太陽(yáng)能功率優(yōu)化器綜述

于波　孫仲剛　劉克銘　李亞彬　榮丹丹　何毅　王會(huì)曉

摘 要：太陽(yáng)能功率優(yōu)化器是近年來(lái)興起的一種單組件級(jí)別的功率跟蹤和轉(zhuǎn)換設(shè)備，能大幅降低光伏陣列在陰影遮擋、組件失配時(shí)的功率損失，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了功率優(yōu)化器的工作原理，指明功率優(yōu)化器在最大功率點(diǎn)跟蹤算法和組件監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì)；分析了功率優(yōu)化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)能夠大幅提升屋頂系統(tǒng)的安全性能，只是并聯(lián)型功率優(yōu)化器存在升壓跨度較大的缺陷；最后概要指明了功率優(yōu)化器的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；功率優(yōu)化器；最大功率點(diǎn)跟蹤；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

1、引言

光伏應(yīng)用中的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maxim Power Point Tracking， MPPT）系統(tǒng)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏組件能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)[1-3]。MPPT技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，即通過(guò)測(cè)量電流和電壓，判定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)的位置關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)工作點(diǎn)電流或電壓，使其向峰值點(diǎn)靠攏，最終使光伏陣列工作在峰值點(diǎn)附近。但是當(dāng)今的太陽(yáng)能市場(chǎng)，MPPT技術(shù)嚴(yán)重影響著光伏陣列的發(fā)電效率[4-5]。

組串式逆變器作為多組件級(jí)別的轉(zhuǎn)換設(shè)備，即使采用多路MPPT技術(shù)，環(huán)境中無(wú)法預(yù)測(cè)的陰影遮擋和組件間不可避免的性能失配，仍會(huì)嚴(yán)重影響著光伏陣列的輸出功率[6-8]。此外，組串式逆變器要求同串組件保持一致的安裝角和傾斜角，周圍環(huán)境不宜存在遮擋情況，如此束縛對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和逆變器控制而言都是一個(gè)難題，于是單組件級(jí)別的功率跟蹤和轉(zhuǎn)換設(shè)備就越來(lái)越被市場(chǎng)所關(guān)注，其中最具代表性的產(chǎn)品是功率優(yōu)化器（Power Optimizer， PO）。

自從美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有限公司于2009年推出第一款被命名為Solar Magic的PO之后，光伏業(yè)界對(duì)于PO市場(chǎng)多持積極態(tài)度，PO產(chǎn)品如雨后春筍般冒出。以色列SolarEdge和美國(guó)Tigo都推出了集成式和外掛式產(chǎn)品，用戶既可以用PO模塊直接集成于接線盒內(nèi)的一體化產(chǎn)品，也可以將PO模塊單獨(dú)外掛式安裝在光伏陣列中。意法半導(dǎo)體提供的MPPT芯片可以同旁路二極管電路集成在同一塊電路板上，而美國(guó)Maxim提供的MPPT芯片甚至可以層壓進(jìn)組件內(nèi)，無(wú)需額外的旁路二極管電路。

2、PO的工作原理

PO是一個(gè)內(nèi)建MPPT功能的直流到直流（DC-DC）的電流控制降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，主要有三個(gè)模塊：MPPT模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊。簡(jiǎn)單地講，PO是將逆變器的MPPT功能獨(dú)立地于每塊組件之后，改變輸入逆變器的電壓的同時(shí)，把組件輸入PO的電壓同步調(diào)至峰值點(diǎn)電壓，再將各個(gè)組件的峰值功率傳輸給終端逆變器進(jìn)行直流到交流的處理。終端逆變器可以是無(wú)MPPT功能的純逆變?cè)O(shè)備，亦可是配有二級(jí)MPPT功能的逆變?cè)O(shè)備。如此使得組件和PO的結(jié)合體能夠獨(dú)立地進(jìn)行MPPT跟蹤，大幅降低傳統(tǒng)光伏陣列在陰影遮擋、組件失配時(shí)導(dǎo)致的功率損失，約可提高系統(tǒng)發(fā)電效率25%以上。

PO在MPPT算法上有著先天的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)MPPT算法的最大挑戰(zhàn)是多波峰情況。多波峰是指在一個(gè)陣列的功率-電流或功率-電壓曲線中，出現(xiàn)了多個(gè)功率峰值。多波峰的成因多種多樣，其中之一是因?yàn)殡姵仄徽趽醵鴨?dòng)了旁路二極管，使得電池串被旁路而導(dǎo)致組件串的工作電壓降低，進(jìn)而出現(xiàn)光伏陣列的電壓失配導(dǎo)致多波峰情況?；蛘咭?yàn)檎趽醵月范O管依然處在反向偏轉(zhuǎn)的未啟動(dòng)狀態(tài)，而在同一組件串中出現(xiàn)電流失配而導(dǎo)致的多波峰情況[15-16]。由于多波峰情況的不可控性和多變性，會(huì)混淆跟蹤器對(duì)于探測(cè)方向和最大功率點(diǎn)的判斷。這種問(wèn)題的根本原因是接入MPPT的組件太多了。假設(shè)每個(gè)MPPT連接一個(gè)組件，組件間又互不影響，這將極大地降低最大功率點(diǎn)的分析和跟蹤難度，同時(shí)有利于控制器邏輯編輯的簡(jiǎn)潔性和準(zhǔn)確度。正是基于這種優(yōu)勢(shì)，才可以讓PO相較于傳統(tǒng)的逆變器有著30%左右的產(chǎn)能提升。

PO能夠便捷地實(shí)現(xiàn)組件級(jí)監(jiān)控。傳統(tǒng)光伏陣列無(wú)論系統(tǒng)規(guī)模如何，用戶只能通過(guò)系統(tǒng)發(fā)電效率來(lái)推測(cè)系統(tǒng)是否正常，若出現(xiàn)反常，則需要結(jié)合一系列的參照數(shù)據(jù)才能推測(cè)出具體的原因，如果是某個(gè)組件的問(wèn)題，那么定位出問(wèn)題組件更是難上加難。而PO自身就攜帶了監(jiān)控功能，在監(jiān)控圖上，不但哪個(gè)組件出了問(wèn)題可以一目了然，同時(shí)設(shè)備還會(huì)提供錯(cuò)誤代碼，連問(wèn)題也都可以一并落實(shí)。

3、PO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PO與光伏組件、終端逆變器的結(jié)合組成了PO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中光伏組件作為光能轉(zhuǎn)換為電能的器件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)，PO實(shí)現(xiàn)了組件級(jí)MPPT、DC-DC轉(zhuǎn)換和通信功能，逆變器實(shí)現(xiàn)了DC-AC轉(zhuǎn)換、通信功能和AC電網(wǎng)連接。PO和逆變器內(nèi)部各有一套算法，前者主要實(shí)現(xiàn)直流到直流的降壓/升壓轉(zhuǎn)換，后者主要實(shí)現(xiàn)直流到交流的高效轉(zhuǎn)換。此外，二者之間通過(guò)雙向無(wú)線通訊（ZigBee）技術(shù)或電力載波通訊（Power Line Communication， PLC）技術(shù)傳輸信號(hào)，不同的通訊模式造成了各自產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度。PO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的都是固定電壓的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓分為：串聯(lián)型PO，各組串內(nèi)的PO均采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接；并聯(lián)型PO，各PO直接與終端逆變器并聯(lián)。

3.1. 串聯(lián)型PO

逆變器根據(jù)DC-AC環(huán)確定DC端總線電壓，同時(shí)匯總各串聯(lián)的PO所收集的最大功率，進(jìn)而計(jì)算出DC端線電流，并通過(guò)ZigBee或PLC傳輸給PO，此時(shí)每個(gè)PO輸出端的電壓等于PO所收集的組件最大功率除以線電流[25]。一旦若干組件被遮擋，相應(yīng)的PO會(huì)根據(jù)電流-電壓曲線重新確定最大輸出功率，再通過(guò)ZigBee或者PLC傳輸給逆變器。在維持DC端總線電壓不變的前提下，逆變器會(huì)重新計(jì)算線電流并反饋給各PO。此時(shí)被遮擋組件的功率降低，該P(yáng)O也會(huì)降壓來(lái)確認(rèn)輸出電流達(dá)標(biāo)，其它未被遮擋組件的PO則會(huì)升壓來(lái)達(dá)標(biāo)輸出電流。若個(gè)別組件被嚴(yán)重遮擋而無(wú)法啟動(dòng)降壓/升壓設(shè)備，PO則自動(dòng)斷開連接并發(fā)送報(bào)錯(cuò)信號(hào)，持續(xù)重啟直到遮擋問(wèn)題移除。這其實(shí)是一個(gè)電壓補(bǔ)足的過(guò)程，從而提供穩(wěn)定逆變器H橋的最優(yōu)DC端電壓。

3.2. 并聯(lián)型PO

逆變器根據(jù)DC-AC環(huán)確定DC端線電壓，此時(shí)每個(gè)PO把各自的輸出端電壓升壓到這個(gè)數(shù)值，此時(shí)輸入逆變器的電流相當(dāng)于每個(gè)PO收集到的最大功率除以這個(gè)數(shù)值后電流的總和[25]。一旦若干組件被遮擋，在維持DC端線電壓不變的前提下，相應(yīng)的PO會(huì)根據(jù)重新確定的最大輸出功率改變輸入逆變器的電流。同樣，若個(gè)別組件被嚴(yán)重遮擋而無(wú)法啟動(dòng)降壓/升壓設(shè)備，PO則自動(dòng)斷開連接并發(fā)送報(bào)錯(cuò)信號(hào)，持續(xù)重啟直到遮擋問(wèn)題移除。

3.3. PO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

PO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是把組件和逆變器功能性分開，這有別于傳統(tǒng)的光伏陣列?？此平M件通過(guò)PO接入逆變器，事實(shí)上組件只是用來(lái)啟動(dòng)PO，而PO收集組件的最大功率后相互協(xié)作輸給逆變器。固定電壓的技術(shù)，不但解決了光伏陣列部分遮擋的問(wèn)題，對(duì)于多組串的系統(tǒng)，各組串組件數(shù)量也不用相等，甚至同一組串內(nèi)的各組件朝向都不需一致。對(duì)于串聯(lián)型PO，斷路后的開路電壓僅為1V，對(duì)于并聯(lián)型PO，斷路后的開路電壓最多也就是組件的開路電壓，所以使得屋頂系統(tǒng)的安全性得到跨越式的進(jìn)步。

對(duì)于并聯(lián)型PO，由于厚云層的遮擋主要影響組件的輸出電流，對(duì)輸出電壓的影響不大，所以并聯(lián)型PO基本不會(huì)出現(xiàn)頻繁的電壓失配調(diào)節(jié)，而且由于是并聯(lián)關(guān)系，輸出的電流又不會(huì)相互影響，所以這是并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于串聯(lián)型的一大優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)型存在升壓跨度較大的缺陷。目前主流組件的開路電壓約為38V，工作電壓約為30V，串聯(lián)型在正常情況下降壓/升壓范圍控制在10%～30%之間，在電壓補(bǔ)足情況下變化范圍提升到10%～90%之間。然而并聯(lián)型需要把組件輸入逆變器的電壓升壓到一個(gè)相當(dāng)高的數(shù)值，通常約為400V，相當(dāng)于10倍以上的提升。這對(duì)于僅靠開關(guān)控制的升壓設(shè)備而言是一個(gè)比較有挑戰(zhàn)性的工作周期，尤其是在屋頂較高的環(huán)境溫度下。

4、PO的發(fā)展趨勢(shì)

市場(chǎng)上各種功能和設(shè)計(jì)的PO，在技術(shù)原理上都是成熟的，但是業(yè)界對(duì)于PO的發(fā)展也存在一些擔(dān)憂：

1）可靠性有待驗(yàn)證。目前，各個(gè)PO供應(yīng)商對(duì)組件廠商都是提供10年產(chǎn)品質(zhì)保，迄今為止，尚無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明增加了PO的光伏組件能在戶外使用25年，僅憑實(shí)驗(yàn)室有限的老化數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的使用年限并不具有充分的說(shuō)服力。

2）成本壓力要降低。在應(yīng)用方面，因?yàn)镻O的售價(jià)是常規(guī)接線盒的3～6.5倍，使用PO后增加的系統(tǒng)成本將大大縮短終端用戶的投資收益年限，需要業(yè)界多方努力進(jìn)一步降低成本。

3）應(yīng)用服務(wù)要多樣化。終端用戶手機(jī)APP的快速化、多樣化發(fā)展，使得PO產(chǎn)品的監(jiān)控、優(yōu)化功能得以最廣泛地被接受，由此催生出針對(duì)光伏大數(shù)據(jù)的一系列服務(wù)性應(yīng)用。

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