典型太陽能電池最大化模塊的輸出方案

　　監控是開啟太陽能電池能量生產的關鍵。當太陽能環境不斷變化時，如果使用假設不斷產生能量的電路架構，很容易降低效率。

　　隨著太陽能模塊升溫或接收更多光，電流-電壓特性的變化可能是太陽能電池陣列效率損失的重要來源。如果產生電網兼容電力的逆變器沒有調整到輸出電壓和電流條件，它將浪費更多的電力。作為回應，電子公司生產的 IC 可以執行優化能量轉換所需的最大功率點跟蹤 （MPPT），并繞過電子設備以防止暫時不生產的模塊破壞有源電池的輸出。

　　在晴朗的日子靠近赤道，來自太陽的能量意味著一平方米的地球表面接收超過 1 千瓦的電力。今天的太陽能電池可以將大部分能量轉化為電能。在實驗室條件下測試的硅基太陽能電池的轉換效率接近 25%。然而，這些電池還沒有進入生產光伏 （PV） 面板，即使他們做到了，也存在降低整個光伏系統效率的其他問題。

　　太陽能電池背后的電子控制裝置是利用太陽能電池原始效率的關鍵。控制系統需要能夠對不斷變化的天氣條件做出反應，以確保光伏電池和模塊盡可能接近其峰值運行。每個太陽能電池都有一個特征電流-電壓 （IV） 曲線，該曲線反映了它對溫度和入射光水平的響應。

　　裝在光伏模塊中的電池可能會在單調的冬日產生高電壓但非常低的電流。隨著光照水平的升高，電壓會略微下降，但電流會急劇增加，直到接近峰值水平。隨著模塊升溫，模塊的輸出電壓會下降，從而降低其整體能量輸出。因此，即使在陽光強烈的時期，當它們應該處于峰值效率時，如果電子電路不對此進行補償，光伏面板也會遭受轉換效率的顯著下降。

　　高效率的部分秘訣在于使用可最大限度減少發熱的組件，從而將輸出電壓保持在高水平。更重要的是考慮到不斷變化的條件的架構，以確保電池和模塊在當前條件下以峰值電位運行。局部陰影將顯著降低陰影電池的輸出，對包含它們的模塊產生連鎖反應，如果管理不善，可能會完成光伏裝置或領域。根據美國國家可再生能源實驗室進行的測試，陰影落在太陽能裝置面積不到 3% 的地方會使其輸出效率降低 15% 以上。如果一個細胞不產生能量，它的電阻會上升，它會開始消耗其他電池提供給它的電流，因為它們通常是串聯的。結果是熱量積聚。這種熱點產生會隨著時間的推移損壞電池，并降低整個太陽能電池陣列的輸出能量。

　　在典型的安裝中，多組光伏面板串聯起來形成光伏串。每個串與其他串并聯，然后連接到逆變器，使產生的電力適應公共電網的特性。在每個串中，旁路二極管通過為其他面板產生的電流提供替代路徑來保護每個面板。這些二極管保證面板保護和整個系統的功能，以防面板損壞或被遮蔽。由于串上的電壓較低，通常由串的一部分上的陰影引起，阻塞或截止二極管保護每個串免受來自其他串的電流回流。

　　圖 1：使用單串的基本太陽能裝置的架構。

　　旁路二極管應具有低正向偏置電壓降，以允許來自上游面板的電流輕松流向逆變器，逆變器將能量轉換為與電網兼容的電力。為了防止熱量積聚和能量損失，非常低的正向電壓降至關重要。LX2400太陽能旁路設備使用Microsemi 的CoolRUN技術來減少導致正向壓降的電阻，從而最大限度地減少熱量產生。LX2400 在 10 A 時的壓降僅為 50 mW，而如此大電流的溫升僅為 10°C，從而防止了生產模塊附近效率降低的熱量增加。意法半導體

　　還具有SPV1001形式的太陽能旁路二極管。它是一種系統級封裝解決方案，旨在通過使用功率 MOSFET 與電容器一起工作以提供類似于肖特基二極管的旁路整流，但具有更低的壓降和反向漏電流，從而實現低溫運行。MOSFET 在其關斷期間為電容器充電，然后在其導通期間通過存儲在電容器中的電荷被驅動。導通時間和關斷時間按比例調整以降低漏極和源極端子的平均電壓降，從而降低功耗。

　　太陽能陣列或場的其余關鍵組件是逆變器部分，它產生與電網兼容的電力。逆變器是復雜的系統，通常包含三個功能：DC/DC 轉換、DC/AC 轉換和防孤島控制。

　　防孤島控制是一種安全控制，可在電網級電源故障期間強制系統與電網斷開連接，防止逆變器繼續向電網的小部分或“孤島”供電。如果島嶼通電，試圖修復系統的工人將面臨風險。另一個問題是，如果沒有與之同步的電網信號，逆變器的功率輸出可能會偏離客戶設備在島上運行的范圍。

　　逆變器需要根據太陽能電池陣列所經歷的條件進行調整，這通常使用最大功率點跟蹤 （MPPT） 來實現。使用 MPPT，逆變器電路可以使用電壓和電流的最佳組合，并為負載提供必要的電阻，以實現高效的能量收集。

　　圖 2：通過使用獨立的 DC/DC 轉換和 MPPT，太陽能裝置可以對不斷變化的環境條件做出更適當的反應。

　　最簡單的架構是使用一個 MPPT 引擎來控制單個通用逆變器。這種方法很簡單，但存在將單個電源點應用于陣列中可能遇到不同操作條件的模塊的問題。如果一個模塊在云從其視角穿過太陽時被部分遮蔽，則它將與其他完全照亮的模塊具有不同的功率點。盡管被遮蔽，但不保證繞過可能仍然有效。單個模塊上的污垢堆積會導致功率點隨時間發生變化，這也無法通過通用 MPPT 控制器反映出來。一種替代方法是通過使用多個并聯的串來拆分陣列，每個串為不同的逆變器前端供電。更靈活的方法是將 DC/DC 轉換器和 MPPT 控制器與每個 PV 模塊相關聯，

　　有多種方法可以在任何給定時間確定最佳功率點，每種方法都有其優點和缺點。一種常用的技術是擾動和觀察。使用這種技術，電壓或電流會發生變化，并會記錄功率輸出的變化。如果輸出增加，則擾動向正確的方向移動。如果不是，下一個擾動將是相反的方向。通常，DC/DC 轉換器采用的工作電壓會在 MPP 附近振蕩。STMicroelectronics的SPV1020采用擾動觀察算法。

　　另一種選擇是增量電導，它依賴于 MPP 處功率曲線導數與電壓的關系為零，左側為正，右側為負。實現將增量電導、電流與電壓的變化 （ΔI/ΔV） 與瞬時電導 （I/V） 進行比較。在 MPP 處，ΔI/ΔV = -I/V。在 MPP 的左側，ΔI/ΔV 大于 -I/V，在 MPP 的右側小于 -I/V。

　　圖 3：典型太陽能電池的電流和功率與電壓的關系圖，顯示了最大功率點和電池的電流曲線。

　　增量電導通?？梢愿玫刂笇ё畲蠊β庶c移動的方向，并且比擾動觀察產生的振蕩更少，但計算量更大。然而，像Microchip Technology PIC16F1503這樣的微控制器很容易使用增量電導對光伏模塊執行必要的計算，并且包括一個數控振蕩器 （NCO） 外圍單元，可以為高分辨率脈沖寬度提供定時信號高效 DC/DC 轉換所需的調制 （PWM）。

　　圖 4：擾動和擾動算法移動工作點以包圍最大功率點。

　　由于光伏模塊的電壓輸出會隨環境條件而顯著變化，因此連接到模塊的任何 DC/DC 轉換器都需要足夠靈活以應對。一種可能性是使用升壓轉換器拓撲，將高中間直流電壓提供給并網逆變器。SPV1020 采用四相交錯升壓拓撲，使其能夠在連續或非連續模式下運行。交錯顯著降低了輸出電壓紋波。當需要低電流輸出時，在突發模式期間關斷相。啟動過程中一般使用突發模式，以避免電壓振蕩，并且在啟動過程中逐漸激活每個相位。

　　升壓拓撲的替代方案是降壓-升壓 DC/DC 轉換器拓撲，這樣模塊的電壓可以在中間電壓附近移動；當模塊以接近最佳的水平轉換能量時，可以利用這一點來支持高效運行。由評估板

　　支持 的Texas Instruments Solar Magic SM72442 MPPT 和 DC/DC 轉換器控制器提供直接連接選項，當面板輸入電壓和所需輸出電壓彼此相差在 ±2% 范圍內時，幾乎無損運行。 這允許 DC/DC 轉換器暫時關閉。在此范圍的任一側，控制器都采用降壓或升壓模式。

　　SM72442 使用 PWM 抖動技術來平滑降壓、升壓和直接連接面板模式之間的轉換。該器件使用的 MPPT 算法通?？稍诎俜种幻雰忍峁┦諗?，同時監控輸入電流和電壓。

　　隨著太陽能行業的不斷擴展，預計將出現更多提供 MPPT 和功率控制的解決方案，尤其是當注意力轉向提供每個模塊效率調整的更復雜的架構時。這些解決方案將包括特定設備和更通用的產品，允許實施者調整其 MPPT 和功率轉換算法。