综述：静态光伏阵列重构技术用于局部遮阴缓解：批判性综述

《Next Energy》：Static PV array reconfiguration techniques for partial shading mitigation: A critical review

　　

光伏（PV）系统面临的最大挑战是遮阴问题（PSC），其导致失配损耗并在P-V特性曲线中产生多个峰值。这些峰值代表局部最大功率点（LMPPs），但仅有一个点对应全局最大功率点（GMPP）。这将降低全局点的提取功率，并使最大功率点跟踪（MPPT）控制器产生混淆。为解决该问题，研究者提出了多种静态光伏阵列重构技术。本文在讨论传统配置的基础上，主要对45种静态重构技术进行了综述，并提出多种维度的比较模式。从电气性能、计算复杂度、控制与机械复杂度等方面对这些技术进行了对比，同时评估了它们在多种遮阴模式下的表现，以及可扩展性和架构兼容性。比较结果表明，基于数学谜题（mathematical puzzle）的技术能有效分散遮阴效应，但会带来数学约束并增加布线复杂度；而基于旋转结构（rotational structures）的技术在性能与实现简便性之间表现出更好的平衡。在45种被综述的技术中，Twisted Two-Step Arrangement（TTSA）被认为是最均衡的解决方案，与传统互联方式相比，其功率提升高达41%，且P–V曲线呈单峰，特性更为平滑。该技术显示出失配损耗降低、抗热斑形成能力强、MPPT复杂度低，以及对大规模系统和建筑一体化光伏（BIPV）应用具有高可扩展性。

1. 1.
   引言
   随着电力消费需求的显著增长，传统能源带来的环境污染问题日益突出，清洁可再生能源（如风能和太阳能）的重要性不断提升。光伏（PV）系统作为一种新兴的可再生能源形式，虽然具有资源丰富、维护简便等优势，但其发电效率受环境因素的影响显著。局部遮阴（PSC）是导致光伏系统性能下降的主要原因之一，其来源于云层、邻近建筑物、灰尘、鸟粪等，造成组件接收辐照度不均匀，进而引发失配损耗、热斑效应以及P-V曲线多峰现象，给最大功率点跟踪（MPPT）带来极大挑战。除传统解决方案（如旁路二极管、先进MPPT算法、微型逆变器和模块级电力电子（MLPE））外，静态光伏阵列重构技术因其经济性和易实施性而受到广泛关注。本文旨在对静态重构技术进行系统性评述，分析各类方法的原理、优缺点及适用场景，并通过多维度比较为工程实践提供指导。
2. 2.
   传统光伏阵列配置
   2.1 串联阵列配置（S）
   所有组件串联连接，电流一致，总电压为各组件电压之和。该配置在局部遮阴时性能严重受限，因为整串电流受限于遮阴组件，未遮阴组件可能产生反向偏置并发热，形成热斑。必须配置旁路二极管，但这会引入多个局部最大功率点（LMPPs）。
   2.2 并联阵列配置（P）
   所有组件并联，输出电压较低，虽然P-V曲线多峰现象较少，但输出电流大导致线路损耗高，且电压水平低，限制了实际应用。
   2.3 串并联阵列配置（SP）
   先串联成子串再并联，兼顾电压与电流需求，应用最广泛。但在遮阴条件下，串联部分的失配损耗显著，P-V曲线呈现多个峰值，增加MPPT控制器追踪全局最大功率点（GMPP）的难度。
   2.4 桥接阵列配置（BL）
   在SP基础上增加相邻组串间的互连，改善了失配损耗，性能优于传统SP。
   2.5 蜂窝阵列配置（HC）
   组件按六边形排列，互连数量更多，进一步降低失配损耗，但结构复杂。
   2.6 全交叉连接阵列配置（TCT）
   每个组件既与相邻组件串联又并联，互连数量最多，遮阴分散效果最好，能有效避免遮阴集中在特定行、列或角落，是传统配置中性能最优的方案。然而，所有传统配置均无法完全消除多峰现象和失配损耗，因此催生了静态重构技术的研究。
3. 3.
   静态重构技术
   静态重构技术无需开关操作或功率电子设备，通过预设的物理位置重排或电气连接调整来分散遮阴影响。本文将其分为六类：
   3.1 谜题启发映射重构技术
   此类方法基于数学谜题规则重新排列组件位置。Sudoku技术将9×9阵列划分为9个3×3子矩阵，确保每行、每列及子矩阵内数字1~9不重复，有效分散遮阴但存在布线复杂、首列无法重排等局限。Optimal Sudoku（O-SDK）优化了线路损耗但仍受限于对称阵列。Improved Sudoku引入回溯算法，使每行、列、对角线及子矩阵之和为45，性能进一步提升。Hyper Sudoku扩展了约束条件，允许首列重排。Arrow Sudoku（ASDK）结合箭头求和规则，Four Square Sudoku（FS-SDK）增加四个附加方块，Complementary Sudoku（C-SDK）采用对角互补原则，Parquet Sudoku（PR-SDK）通过起始、中心和末尾单元格不同值来防止重复，Adoku则专门解决首列遮阴分散问题。此外，TomTom（TT）和Calculdoku（CCDP）等算术谜题也被应用于阵列重构。
   3.2 索引与数值映射重构技术
   此类技术通过数学运算平移组件位置，计算复杂度低且可扩展性强。Odd–Even技术将奇偶编号组件分组，适用于小型阵列。Odd-Even-Prime（OEP）将行列分为质数、非质数奇数和非质数偶数三类，Improved Odd-Even-Prime（IOEP）进一步优化，确保同行组件不相邻。Prime Number（PN）技术利用质数索引实现高效遮阴分散。Column Index Algorithm（CAI）按列索引正反向平移元素，Row Index Method（RIM）利用等差数列2,4,6…重排行。Primary Key（PK）算法以主键列为基准进行数学运算，Recursive Addition（RA）保持行电流恒定但仅适用于对称阵列。Alternate Panel Interchange（API）分两阶段交换面板位置，Cross Kit（CK）则基于规则对行分类并交换。
   3.3 矩阵与方阵重构技术
   利用结构化数学矩阵平衡行列数值。Magic Square（MS）使每行、列及对角线之和恒定，Magic Square View（MSV）通过算法生成魔方模式，Ancient Chinese Magic Square（ACMS）基于九宫旋转，Lo Shu（LSh）采用列移和行移规则，Latin Square（LS）保证每个元素在行列中仅出现一次，Dominance Square（DS）和Competence Square（CS）分别通过对角和L形移位实现遮阴均匀化。
   3.4 逻辑约束谜题重构技术
   基于特定逻辑规则（如不重复、不等式或算术运算）重排组件。Ken-Ken Square（KKS）利用笼内算术约束，Futoshiki（FS）引入相邻值不等关系，Jigsaw（JS）采用不规则子网格填充。
   3.5 几何与旋转重构技术
   通过几何运动模式分散遮阴。Zigzag技术沿对角线和半圆形路径排列，Knight’s Tour（KT）模拟国际象棋马步路径，Circular Array Transformation（CAT）将每列视为循环结构并按头部旋转，Successive Rotation（SR）通过连续旋转改善遮阴分布，Twisted Two Steps Arrangement（TTSA）分两步：先将组件按Z形升序排列，再进行偶模翻转，实现高达41%的功率提升。Two Phase Array Reconfiguration（TPAR）专为大型阵列设计，分两步重排列元素，Nonsymmetrical reconfiguration（NS）利用ceil和floor函数重排行索引。
   3.6 拓扑导向静态重构技术
   侧重于改变电气连接路径。Fixed Electrical Reconfiguration（FER）创建独立电流路径隔离遮阴组件，Static Reconfiguration of Adjacent Panels（SRAP）通过距离公式d=√m分离同行模块，Skyscraper Scheme（SKYCS）基于边界线索放置不同高度建筑，Chaotic Baker Map（CBM）和Henon Map（HM）源自图像加密领域的混沌映射，将组件视为像素进行重排。
   3.7 模式驱动与遮阴传播重构技术
   依据预设空间分布模式系统分散遮阴。Shade Dispersion Physical Array Relocation（SD-PAR）通过计数器变量循环平移列，Cross Diagonal Pattern（CDP）沿对角线物理重排组件，两者均在保持电气连接不变的前提下实现更均匀的电流匹配。
4. 4.
   静态光伏阵列重构技术的最新进展
   近期研究趋向于将图像处理和加密算法引入静态重构。Arnold’s cat map（ACM）和Two-Dimensional Generalized Arnold’s cat map（2D-GACM）利用图像变换矩阵打乱组件位置，适用于对称和非对称阵列。Integer-Series Transformation（IST）基于图像处理数学变换实现系统性的遮阴分散。Calligraphy-Based Diagonal Scan（DS）模式结合书法路径对角扫描，Nonequilateral Arnold cat map（NE-ACM）处理非等边阵列。Knight’s Tour Magic Square（KTM）融合马步路径与魔方特性，Asterisk Sudoku-Based T-Block Swap Technique利用星形数独块交换，Renzoku Puzzle Pattern Array Configuration（RPPAC）受日本连数谜题启发。Addition Progression Structure（APS）基于等差数列结构重排，Blocking P-MOSFET配置则用BP-MOSFET替代传统阻塞二极管以降低导通压降。
5. 5.
   静态光伏重构技术与先进MPPT控制器的集成
   为进一步优化遮阴条件下的能量提取，静态重构常与智能MPPT结合。Ruler Transform（RT）基于图像加密重排阵列并配合RBF神经网络MPPT。Fibonacci Transform（FT）利用斐波那契数列矩阵实现遮阴智能分散。Priority Queue-Based Reconfiguration Algorithm（PQRA）根据辐照度优先级队列放置组件，并与ANFIS控制器协同。Padovan Transform（PT）基于帕多瓦数列加密重排，Kolakoski Sequence Transform（KST）与LMB-ANN控制器混合，均实现了更高效的GMPP追踪和更少的稳态振荡。
6. 6.
   对近期静态光伏阵列重构技术的批判性分析
   当前创新呈现出从传统谜题向图像加密、变换和序列算法转变的趋势。ACM、IST、2D-GACM等方法在遮阴分散、减少失配损耗和抑制局部峰值方面效果显著，且大多保留了原有电气连接。然而，这些方法多基于相似原理，尚未形成公认的最优通用方案。研究焦点仍偏重电气性能，对可扩展性、安装简易性、成本效益和长期可靠性的关注不足。将静态重构与智能MPPT（如RBF、ANN、ANFIS）结合的混合系统是重要发展方向，但需进一步对比验证其综合效能。
7. 7.
   静态重构相对于动态重构的优势
   动态重构虽能应对变化遮阴，但需要大量开关、传感器、通信设备及复杂控制算法，成本高昂且可靠性低。静态重构仅需一次性物理重排，无需额外硬件和实时控制，更具经济性、易实施性和长期稳定性。近期将静态重构与MPPT算法结合的策略，既能消除多峰又能精确追踪GMPP，代表了实用化的主流趋势。
8. 8.
   比较
   本文从四个主要维度对45种静态重构技术进行了详细比较：电气特性与性能（包括输出功率、失配损耗、P-V曲线平滑度等）、不同遮阴模式下的鲁棒性（均匀、非均匀、角落、窄宽等遮阴）、结构适应性与架构兼容性（阵列尺寸适用性、对称性要求、可扩展性、BIPV适用性），以及计算、控制与机械复杂度（MPPT复杂度、控制负担、布线长度等）。该多维度比较为技术选型提供了量化依据。
9. 9.
   建议
   综合四项比较结果，推荐Twisted Two-Step Arrangement（TTSA）作为部分遮阴条件下光伏矩阵的最优静态重构方案。TTSA功率增益最高可达41%，P-V曲线呈单峰且平滑，失配损耗显著降低，抗热斑能力强。该技术对均匀/非均匀、角落、长短宽窄等多种遮阴模式均表现优异，且无需复杂MPPT算法和额外控制，布线长度不变，列间连接最少。在架构上，TTSA不要求对称性，可扩展至大型系统，并保持面板占地面积不变，非常适合BIPV应用。
10. 10.
    结论
    本综述系统回顾了45种静态光伏阵列重构技术，从电气行为、计算复杂度、结构设计、遮阴适应性、可扩展性和兼容性等多标准进行了深入分析。比较发现：数学谜题类技术遮阴分散效率高但受数学约束和布线复杂性限制；旋转结构类技术在性能与实施简便性之间达到最佳平衡。其中，Twisted Two-Step Arrangement（TTSA）是最均衡且稳定的技术，能大幅提升发电量并获得无多峰的P-V曲线，同时降低失配损耗和热斑风险，减轻MPPT与结构设计负担。本研究为光伏阵列重构技术的进一步探索提供了重要参考，并为开发更先进、可扩展的重构方案指明了方向。