種策略，本文通過SCSD單元等效電路與超級電容工作模式分析，提出了局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償控制方法。相比于傳統(tǒng)的GMPPT算法，超級電容帶來了光伏陣列的成本增加，但有效避免了局部陰影遮擋下光伏發(fā)電的功率損失。相比于外加儲能電池的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，盡管超級電容成本5～10倍于鉛酸電池，但由于超級電容極長的充放電壽命，整個(gè)生命周期的成本只為鉛酸電池的1/10，使得SCSD系統(tǒng)整體成本下降。通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的SCSD陣列電流補(bǔ)償控制方法兼顧了“發(fā)電-儲能”雙重特點(diǎn)，使SCSD陣列中每個(gè)單元的太陽能電池均工作在最大功率點(diǎn)。

1 SCSD單元等效電路與超級電容工作模式

1.1 SCSD單元的物理模型

SCSD單元的等效物理模型如圖1所示。其中，端口1為太陽能電池和超級電容的公共端，端口2為太陽能電池的陰極，端口3為超級電容的陰極。太陽能電池的絲網(wǎng)印刷鋁電極同時(shí)作為超級電容的陽極襯底，使太陽能電池和超級電容融合成為1個(gè)三端口器件，達(dá)到了簡化光伏組件與儲能電池包連接結(jié)構(gòu)、易于集成、降低控制復(fù)雜度的目的。

圖1 SCSD單元的等效物理模型Fig.1 Equivalent physical model of SCSD unit

SCSD單元的等效電路如圖2所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律，SCSD單元的輸出電流為

圖2 SCSD單元的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of SCSD unit

式中：Iph為光生電流，與太陽能電池的輻照度和溫度正相關(guān)；Id為二極管飽和電流；Ish為旁路電流；Rp和Rs分別為太陽能電池的等效并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻；I0為二極管反向電流；A為二極管的理想因子，A∈[1,2]；q為電荷量，取值為1.6×10-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23J/K；T為電池?zé)崃W(xué)溫度；Vpv、Ipv分別為太陽能電池端口的輸出電壓和輸出電流；IC為超級電容補(bǔ)償電流，當(dāng)超級電容放電時(shí)，其值為正，當(dāng)超級電容充電時(shí)，其值為負(fù)，與圖2中IC電流方向相反。

1.2 超級電容充放電模式

圖2中SCSD單元的超級電容直接并聯(lián)在太陽能電池端口，即端口2與端口3直接相連，SCSD單元的輸出阻抗ZSCSD可表示為

式中：ZC為超級電容的輸出阻抗；Zpv為太陽能電池的輸出阻抗。在太陽能電池端口并聯(lián)超級電容降低了SCSD單元端口的輸出阻抗，為負(fù)載提供了超過太陽能電池最大功率點(diǎn)的輸出功率。但是，如果超級電容的端電壓VC與太陽能電池端電壓Vpv不相等，不僅會導(dǎo)致SCSD單元內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流進(jìn)而引起功率損耗，而且造成端口功率-電壓曲線不斷變化，無法有效跟蹤太陽能電池的最大功率點(diǎn)。

因此，為了解決超級電容充放電與太陽能電池電壓不平衡的問題，SCSD單元的3個(gè)端口與雙向DC/DC變換器的3個(gè)端口分別連接，如圖3所示。在超級電容放電模式下，控制雙向DC/DC變換器工作在Buck狀態(tài)，即控制開關(guān)K1接收脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制信號，開關(guān)K2截止，此時(shí)超級電容作為電源與太陽能電池一起，共同為負(fù)載供電。在超級電容充電模式下，控制雙向DC/DC變換器工作在Boost狀態(tài)，K2接收PWM控制信號，開關(guān)K1截止，此時(shí)超級電容相當(dāng)于負(fù)載，由太陽能電池充電。

圖3 基于雙向DC/DC的SCSD單元的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of SCSD unit based on bidirectional DC/DC

2 局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列的輸出特性分析

SCSD單元的超級電容工作模式取決于太陽能電池的運(yùn)行工況。在SCSD串/并聯(lián)陣列中，太陽能電池運(yùn)行工況一致時(shí)，超級電容及其連接的雙向DC/DC變換器不工作。當(dāng)陣列中存在受陰影遮擋的單元時(shí)，超級電容通過充電或放電實(shí)現(xiàn)太陽能電池的特性匹配。

以光照強(qiáng)度表征陰影遮擋，刻畫局部陰影遮擋對太陽能電池輸出電壓與電流的定量關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用工程用數(shù)學(xué)模型刻畫太陽能電池輸出特性與光照強(qiáng)度、溫度的函數(shù)關(guān)系。考慮到光伏陣列尺寸及沿表面溫度分布不均勻的情況，通過光照強(qiáng)度G、太陽能電池開路電壓Voc和光伏陣列模塊參數(shù)[22]，太陽能電池輸出特性與光照強(qiáng)度相關(guān)，其函數(shù)關(guān)系為

式中：G為當(dāng)前的光照強(qiáng)度（根據(jù)陰影遮擋，光照強(qiáng)度不同的區(qū)域數(shù)目，設(shè)置光強(qiáng)傳感器）；Gref為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度1 000 W/m2，ΔG=G-Gref；Isc_ref、Voc_ref、Imp_ref、Vmp_ref分別為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度下太陽能電池的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓；Isc、Voc、Imp、Vmp分別為光照強(qiáng)度G下太陽能電池的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓；b為光照強(qiáng)度校正系數(shù)，一般取值為0.000 5 m2/W。

SCSD陣列是由太陽能電池和超級電容組成的若干SCSD單元通過串聯(lián)或并聯(lián)連接方式所構(gòu)成的陣列。SCSD串聯(lián)陣列如圖4所示，N個(gè)SCSD單元串聯(lián)在一起構(gòu)成串聯(lián)陣列，SCSDi表示陣列中第i個(gè)SCSD單元。

圖4 SCSD串聯(lián)陣列Fig.4 SCSD series array

經(jīng)雙向DC/DC變換器，超級電容與太陽能電池的具體連接如圖3所示。為了簡化連接電路，用開關(guān)Si表示與SCSD單元i相連的雙向DC/DC變換器，防止熱斑效應(yīng)的旁路二極管并聯(lián)在SCSD單元端口1與端口2之間，Vi為SCSD單元i的端電壓，為SCSD單元i的超級電容電流。SCSD單元i中太陽能電池輸出電流和輸出電壓Vi之間的函數(shù)關(guān)系為

式中，c1、c2為系數(shù)，其計(jì)算公式為

由式（4）可知，太陽能電池電流-電壓（I-V）特性曲線如圖5所示，Ω1表示無陰影遮擋下SCSD單元集合，Ω2表示陰影遮擋下SCSD單元集合。分別為陣列中第i個(gè)處于無陰影遮擋下和處于陰影遮擋下SCSD單元中太陽能電池的最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓、開路電流和開路電壓。曲線A1A2A3和B1B2B3分別表示無陰影遮擋和陰影遮擋條件下SCSD單元中太陽能電池的輸出特性，隨著端口電壓的逐漸增大，輸出電流先緩慢減小，再快速減小至0。

圖5 太陽能電池的I-V特性曲線Fig.5 I-V characteristic curve of solar cell

SCSD串聯(lián)陣列的端口輸出電壓VL為

當(dāng)串聯(lián)陣列中SCSD單元處于無陰影遮擋時(shí)，所有太陽能電池輸出特性一致，工作特性均為曲線A1A2A3。此時(shí)，SCSD串聯(lián)陣列的輸出電流為

曲線A1A2A3上每點(diǎn)橫縱坐標(biāo)的乘積表示太陽能電池的輸出功率，若控制太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，則無陰影條件下SCSD串聯(lián)陣列的最大輸出功率PL_max為

若SCSD串聯(lián)陣列受到陰影遮擋，由式（3）和式（4）可知，陰影遮擋單元的太陽能電池I-V特性曲線下降為曲線B1B2B3。當(dāng)未啟動(dòng)超級電容進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，SCSD單元中超級電容不輸出功率，太陽能電池I-V特性曲線即為SCSD單元I-V特性曲線。若控制Ω1中SCSD單元的太陽能電池工作在電壓，控制Ω2中SCSD單元的太陽能電池工作在電壓，則Ω1和Ω2中SCSD單元的太陽能電池都工作在最大功率點(diǎn)處，輸出電流分別為。

然而，由于Ω1和Ω2中SCSD單元處于同一串聯(lián)陣列，所有SCSD單元的輸出電流相同。Ω1和Ω2中SCSD單元的太陽能電池?zé)o法在未啟動(dòng)超級電容進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，同時(shí)工作于最大功率點(diǎn)和處。

3 局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法

為了使SCSD串聯(lián)陣列中所有太陽能電池均工作在最大功率點(diǎn)，減少功率損失，提出了SCSD超級電容電流補(bǔ)償控制方法。SCSD串聯(lián)陣列輸出電流IL按照不同情況進(jìn)行控制，具體策略如下。

情況1當(dāng)，無陰影遮擋集合Ω1和陰影遮擋集合Ω2中SCSD單元的太陽能電池均無法工作在最大功率點(diǎn)功率，Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容同時(shí)放電進(jìn)行補(bǔ)償；

情況2當(dāng)，僅陰影遮擋集合Ω2中SCSD單元的太陽能電池?zé)o法工作在最大功率點(diǎn)，僅Ω2中超級電容放電進(jìn)行補(bǔ)償；

情況3當(dāng)，無陰影遮擋集合Ω1和陰影遮擋集合Ω2中SCSD單元的太陽能電池都無法工作在最大功率點(diǎn)功率，Ω1中SCSD單元的超級電容充電及Ω2中SCSD單元的超級電容放電協(xié)調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償。

3.1 無陰影遮擋和陰影遮擋SCSD單元的超級電容同時(shí)放電補(bǔ)償

3.2 陰影遮擋SCSD單元的超級電容放電補(bǔ)償

3.3 無陰影遮擋SCSD單元超級電容充電與陰影遮擋SCSD單元超級電容放電協(xié)調(diào)補(bǔ)償

3.4 SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法

在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)SCSD單元上安裝1個(gè)光強(qiáng)傳感器，由光照強(qiáng)度與太陽能電池輸出特性函數(shù)關(guān)系（見式（3）），計(jì)算陣列中各SCSD單元的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓、電流，從而得到局部陰影遮擋下SCSD單元超級電容充/放電的參考電壓與參考電流。

雙向DC/DC變換器連接SCSD單元的端口1和端口3、端口1和端口2的連接方式如圖3所示。無陰影遮擋SCSD單元的超級電容充電補(bǔ)償控制電路如圖6所示。DC/DC雙向變換器工作于Boost狀態(tài)，PI控制器跟蹤無陰影遮擋SCSD單元的太陽能電池最大功率點(diǎn)電壓。由式（25）可得到充電補(bǔ)償參考電流IC,ch_ref。由IC,ch_ref與實(shí)際補(bǔ)償電流IC,ch比較得出偏差，經(jīng)PI控制器和調(diào)制器輸出PWM信號，開關(guān)K1接收PWM信號控制無陰影遮擋SCSD單元的超級電容充電。

圖6 超級電容充電補(bǔ)償Fig.6 Charge compensation for supercapacitor

陰影遮擋SCSD單元的超級電容放電補(bǔ)償電路如圖7所示。DC/DC雙向變換器工作于Buck狀態(tài)，PI控制器跟蹤陰影遮擋下SCSD單元中太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓，由式（12）、式（14）、式（19）和式（27）可得到放電補(bǔ)償參考電流IC,dh_ref，IC,dh_ref與實(shí)際補(bǔ)償電流IC,dh比較得出偏差，經(jīng)PI控制器和調(diào)制器輸出PWM信號，開關(guān)管K2接收PWM信號控制Ω1中SCSD單元的超級電容放電。

圖7 超級電容放電補(bǔ)償Fig.7 Discharge compensation for supercapacitor

對于局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法，主要損耗在于雙向DC/DC變換器電路，通過超級電容放電與充電協(xié)同調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同陰影遮擋下SCSD單元太陽能電池的輸出特性匹配，避免熱斑效應(yīng)的影響。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

以編號i=1，2，…，10的10塊SCSD單元組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)陣列作為研究對象，分別通過Matlab/Simulink搭建的仿真模型和實(shí)際實(shí)驗(yàn)開展分析。假設(shè)初始條件下SCSD陣列均工作在一致工況下，輻照度均為1 000 W/m2，所有單元溫度恒為25℃，超級電容的理論參數(shù)為15 mF/cm2，正常光照下的SCSD單元的參數(shù)如表1所示。其中，荷電狀態(tài)SOC（state of charge）為標(biāo)定當(dāng)前超級電容容量狀態(tài)的參數(shù)。

表1 正常光照下SCSD參數(shù)Tab.1 SCSD parameters under normal light

假設(shè)初始條件下SCSD陣列的輻照度均為600 W/m2，所有單元溫度恒為25℃，超級電容的理論參數(shù)為15 mF/cm2，陰影遮擋下SCSD單元的參數(shù)如表2所示。

表2 陰影遮擋下SCSD參數(shù)Tab.2 SCSD parameters under shadow occlusion

4.2 仿真分析

設(shè)置SCSD陣列從標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度突變?yōu)榫植筷幱埃揖植筷幱皬?qiáng)度相同。當(dāng)t=0～0.1 s時(shí)，光伏陣列正常工作；當(dāng)t=0.1 s時(shí)，設(shè)置SCSD串聯(lián)陣列中不同數(shù)量的SCSD單元處于同一光照強(qiáng)度的陰影下，其他單元光照強(qiáng)度不變；當(dāng)t=0.25 s時(shí)，根據(jù)局部陰影狀態(tài)下串聯(lián)陣列輸出電流，利用Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容進(jìn)行補(bǔ)償。仿真分析中，Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容初始SOC值都設(shè)置為0.50。

4.2.1 無陰影遮擋和陰影遮擋SCSD單元的超級電容同時(shí)放電補(bǔ)償仿真分析

圖8 Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容同時(shí)放電補(bǔ)償下太陽能電池輸出電流變化Fig.8 Changes in output current of solar cell under simultaneous discharge compensation for supercapacitor of SCSD unit inΩ1andΩ2

圖9 Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容同時(shí)放電補(bǔ)償下超級電容SOC變化Fig.9 Changes in supercapacitor SOC under simultaneous discharge compensation for supercapacitor of SCSD unit inΩ1andΩ2

當(dāng)t=0～0.1 s時(shí)，串聯(lián)陣列處于正常光照時(shí)，陣列中所有器件的太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，輸出電流相等，仿真和實(shí)驗(yàn)下的陣列輸出電流分別保持為9.02 A和8.81 A；當(dāng)t=0.10～0.25 s時(shí)，串聯(lián)陣列被局部陰影遮擋，受熱斑效應(yīng)影響，仿真和實(shí)驗(yàn)下陣列輸出電流分別降低至4.51 A和4.36 A。此時(shí)，通過Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容同時(shí)充電進(jìn)行補(bǔ)償，從t=0.25 s開始，Ω1和Ω2中SCSD單元的太陽能電池工作在對應(yīng)的最大功率點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)下輸出電流分別為9.02 A、5.04 A和8.85 A、4.93 A。

Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容進(jìn)行補(bǔ)償后，Ω1中SCSD單元的超級電容對太陽能電池放電，仿真和實(shí)驗(yàn)下超級電容SOC由0.50分別降低為0.27和0.29，Ω2中SCSD單元的太陽能電池同樣對超級電容放電，仿真和實(shí)驗(yàn)下超級電容SOC由0.50分別降低為0.47和0.48。

4.2.2 陰影遮擋SCSD單元的超級電容放電協(xié)調(diào)補(bǔ)償仿真分析

圖10 Ω2中SCSD單元的超級電容放電補(bǔ)償下太陽能電池輸出電流變化Fig.10 Changes in output current of solar cell under discharge compensation for supercapacitor of SCSD unit inΩ2

圖11 Ω2中SCSD單元的超級電容放電補(bǔ)償下超級電容SOC變化Fig.11 Changes in supercapacitor SOC under discharge compensation for supercapacitor of SCSD unit in Ω2

當(dāng)t=0～0.1 s時(shí)，串聯(lián)陣列處于正常光照時(shí)，陣列中所有器件的太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，輸出電流相等，仿真和實(shí)驗(yàn)下陣列輸出電流分別保持為9.02 A和8.81 A；當(dāng)t=0.1～0.2 s時(shí)，串聯(lián)陣列被局部陰影遮擋，但陣列輸出電流保持不變。此時(shí)，通過Ω2中SCSD單元的超級電容放電進(jìn)行補(bǔ)償，從t=0.25 s開始，Ω1和Ω2中SCSD單元的太陽能電池均工作在對應(yīng)的最大功率點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)下Ω1、Ω2中太陽能電池的輸出電流分別為9.02 A、5.04 A和8.81 A、4.89 A。

Ω2中SCSD單元的超級電容放電進(jìn)行補(bǔ)償后，Ω1中SCSD單元的超級電容不動(dòng)作，超級電容SOC保持不變，Ω2中SCSD單元的超級電容對太陽能電池放電，仿真和實(shí)驗(yàn)下超級電容SOC由0.50分別降低為0.24和0.25。

4.2.3 無陰影遮擋SCSD單元超級電容充電與陰影遮擋SCSD單元超級電容放電協(xié)調(diào)補(bǔ)償仿真分析

圖12 Ω1中SCSD單元的超級電容充電和Ω2中SCSD單元的超級電容放電協(xié)調(diào)補(bǔ)償下太陽能電池輸出電流變化Fig.12 Changes in output current of solar cell under the coordinated compensation for supercapacitor charge of SCSD unit inΩ1and supercapacitor discharge of SCSD unit inΩ2

圖13 Ω1中SCSD單元的超級電容充電和Ω2中SCSD單元的超級電容放電協(xié)調(diào)補(bǔ)償下超級電容SOC變化Fig.13 Changes in supercapacitor SOC under the coordinated compensation for supercapacitor charge of SCSD unit inΩ1and supercapacitor discharge of SCSD unit inΩ2

當(dāng)t=0～0.1 s時(shí)，串聯(lián)陣列處于正常光照時(shí)，陣列中所有器件的太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，輸出電流相等，仿真和實(shí)驗(yàn)下陣列輸出電流分別保持為9.02 A和8.81 A；當(dāng)t=0.1～0.2 s時(shí)，串聯(lián)陣列被局部陰影遮擋，受熱斑效應(yīng)影響，陣列輸出電流升高至9.43 A。此時(shí)，通過Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容充放電補(bǔ)償，從t=0.25 s開始，Ω1和Ω2中SCSD單元的太陽能電池均工作在對應(yīng)的最大功率點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)下Ω1、Ω2中太陽能電池的輸出電流分別為9.02 A、5.04 A和8.81 A、4.89 A。

Ω1和Ω2中SCSD單元的超級電容進(jìn)行補(bǔ)償后，Ω1中SCSD單元的太陽能電池對超級電容充電，仿真和實(shí)驗(yàn)下超級電容SOC由0.50分別升高為0.52和0.51，Ω2中SCSD單元的超級電容對太陽能電池放電，仿真和實(shí)驗(yàn)下超級電容SOC由0.50分別降低為0.24和0.25。

5 結(jié)論

本文提出了一種局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法，通過陰影條件下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償?shù)睦碚摲治觯_定了串聯(lián)陣列不同輸出電流下的功率損失和超級電容補(bǔ)償電流的大小，提出陰影遮擋下超級電容充放電補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法。通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了在忽略電路損耗及一定測量誤差情況下，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，且誤差保持在4%以內(nèi)，并得出以下結(jié)論。

（1）局部陰影遮擋下串聯(lián)陣列不同輸出電流下的超級電容補(bǔ)償方式，使每個(gè)SCSD單元的太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，從而提高局部陰影下太陽能電池-超級電容串聯(lián)陣列的輸出功率。

（2）相對于無陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列的輸出功率，超級電容的不同補(bǔ)償方式均不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但能有效解決局部陰影下光伏陣列輸出功率多峰值問題。

（3）局部陰影遮擋下SCSD串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法使每個(gè)SCSD的太陽能電池輸出特性趨于一致，實(shí)現(xiàn)了SCSD“發(fā)電-儲能”雙重功能的一體化控制。

隨著設(shè)備生產(chǎn)工藝的逐步改進(jìn)，所提方法將更兼顧光伏發(fā)電成本與電能質(zhì)量要求，具備廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。