基于分布式电源优化器的PV系统优化

半导体

安装太阳能发电或者光伏(PV)系统在时间和资金方面都需要大量的前期投资，但与其它低风险投资相比，该方案的预计投资回报相当可观，其优点包括显著降低电费和提升投资回报率。据称，一旦太阳能系统开始投入运行，PV系统的拥有者就能轻松享用25年。但事实真是如此吗？
不幸的是，许多太阳能系统的拥有者对新装PV系统的工作方式，以及太阳能系统性能可能降低的情况却一无所知。事实上，许多人并不知道"太阳能电池板或者系统不匹配"这一问题，对于树木和烟囱等物体对系统输出功率造成的潜在破坏性影响知之甚少甚至毫不知情。当电压与电流组合不匹配时，就会出现PV系统不匹配的问题；造成此问题的原因有很多，例如局部遮蔽、飘动的云、附近物品的反射、各种不同的倾斜角和方向、表面污染以及太阳能电池阵列上的温度变化。事实上，即使太阳能电池阵列只被遮蔽少量面积也会导致25％到50％的功率损失。

在评估光伏(PV)系统的性能时，通常的做法是假设一些典型的辐照度、温度及模块参数条件，而且这些条件在PV系统阵列的所有电池和模块上都保持一致。但是，阵列局部遮蔽、不同的模块倾斜角度等许多情况，都会使这些因素在阵列甚至单独的光伏电池板串中出现显著的变化，导致太阳能电池板不匹配和系统性能下降，使得实际性能将与预期水平存在巨大差距。

根据美国国家半导体实验室收集的测试和现场试验结果(图1)，同时参考其它研究结果，由于阴影或其它因素造成的电池板不匹配会导致太阳能电池板中功率损耗不均匀，即使只有少量遮蔽也会导致电能大量损失。此外，Chaintreuil、Barruel、Le Pivert、Buttin和Merten在他们名为《阴影对连接电网的PV系统的影响》的论文中也指出：根据太阳能电池阵列的连接方式，晶体硅PV系统电池板阵列上阴影面积达到2.6%时可能导致总电能损失16.7%(图2)。据《光子国际》报告，斜屋顶天窗遮挡20%的太阳能电池板阵列就可能使PV系统的输出功率损失达到惊人的81%，系统因此完全丧失价值(图3)。

图1：由于阴影或其它因素造成的电池板不匹配导致太阳能电池板中功率损耗不均匀。(来源：美国国家半导体实验室)

图2：遮蔽条件下电池板阵列的性能差异.(来源：《阴影对连接电网的PV系统的影响》)

图3：斜屋顶天窗遮挡20%的太阳能电池板阵列就可能使PV系统的输出功率损失达到惊人的81%。(来源：《光子国际》，2009年9月(单串配置))

在系统安装时未发现的不匹配问题，将导致许多PV系统无法达到最大电能产能，降低了系统拥有者的投资回报率。此外，已知的不匹配问题也可能因为电能产能不理想而导致整个项目的失败。这些不匹配问题都造成了PV系统的产能不足，以及太阳能设备部署空间未能得到充分利用。如果能够充分利用那些部分时段会受阴影遮蔽的的屋顶空间(例如在护墙附近，或者在屋顶的一些机械设备的四周)，太阳能发电系统的安装率可以增加10%到20%。有些居民用户的位置已被树木(不能砍伐)或附近的建筑完全遮蔽，因此很难估计此类场所能够获得的太阳能。根据Greenberg Quinlan Rosner Research公司于2009年1月开展的一次调查，150位受访的安装人员承认这是一个取决于场地的问题，54%的安装人员均表示安装现场不能有任何遮蔽阴影。选择“通过设计解决这一问题”的安装人员表示平均成本会提高19%。此外，根据加利福尼亚公共事业委员会在2009年6月进行的一项研究，参与加州太阳能计划的各个计量场所的平均年产能持续低于PV系统的预期产能(图4)。

图4 ：参与加州太阳能计划的各个计量场所的平均年产能持续低于PV系统的预期产能。(来源：加利福尼亚公共事业委员会“Itron智能电网协同架构影响评估”)

为说明电池板不匹配的现象，以及电池参数小幅变化会影响PV系统电池板阵列系统级性能的原因，需要讨论目前搭建PV系统的常用方式。

在住宅、商业或者公共事业中应用的PV系统电池板阵列，通常采用如图5所示的配置。在这种安装方式中，多组串联的PV系统电池板并联并向连接电网的逆变器输入。电池板本身由串联的电池构成。集中式逆变器的主要功能是将直流电转变为交流电，但同时还配有一个最大功率点跟踪控制器，它可通过一种最大功率点跟踪算法随时调节PV系统电池板阵列的输入阻抗，获得最大产能。

太阳能模块产生的功率即电流(I)与电压(V)的乘积。在任何既定条件和既定时间下存在一个最佳点，即最大功率点(MPP)，使太阳能模块产生最大功率输出。换句话说，光伏模块的最大功率点是电流与电压之间的指数关系的函数。最大功率点跟踪(MPPT)是一种电子形式的跟踪威廉希尔官方网站，它利用算法和控制电路来搜索这个最大功率点，从而使转换器电路可以从光伏电池模块中获取最大功率。

在辐射、温度以及其它电池参数统一的情况下，除转换效率差异之外，分布式MPPT和集中式MPPT在性能方面没有差异。然而，在存在局部阴影的情况下，电池板不匹配将成为最大的问题，因为参数不统一，局部阴影将导致阵列的不同电池板具有多个MPP。采用集中式MPPT时，可能会导致更多的不均匀损失，其原因主要有两个：首先，集中式MPPT内部混乱，在进行功率配置时停留在局部最高点，并设置在电压的次优点；其次，在非正常的条件下，MPP的电压点差别可能非常大，超出了集中式MPPT的工作范围和电压范围。由于电池板之间的差别很大，在这些情况下，采用分布式MPPT的电源优化器，可独立地增强并提高电池板的性能。

图5 ：采用集中式MPPT威廉希尔官方网站并网的PV系统。(来源：美国美国国家半导体)

图6：采用电源优化器分布式MPPT威廉希尔官方网站并网的逆变器。(来源：美国美国国家半导体)

在采用电源优化器威廉希尔官方网站和分布式MPPT威廉希尔官方网站的PV系统电池板阵列中(如图6所示)，每个电池板连接了一个电源优化器装置。电源优化器进行双重跟踪：一方面，它们跟踪最佳的局部MPP；另一方面，它们将输入电压/电流转换为不同的输出电压/电流，以最大限度提高系统中的能源传输。电源优化器以间接的方式互相连通。它们具有认知和自行组织能力，可以检测自己的电流与电压环境并自行调整，直到整串电池板达到最佳值，同时在电池板级别达到局部最优点。目前，只有SolarMagic电源优化器能做到这一点。

电源优化器保留了久经验证的串联电池板排列方式，并通过只将DC/DC和PMMT功能分布到电池板来实现改进。与此同时，电源优化器架构与现有的多级逆变器完美兼容，实际上将使它们能够更高效地运行，因为总线电压可保持更高水平且更恒定。电源优化器不只限于提升直流/直流转换器的性能，它们既能处理能源多的情况，也能处理能源减少的情况。这就意味着因反射而增加的辐照(与遮蔽阴影相反的不匹配问题)也可被利用来增加产能。同样，这也意味着电源优化器有能力处理功率变化，方法是给某个串列添加电池板(使该串列产生更多的电量)，或者从某个串列减少一块或两块电池板(从而减少电量)。因此，安装人员能够设计串列长度不同的系统，使阵列应用更为灵活。电源优化器在其他方面也有助于提高灵活性，例如在同一个串列中安装不同类型的模块，或者采用不同的模块安装方向。电源优化器架构使系统能够收获最多的电能。

美国国家半导体近日对太阳能威廉希尔官方网站先驱Jigar Shah拥有的一套30kW太阳能电池板阵列开展了一项案例分析，结果令人激动。在安装电源优化器之前，设备性能比只有67%，远低于预期值。在大约1/3的电池板系统(共204块)上安装电源优化器之后，即使存在遮蔽阴影、电池板与线路不平衡问题，整体输出功率也提升了22.6％，系统的性能比达到前所未有的82％，超过了PV系统的预期输出功率。电源优化器还能够针对PV系统性能随着时间逐渐降低的问题(例如线路和模块老化)提供保护，以确保系统用户获得最大投资回报。在另一个案例中，《光子国际》最近对SolarMagic电源优化器进行了测试，发现它能够挽回因遮蔽阴影不匹配问题损失的71％的能量，使带有斜屋顶天窗的太阳能设备创造巨大价值(如图3所示)。

电源优化器不仅能够提高目前屋顶设备的输出功率，而且还可帮助安装人员设计同时充分利用屋顶空间的系统，从而帮助客户更快地获得投资成本。随着***不断出台的可再生能源鼓励政策，美国国家半导体的电源优化器威廉希尔官方网站为太阳能成本方面的降低迈出了重要的一步。

作者：
Ralf J. Muenster
Aaron R. Thurlow
美国国家半导体

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