平流层飞艇光伏电池发电系统电路拓扑研究

倪 勇陈 中

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；

2.安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥230601）

0 引言

平流层飞艇利用自身浮力运行在20 km高空附近，可以携带多种载荷完成预警、通讯、攻击等作战任务。能源供给是制约平流层飞艇长时驻空的关键技术。目前平流层飞艇主要采取光伏电池作为一次能源，为满足飞艇自身供电需求，需要铺设数百平方米光伏电池；当飞艇携带雷达或微波武器等大功率装备时，需进一步提高光伏电池面积占比。大面积光伏电池铺设于飞艇顶部时存在问题：（1）由于飞艇顶部的曲面结构，不同位置光照强度不均会引起发电效率降低[1]；（2）大面积光伏电池在安装过程中及飞艇升空阶段，容易损坏。因此有必要对飞艇光伏电池发电系统的电路拓扑进行研究，提高发电效率和可靠性。

1 飞艇分布式光伏电池发电系统电路拓扑

平流层飞艇多采用轻质高效太阳能电池，包括薄型单晶硅、砷化镓、铜铟镓硒、非晶硅太阳能电池等[2]。由于单体太阳能电池的开路电压、工作电流均很低，通常需要数百单体电池串并联构成光伏组件，再由若干光伏组件构成光伏子阵，最后由若干光伏子阵构成飞艇光伏发电系统。

飞艇光伏电池发电系统供电方式主要有集中式和分布式，当光伏电池铺设面积庞大时，考虑到飞艇表面光照不均及光伏电池性能参数不一致性，采用分布式供电[3]，如图1。将光伏电池阵列分为n个子阵，每个子阵通过一个MPPT控制器并联接入高压母线。当某个光伏子阵出现故障时，可以通过控制其对应的MPPT实现故障隔离，不影响其他子阵发电。n个MPPT控制器之间利用交错并联技术提高功率密度。采用高压供电体制，给推进电机和大功率设备直接供电，可以降低飞艇输电线路重量，提高电能利用效率。高压母线电压等级可以采用480VDC以上，由于储能电池电压等级一般不超过270VDC，因此储能电池通过双向直流变换器接入高压母线，实现充放电控制。

图1 飞艇光伏电池分布式电路拓扑

2 飞艇光伏电池子阵电路拓扑

飞艇分布式光伏电池发电系统电路拓扑从宏观层面解决了飞艇大面积安装太阳能电池的可靠性与最大功率跟踪问题，为了进一步提高发电效率，从微观层面出发，研究光伏电池子阵的电路拓扑结构问题。

2.1 光伏电池子阵串并联电路结构

光伏电池子阵由若干个光伏电池组件通过串联和并联连接而成[4]。串联方式可以提高输出电压，但是串中每个光伏电池组件流过相同电流，如果光照不均，光照强度最小的电池组件其输出电流减小并且限制串中其他电池组件输出电流，使得光伏阵列输出功率大大减小。光伏子阵常用布局结构包括SP结构、BDSP结构、BL结构、TCT结构，这四种布局在光照不均时，存在发电效率降低、多个功率极值点问题。

2.2 光伏电池子阵重构电路结构

结合文献[5]中的开关矩阵电路，利用开关和二极管实现光伏电池组件的电气重构，其中二极管可以自适应导通关断。图2给出了6块光伏组件基于开关矩阵的电气重构电路拓扑，通过控制开关管的导通关断与二极管的自适应导通截止，实现光伏阵列的电气重构。

图2 基于开关矩阵光伏阵列重构电路拓扑

图3中给出3串2并光伏组件的两种电路结构布局，图中光照强度单位为W/m2，上图为初始结构，下图为重构结构。通过控制开关矩阵电路动作，相当于交换模块PV4、PV6的电气位置，实现电池组件电气重构，使得每一行光伏组件承受总光照强度均为700 W/m2。

图3 3串2并光伏组件电气重构

当光伏电池子阵由较多电池组件构成时，如果利用开关矩阵实现所有电池组件的电气重构，将需要数量庞大的开关管与二极管，控制过程也将极为复杂。因此采用如下重构策略：根据光伏电池阵列在飞艇的安装位置，考虑光照、温度等因素，将光伏阵列分成固定部分和可重构部分，固定部分光照条件较好，重构部分电池组件数量只占整个光伏阵列的极小比例，可以极大减小开关数目和控制复杂度。固定部分与重构部分独立工作，当光照强度不均匀时，重构部分配合固定部分进行电路结构优化。

以图4所示电池子阵为例进行分析研究，左边3串4并电池组件为固定部分，连接形式为TCT结构，右边3串2并为可电气重构电池组件。固定部分与重构部分通过直流母线开关K1、K2建立电气联系，实现并联输出。当K1与K2断开时，固定部分与重构部分并联输出，各自独立工作，此时重构部分电池组件可以局部电气重构。当K1与K2闭合时，重构部分通过直流母线2、3与固定部分组合成TCT结构，通过重构部分电池组件的结构布局改变来均衡每行光伏电池组件的光照强度，此时光伏阵列可以实现整体电气重构。

图4 3串4并固定组件与3串2并重构组件组合电路结构

图5中各电池组件光照强度如图所示，单位为W/m2。为简便，只画出重构部分的变化情况。通过控制开关矩阵动作，使模块PV1与PV3、PV4与PV6交换电气位置，使每行光伏电池组件所承受总光强为4800 W/m2，消除了光照不均对光伏阵列整体的影响。图6为光伏阵列重构后的输出功率与工作电压（P-V）曲线仿真结果，重构后可获得的最大功率值约为2865 W，比重构前提高了约480 W。

图5 3串6并光伏组件的电气重构

图6 3串6并光伏子阵重构输出功率-电压曲线

3 结语

平流层飞艇铺设大规模太阳能电池阵列时，必须解决系统可靠性问题和由于光照不均导致的发电效率低下问题。论文首先分析了飞艇光伏发电系统的分布式电路拓扑结构，进一步研究了光伏电池子阵电气重构电路拓扑和控制策略。仿真结果表明，基于电气重构的光伏电池子阵拓扑具有更高的发电能力。