用分布式電源優化器優化PV系統

安裝太陽能發電或者光伏(PV)系統在時間和資金方面都需要大量的前期投資，但與其它低風險投資相比，該方案的預計投資回報相當可觀，其優點包括顯著降低電費和提升投資回報率。據稱，一旦太陽能系統開始投入運行，PV系統的擁有者就能輕松享用25年。但事實真是如此嗎？

不幸的是，許多太陽能系統的擁有者對新裝PV系統的工作方式，以及太陽能系統性能可能降低的情況卻一無所知。事實上，許多人并不知道"太陽能電池板或者系統不匹配"這一問題，對于樹木和煙囪等物體對系統輸出功率造成的潛在破壞性影響知之甚少甚至毫不知情。當電壓與電流組合不匹配時，就會出現PV系統不匹配的問題；造成此問題的原因有很多，例如局部遮蔽、飄動的云、附近物品的反射、各種不同的傾斜角和方向、表面污染以及太陽能電池陣列上的溫度變化。事實上，即使太陽能電池陣列只被遮蔽少量面積也會導致25％到50％的功率損失。

在評估光伏(PV)系統的性能時，通常的做法是假設一些典型的輻照度、溫度及模塊參數條件，而且這些條件在PV系統陣列的所有電池和模塊上都保持一致。但是，陣列局部遮蔽、不同的模塊傾斜角度等許多情況，都會使這些因素在陣列甚至單獨的光伏電池板串中出現顯著的變化，導致太陽能電池板不匹配和系統性能下降，使得實際性能將與預期水平存在巨大差距。

根據美國國家半導體實驗室收集的測試和現場試驗結果(圖1)，同時參考其它研究結果，由于陰影或其它因素造成的電池板不匹配會導致太陽能電池板中功率損耗不均勻，即使只有少量遮蔽也會導致電能大量損失。此外，Chaintreuil、Barruel、Le Pivert、Buttin和Merten在他們名為《陰影對連接電網的PV系統的影響》的論文中也指出：根據太陽能電池陣列的連接方式，晶體硅PV系統電池板陣列上陰影面積達到2.6%時可能導致總電能損失16.7%(圖2)。據《光子國際》報告，斜屋頂天窗遮擋20%的太陽能電池板陣列就可能使PV系統的輸出功率損失達到驚人的81%，系統因此完全喪失價值(圖3)。

圖1：由于陰影或其它因素造成的電池板不匹配導致太陽能電池板中功率損耗不均勻。(來源：美國國家半導體實驗室)

圖2：遮蔽條件下電池板陣列的性能差異.(來源：《陰影對連接電網的PV系統的影響》)

圖3：斜屋頂天窗遮擋20%的太陽能電池板陣列就可能使PV系統的輸出功率損失達到驚人的81%。(來源：《光子國際》，2009年9月(單串配置)

在系統安裝時未發現的不匹配問題，將導致許多PV系統無法達到最大電能產能，降低了系統擁有者的投資回報率。此外，已知的不匹配問題也可能因為電能產能不理想而導致整個項目的失敗。這些不匹配問題都造成了PV系統的產能不足，以及太陽能設備部署空間未能得到充分利用。如果能夠充分利用那些部分時段會受陰影遮蔽的的屋頂空間(例如在護墻附近，或者在屋頂的一些機械設備的四周)，太陽能發電系統的安裝率可以增加10%到20%。有些居民用戶的位置已被樹木(不能砍伐)或附近的建筑完全遮蔽，因此很難估計此類場所能夠獲得的太陽能。根據Greenberg Quinlan Rosner Research公司于2009年1月開展的一次調查，150位受訪的安裝人員承認這是一個取決于場地的問題，54%的安裝人員均表示安裝現場不能有任何遮蔽陰影。選擇“通過設計解決這一問題”的安裝人員表示平均成本會提高19%。此外，根據加利福尼亞公共事業委員會在2009年6月進行的一項研究，參與加州太陽能計劃的各個計量場所的平均年產能持續低于PV系統的預期產能(圖4)。

圖4 ：參與加州太陽能計劃的各個計量場所的平均年產能持續低于PV系統的預期產能。(來源：加利福尼亞公共事業委員會“Itron智能電網協同架構影響評估”

為說明電池板不匹配的現象，以及電池參數小幅變化會影響PV系統電池板陣列系統級性能的原因，需要討論目前搭建PV系統的常用方式。

在住宅、商業或者公共事業中應用的PV系統電池板陣列，通常采用如圖5所示的配置。在這種安裝方式中，多組串聯的PV系統電池板并聯并向連接電網的逆變器輸入。電池板本身由串聯的電池構成。集中式逆變器的主要功能是將直流電轉變為交流電，但同時還配有一個最大功率點跟蹤控制器，它可通過一種最大功率點跟蹤算法隨時調節PV系統電池板陣列的輸入阻抗，獲得最大產能。

太陽能模塊產生的功率即電流(I)與電壓(V)的乘積。在任何既定條件和既定時間下存在一個最佳點，即最大功率點(MPP)，使太陽能模塊產生最大功率輸出。換句話說，光伏模塊的最大功率點是電流與電壓之間的指數關系的函數。最大功率點跟蹤(MPPT)是一種電子形式的跟蹤技術，它利用算法和控制電路來搜索這個最大功率點，從而使轉換器電路可以從光伏電池模塊中獲取最大功率。

在輻射、溫度以及其它電池參數統一的情況下，除轉換效率差異之外，分布式MPPT和集中式MPPT在性能方面沒有差異。然而，在存在局部陰影的情況下，電池板不匹配將成為最大的問題，因為參數不統一，局部陰影將導致陣列的不同電池板具有多個MPP。采用集中式MPPT時，可能會導致更多的不均勻損失，其原因主要有兩個：首先，集中式MPPT內部混亂，在進行功率配置時停留在局部最高點，并設置在電壓的次優點；其次，在非正常的條件下，MPP的電壓點差別可能非常大，超出了集中式MPPT的工作范圍和電壓范圍。由于電池板之間的差別很大，在這些情況下，采用分布式MPPT的電源優化器，可獨立地增強并提高電池板的性能。

圖5 ：采用集中式MPPT技術并網的PV系統。(來源：美國美國國家半導體)

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圖6：采用電源優化器分布式MPPT技術并網的逆變器。(來源：美國美國國家半導體)

在采用電源優化器技術和分布式MPPT技術的PV系統電池板陣列中(如圖6所示)，每個電池板連接了一個電源優化器裝置。電源優化器進行雙重跟蹤：一方面，它們跟蹤最佳的局部MPP；另一方面，它們將輸入電壓/電流轉換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統中的能源傳輸。電源優化器以間接的方式互相連通。它們具有認知和自行組織能力，可以檢測自己的電流與電壓環境并自行調整，直到整串電池板達到最佳值，同時在電池板級別達到局部最優點。目前，只有SolarMagic電源優化器能做到這一點。

電源優化器保留了久經驗證的串聯電池板排列方式，并通過只將DC/DC和PMMT功能分布到電池板來實現改進。與此同時，電源優化器架構與現有的多級逆變器完美兼容，實際上將使它們能夠更高效地運行，因為總線電壓可保持更高水平且更恒定。電源優化器不只限于提升直流/直流轉換器的性能，它們既能處理能源多的情況，也能處理能源減少的情況。這就意味著因反射而增加的輻照(與遮蔽陰影相反的不匹配問題)也可被利用來增加產能。同樣，這也意味著電源優化器有能力處理功率變化，方法是給某個串列添加電池板(使該串列產生更多的電量)，或者從某個串列減少一塊或兩塊電池板(從而減少電量)。因此，安裝人員能夠設計串列長度不同的系統，使陣列應用更為靈活。電源優化器在其他方面也有助于提高靈活性，例如在同一個串列中安裝不同類型的模塊，或者采用不同的模塊安裝方向。電源優化器架構使系統能夠收獲最多的電能。

美國國家半導體近日對太陽能技術先驅Jigar Shah擁有的一套30kW太陽能電池板陣列開展了一項案例分析，結果令人激動。在安裝電源優化器之前，設備性能比只有67%，遠低于預期值。在大約1/3的電池板系統(共204塊)上安裝電源優化器之后，即使存在遮蔽陰影、電池板與線路不平衡問題，整體輸出功率也提升了22.6％，系統的性能比達到前所未有的82％，超過了PV系統的預期輸出功率。電源優化器還能夠針對PV系統性能隨著時間逐漸降低的問題(例如線路和模塊老化)提供保護，以確保系統用戶獲得最大投資回報。在另一個案例中，《光子國際》最近對SolarMagic電源優化器進行了測試，發現它能夠挽回因遮蔽陰影不匹配問題損失的71％的能量，使帶有斜屋頂天窗的太陽能設備創造巨大價值(如圖3所示)。

電源優化器不僅能夠提高目前屋頂設備的輸出功率，而且還可幫助安裝人員設計同時充分利用屋頂空間的系統，從而幫助客戶更快地獲得投資成本。隨著政府不斷出臺的可再生能源鼓勵政策，美國國家半導體的電源優化器技術為太陽能成本方面的降低邁出了重要的一步。