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光伏发电技术
★ 5.0
一种用于电压均衡和提升部分遮阴光伏阵列性能的电荷再分配阶梯架构
A Charge Redistribution Ladder Architecture for Voltage Equalization and Enhanced Performance of Partially Shaded PV Arrays
| 作者 | Priya Ranjan Satpathy · Vigna Kumaran Ramachandaramurthy · Renu Sharma · Sanjeevikumar Padmanaban · Sudhakar Babu Thanikanti · Siva Rama Krishna Madeti |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光伏阵列 部分阴影 电荷再分配 电压平衡 功率提升 |
语言:
中文摘要
光伏(PV)阵列极易受到部分遮挡的影响,这会导致模块间出现失配和电压不平衡,进而造成功率损失和性能特性失真。本文提出了一种逐步电荷再分配电压平衡方法,以最大程度减少模块失配。该方法采用了一种改进的基于梯形结构的开关电容机制,应用于各模块,以实现高效的电荷再分配和电压平衡。该方法在一个 9×9 的光伏阵列上进行了测试,测试条件包括静态遮挡和基于时域的移动遮挡,并与现有的各种重配置、功率优化器和混合技术进行了比较。研究在 MATLAB 中进行,并在基于现场可编程门阵列(FPGA)的 OPAL - RT 4510 硬件在环实时平台上进一步验证,确保了高保真度和实际适用性。分析表明,所提出的方法能有效减小模块间的电压差异,消除特性失真,与传统、静态和动态重配置技术、功率优化器以及混合技术相比,分别使阵列功率提高了 29.27%、14.97%、4.90%、4.41% 和 5.63%,总体功率转换率达到 99%。
English Abstract
Photovoltaic (PV) arrays are highly vulnerable to partial shading, leading to mismatches and voltage imbalances among modules, resulting in power loss and distortion of performance characteristics. This paper proposes a step-wise charge-redistribution voltage balancing approach to minimize module mismatch. The approach utilizes a modified ladder-based switched capacitor mechanism applied to modules for efficient charge redistribution and voltage balancing. The methodology is tested on a 9 × 9 PV array under static and time-domain-based moving shading conditions and compared with various existing reconfiguration, power optimizer, and hybrid techniques. The investigation is conducted in MATLAB and further validated on the OPAL-RT 4510 hardware-in-the-loop FPGA-based real-time platform, ensuring high fidelity and practical applicability. The analysis reveals that the proposed approach effectively minimizes voltage differences among modules, eliminates characteristic distortion, and enhances the array power by 29.27%, 14.97%, 4.90%, 4.41%, and 5.63% than conventional, static, and dynamic reconfigurations, power optimizers, and hybrid techniques, respectively achieving an overall power conversion ratio of 99%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于电荷再分配梯形架构的电压均衡技术为我们在光伏系统优化领域提供了重要的技术参考价值。该技术针对部分遮挡这一行业痛点,通过改进的梯形开关电容机制实现组件级电压平衡,在9×9阵列测试中实现了99%的功率转换率,相比传统方案提升29.27%,这与我们组串式逆变器和智能组件优化器的技术路线高度契合。
该方案的核心价值在于通过硬件层面的电荷重新分配消除电压失配,这为我们的MPPT算法优化提供了新思路。当前我们的逆变器产品主要依靠多路MPPT和优化算法应对遮挡问题,而这种电容式均衡技术可作为前端预处理方案,与我们现有的功率优化器产品线形成互补。特别是在复杂遮挡场景(如山地光伏、屋顶分布式项目),该技术展现的4.90%相对功率优化器的增益值得深入评估。
从技术成熟度看,论文采用OPAL-RT硬件在环验证,说明已具备一定工程化基础,但大规模商业化仍面临挑战:开关电容系统的可靠性、成本控制、与现有BOS系统的集成复杂度都需要验证。对阳光电源而言,关键机遇在于将此技术集成到我们的智能光伏控制器或新一代组件级电力电子产品中,形成差异化竞争优势。
建议我们的研发团队重点关注该技术在储能系统电池均衡方面的延伸应用潜力,因为电荷再分配机制同样适用于解决储能电池组的不一致性问题,这可能为我们的储能业务带来协同创新机会。