浙江大學電氣工程學院的研究人員杜進、王睿馳、王志鹍、吳建德、何湘寧，在2017年第24期《電工技術學報》上撰文指出，在光伏發電系統中，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過變換器獨立的最大功率跟蹤后再串聯加以解決，改變了原有系統連接結構。針對小功率分布式光伏發電系統主要遭遇的組件內失配問題，研究了一種不改變原有光伏組件結構的優化方法，并采用單開關的拓撲實現。

該方法在光伏組件遇到局部陰影等造成的組件內特性失配時，可以從光伏組件的輸出抽取能量，對受遮擋部分進行補償，使得各個光伏子串的工作狀態可調，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，且電路拓撲僅采用單個開關管，控制算法簡單，電路損耗和成本較低。仿真和樣機實驗結果表明，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，光伏發電因其清潔、便利、安全、適合分布式組網等優勢，受到了越來越廣泛的關注，并已成為最有前途的可再生能源發電方式之一[1-5]。然而，光伏發電系統對外部環境變化和組件的一致性較為敏感，當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，系統的輸出功率將顯著下降。這一問題已經成為制約光伏發電進一步推廣應用的重要因素之一[6,7]。

研究光伏發電失配問題的解決方案，首先需要對失配問題的類別進行劃分[8]。在集中式光伏發電系統中，由于架設地點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易出現組串失配和組件失配等組件外部的失配問題；而在分布式光伏發電系統如建筑物集成光伏系統（BuildingIntegrated Photovoltaic System, BIPV）中，發電條件更加復雜多變。

光伏組件數目少，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

光伏發電系統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多峰值現象，傳統的最大功率點跟蹤（Maximum PowerPoint Tracking, MPPT）算法受到多個極值點干擾，無法尋到真正的最大功率點；二是由于特性失配，系統各部分的最大功率點工作電流不同，即便工作在系統特性曲線的最大功率點，也存在發電潛能的浪費。

針對光伏發電的失配問題，許多學者做了深入的研究，并且形成了光伏優化器（PV optimizer）這一概念。光伏優化器，在一些文獻中也被稱為嵌入式變換器（ModuleIntegrated Converter, MIC）、光伏調節器（PV conditioner）或發電控制電路（GenerationControl Circuit, GCC）等。光伏優化器是一種與光伏組件串聯連接的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化器，以及用于解決組件內部的組件內部失配問題的優化器。

按照光伏優化器與光伏組件的連接結構，可以分為串聯型光伏優化器和并聯型光伏優化器，具體分類如圖2所示。

圖2光伏優化器的分類

針對組串失配和組件失配問題，主要是采用串聯型光伏優化器解決。相關研究已經較為成熟。這類方法需要改變光伏發電系統的連接結構，將每個光伏組件的輸出經過DC-DC變換器的調節，再串聯形成組串，最終通過逆變器并網。這樣的結構可以對每個光伏組件進行獨立的分布式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。

文獻[10]詳細總結了該類電路的類型和拓撲選擇，并選取了一個最優拓撲加以實現，用樣機驗證了其有效性。文獻[11,12]分析了基于上述思路的光伏優化器產品SolarMagic的原理和適用條件。

文獻[13]在文獻[11,12]基礎上研究了光伏優化器的硬件設計與控制策略，分析了串聯分布式系統中最合適的拓撲和控制方法。另外還有學者研究利用機械結構的解決方案。文獻[14]采用了組態控制的方法。通過控制開關矩陣切換，實現輸出功率最大化，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。

對于分布式應用中最關鍵的組件內部失配問題，如果采用上述的串聯型優化器，則必須將光伏組件中的子串斷開連接，通過相應數量的優化器進行功率變換后再進行串聯，在實際使用中可操作性不強。

文獻[15,16]總結了一些針對局部陰影的改進算法，但是這些改進算法僅能改善MPPT算法受到多極值點干擾的情況，光伏系統中仍然存在發電潛能浪費。經過研究發現，更為有效的方法是利用特殊設計的光伏優化器，對組件內各個光伏子串的發電條件加以控制，從而提高輸出功率。

在文獻[17-19]中，作者提出了發電控制電路（GenerationControl Circuit, GCC）的概念，并且歸納了兩種實現的原理。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部失配問題。然而，前者需要對每個光伏子串的輸出進行擾動，控制維度過多，控制算法復雜，另外采用了較多的開關管和磁性元件，電路也較為復雜；后者的控制目標是均壓，并不能使失配條件下的光伏組件發揮全部發電潛能。上述兩種方法雖然為解決組件內部失配問題奠定了基礎，但是都存在各自的不足。

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

本文基于并聯型優化方法，研究和設計了一種單開關管光伏優化器電路，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，實現組件內部失配部分的能量均衡，調節各個光伏子串的工作點，從而提升光伏組件在組件內部失配情況下的輸出功率。

圖12樣機電路圖片

結論

本文分析了光伏組件局部陰影條件下并聯型功率優化方法的原理和適用條件，并采用單開關管的多繞組反激拓撲實現。實驗證明，本文方法在光伏組件遭受不同陰影遮擋的條件下，能夠實現2%～15%的功率提升。

本方法的優勢明顯。首先，本文提出的并聯型優化器從釋放局部陰影條件下光伏組件浪費的發電潛能入手，在不改變光伏組件內部結構的前提下，消除了光伏組件P-U特性曲線的多峰值現象，提高了光伏組件在該情況下的最大輸出功率。其次，本文提出的并聯型優化器采用多繞組反激拓撲實現，僅有一個功率開關管，電路結構與控制算法均較為簡單。

然而，需要指出的是，并聯型優化器需要與具有MPPT功能的光伏組件功率優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保持最大功率輸出。另外，當光伏子串數量較多，而各個光伏子串的遮擋情況不一致時，該電路僅能實現輸出功率一定程度的提升。無法確保達到真正的全局最大功率點。并聯型功率優化方法仍需要進行進一步的深入研究。