太陽能功率優(yōu)化器前沿產(chǎn)品研究

劉克銘　孫仲剛　于波　榮丹丹　何毅　王會曉

摘要：太陽能功率優(yōu)化器是近年來興起的一種組件級電力電子，能夠大幅提升光伏陣列的發(fā)電效率，具有廣泛的應用前景。本文介紹了當今市場上各具特色的三款新型功率優(yōu)化器產(chǎn)品，分析了以色列SolarEdge公司的OPJ300-LV、美國Tigo公司的TS4和美國Maxim公司的VT80xx的功能優(yōu)勢與應用局限，指明了組件廠商對功率優(yōu)化器集成組件進行電性能測試的諸多限制，最后總結(jié)了功率優(yōu)化器產(chǎn)品的發(fā)展瓶頸與解決方案。

關(guān)鍵詞：太陽能；功率優(yōu)化器；SolarEdge OPJ300-LV；Tigo TS4；Maxim VT80xx

中圖分類號：TM615 文獻標識：A

1 引言

太陽能功率優(yōu)化器（Power Optimizer， PO）是近年來興起的一種組件級別的功率跟蹤和轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠大幅提升光伏陣列的發(fā)電效率，因此光伏業(yè)界對于PO市場普遍持積極態(tài)度，多家公司和創(chuàng)投基金已投入大量資源研發(fā)出多款PO產(chǎn)品，無不看好其在未來十年內(nèi)的爆發(fā)性成長潛力[1-2]。

PO是將逆變器的最大功率點跟蹤（Maxim Power Point Tracking， MPPT）模塊獨立出來，并且基于固定電壓的設(shè)計理念工作的組件級電力電子[3-4]。當出現(xiàn)陰影遮擋、組件失配等情況時，在維持光伏陣列輸入逆變器的總線電壓不變、PO輸入端與輸出端的功率基本相等的前提下，PO通過改變輸出電壓來匹配由光伏陣列瞬時功率與總線電壓決定的線電流，最終將各個組件的峰值功率傳輸給逆變器進行直流到交流的處理[5]。如此使得組件與PO的結(jié)合體能夠獨立地進行MPPT跟蹤，約可提高光伏陣列發(fā)電效率25%以上[6]。

本文介紹了當今市場上各具特色的三款新型PO產(chǎn)品，分析了以色列SolarEdge公司的OPJ300-LV、美國Tigo公司的TS4和美國Maxim公司的VT80xx的功能優(yōu)勢與應用局限，指明了組件廠商對PO集成組件進行電性能測試的諸多限制，最后總結(jié)了PO產(chǎn)品的發(fā)展瓶頸與解決方案。

2 SolarEdge OPJ300-LV

SolarEdge是光伏業(yè)界PO出貨量最大的公司，預計2015年出貨量超過1×109W。OPJ300-LV作為SolarEdge推出的新型PO，如圖1所示，通過電力載波通訊方式傳輸組件與逆變器間的數(shù)據(jù)，所用組件級MPPT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏陣列的功率最大化輸出。

OPJ300-LV主要有以下功能：組件級MPPT，組件級監(jiān)控和SafeDCTM。SafeDCTM是OPJ300-LV的特色服務，可以通過關(guān)斷電站現(xiàn)場的交流斷路器或關(guān)閉逆變器的開關(guān)，來實現(xiàn)斷開SolarEdge的逆變器或安全與監(jiān)控單元的交流連接，此時每個PO的直流輸出電壓會降低到1V的安全電壓。

OPJ300-LV的另一特點是可以在“優(yōu)化模式”與“旁路模式”之間切換。OPJ300-LV可以使用切換模塊將PO物理旁路，以便通過旁路模式測得OPJ300-LV集成組件的電性能，盡管使用切換模塊存在拖慢測試效率與頻繁使用后接觸不良的問題。此外，如果在電站現(xiàn)場發(fā)生PO故障，可以將OPJ300-LV旁路，然后連接外掛式PO繼續(xù)優(yōu)化光伏陣列的功率輸出。

OPJ300-LV的主要缺點在于和SolarEdge逆變器在功能和價格上的捆綁銷售。只有當OPJ300-LV與SolarEdge的逆變器或SolarEdge的安全與監(jiān)控單元相連時，組件級監(jiān)控與SafeDCTM功能才可用。其次，OPJ300-LV的售價較市場上同類PO高，因此SolarEdge實行OPJ300-LV與逆變器的捆綁銷售策略，相對于競爭對手的PO搭配不同廠商逆變器的成本，SolarEdge的整體價格稍低。

3 Tigo TS4

Tigo推出的最新產(chǎn)品是TS4通用型平臺，如圖2所示，其突出特點是為光伏組件實現(xiàn)即插即用功能。TS4平臺有一個公用盒底，搭配具有不同功能的五款盒蓋，各款盒蓋的規(guī)格尺寸相同，依據(jù)內(nèi)置電路的復雜性可依次增加旁路、監(jiān)控、安全、優(yōu)化、更長串五種功能。系列產(chǎn)品意味著可以根據(jù)具體項目和預算選擇所需功能，還可以根據(jù)需求變化升級TS4平臺，為現(xiàn)階段和未來實現(xiàn)最大的系統(tǒng)靈活性。

TS4主要存在如下值得商榷的地方：

1）TS4內(nèi)嵌ZigBee無線通訊模塊，光伏陣列需要增加兩類設(shè)備：最大化管理單元和通信網(wǎng)關(guān)。盡管無線通訊模式使得系統(tǒng)設(shè)計更具彈性，但也增加了初期的現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作。

2）TS4集成組件同樣需要額外模塊來進行電性能測試。Tigo提供了一個特殊工具，可以短接匯流帶引出端與接線盒線纜，然后按照傳統(tǒng)方法進行電性能測試。這種方案同樣存在拖慢測試效率與頻繁使用后接觸不良的問題。

4 Maxim VT80xx

Maxim推出的VT80xx被視為直流優(yōu)化的下一個進程，與前面兩款PO的主要區(qū)別在于：VT80xx是電池串級PO，如圖3所示，其功率優(yōu)化解決方案前所未有地將MPPT功能深度嵌入至電池串，突破傳統(tǒng)二極管方案及組件級PO方案的束縛。與組件級PO不同，VT80xx可在每串電池上進行MPPT優(yōu)化，將電池片混檔、灰塵遮蔽與斑駁陰影等組件內(nèi)失配因素造成的功率損失降至最低，且消除了熱斑及相關(guān)故障隱患，提高了系統(tǒng)可靠性。與傳統(tǒng)二極管不同，VT80xx不旁路微弱的電池串，使組件間遮擋性能得以改進，允許提高地面覆蓋或屋頂覆蓋的能量密度。

VT80xx主要存在如下值得商榷的地方：

1）VT80xx對防靜電環(huán)境要求較高。運輸VT80xx時，必須使用原始的導電包裝托盤與防靜電袋；安裝VT80xx時，操作人員必須套上接地手腕帶，焊錫工作站及焊錫工具必須妥善接地。

2）VT80xx集成組件的電性能測試較繁瑣。每塊組件進行電致發(fā)光測試前，必須使用防浪涌保護盒以確保沒有跳躍的電觸或瞬間電流過沖。每塊組件進行閃光測試前，確保組件在黑暗狀態(tài)下啟動及開始測試，確保模擬儀掃描順序由開路往短路方向進行，且掃描時間小于100毫秒。

3）前述兩款PO集成組件，使用特殊工具后，能在任意一種模擬儀上進行電性能測試。VT80xx由于特殊的結(jié)構(gòu)及元器件性能，其集成組件只適用于美國Spire模擬儀等少數(shù)幾種模擬儀，無形中為選擇其它型號模擬儀的組件廠商增加了推廣難度。

5 PO的發(fā)展趨勢

市場上各款PO產(chǎn)品在技術(shù)原理上都是成熟的，但是業(yè)界對于PO的發(fā)展也存在一些擔憂：

1）可靠性有待驗證。盡管組件廠商對選用的PO產(chǎn)品進行了可靠性實驗與認證，但是尚無戶外實測數(shù)據(jù)表明PO集成組件能夠?qū)崿F(xiàn)10年產(chǎn)品質(zhì)保和25年性能質(zhì)保。

2）商業(yè)模式要創(chuàng)新。目前在光伏貿(mào)易中主要是“賣功率”，而不是“賣度電”。既然PO會增加光伏陣列的發(fā)電量，那么組件廠商可以從賣度電的角度推廣PO產(chǎn)品。

3）國產(chǎn)化進程要加快。目前擁有PO知識產(chǎn)權(quán)的公司大多為國外廠商，國內(nèi)業(yè)界電子廠商可走“借鑒+改良”的思路，早日實現(xiàn)PO產(chǎn)品的國產(chǎn)化，如此也可進一步降低PO產(chǎn)品的成本壓力。

參考文獻

[1] DELINE C， MACALPINE S. Use Conditions and Efficiency Measurements of DC Power Optimizers for Photovoltaic Systems [C]. Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， 2013 IEEE. IEEE， 2013： 4801～4807.

[2] MACALPINE S， BRANDEMUEHL M， ERICKSON R. Characterization of Power Optimizer Potential to Increase Energy Capture in Photovoltaic Systems Operating under Nonuniform Conditions [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（6）： 2936～2945.

[3] 周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù)，2008，34（6）：1145～1154.

[4] 鄭飛，夏烈，董穎華.光照不均勻情況下光伏陣列最大功率跟蹤控制[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29（9）：52～56.

[5] CHEN S， LIANG T， HU K. Design， Analysis， and Implementation of Solar Power Optimizer for DC Distribution System [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（4）： 1764～1772.

[6] STOREY J， WILSON P R， BAGNALL D. The Optimized-string Dynamic Photovoltaic Array [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 29（4）： 1768～1776.

作者簡介：

劉克銘，男，1982-，碩士研究生，助理工程師，

英利能源（中國）有限公司技術(shù)管理平臺項目經(jīng)理。