分布式MPPT提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的效率方案

本文介紹了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)由于部分電池板受到遮蔽而產(chǎn)生的發(fā)電量下降的問(wèn)題，和在電池板級(jí)采用分布式最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)（MPPT）的優(yōu)點(diǎn)，還就采用 SolarMagic 技術(shù)的各種案例研究結(jié)果進(jìn)行了探討。

太陽(yáng)能是市場(chǎng)上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激勵(lì)政策和傳統(tǒng)電力成本不斷攀升的影響，越來(lái)越多的家庭開(kāi)始轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能，并在屋頂安裝光伏（PV）系統(tǒng)。按照目前的光伏系統(tǒng)價(jià)格計(jì)算，用戶(hù)通常在 7-8 年后才能獲得投資回報(bào)。政府激勵(lì)政策和光伏系統(tǒng)的使用壽命必須能持續(xù) 20 年或更久。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的投資回報(bào)取決于該系統(tǒng)每年的發(fā)電量，因此用戶(hù)需要的光伏系統(tǒng)必須具備高效、可靠和易于維護(hù)等特性，從而可以獲得最大限度的發(fā)電量。

如今，很多安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的用戶(hù)已經(jīng)意識(shí)到部分或間歇性的遮蔽會(huì)影響到系統(tǒng)的發(fā)電量。

部分陰影遮蔽對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的影響：

當(dāng)樹(shù)木、煙囪或其他物體投射的陰影遮擋住光伏系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)造成“失配”問(wèn)題。即使光伏系統(tǒng)只受到一點(diǎn)點(diǎn)陰影的遮擋都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的大幅下跌。部分遮蔽導(dǎo)致的系統(tǒng)失配對(duì)發(fā)電量的實(shí)際影響很難通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式獲得。因?yàn)橛绊懴到y(tǒng)發(fā)電量的因素很多，包括內(nèi)部電池模塊間互連、模塊定向、光伏電池組間的串并聯(lián)問(wèn)題以及逆變器的配置等。光伏模塊通過(guò)多個(gè)電池串相互連接而成，每個(gè)電池串被稱(chēng)為一個(gè)“組列”。每個(gè)組列由一個(gè)旁路二極管來(lái)保護(hù)，以免一個(gè)或多個(gè)電池被遮蔽或損壞時(shí)導(dǎo)致整個(gè)電池串因?yàn)檫^(guò)熱而受到損壞。這些串聯(lián)或并聯(lián)的電池組列能夠使電池板產(chǎn)生相對(duì)較高的電壓或電流。

光伏陣列由串聯(lián)在一起的光伏模塊通過(guò)并聯(lián)構(gòu)成。每串光伏模塊的的最大電壓必須低于逆變器的最大輸入電壓額定值。

當(dāng)光伏系統(tǒng)部分被遮蔽時(shí)，未被遮蔽的電池中的電流流經(jīng)被遮蔽部分的旁路二極管。

當(dāng)光伏陣列受到遮蔽而出現(xiàn)上述情況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一條具有多個(gè)峰值的 V-P 電氣曲線。圖 1 顯示了具有集中式最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)( MPPT) 功能的標(biāo)準(zhǔn)并網(wǎng)配置，其中一個(gè)組列的兩個(gè)電池板被遮蔽。集中式 MPPT無(wú)法設(shè)置直流電壓，因此無(wú)法令兩個(gè)組列的輸出功率都達(dá)到最大。在高直流電壓點(diǎn) (M1)，MPPT 使未遮蔽組列的輸出功率達(dá)到最大。在低直流電壓點(diǎn) (M2)，MPPT 將使遮蔽組列的輸出功率達(dá)到最大：旁路二極管繞過(guò)遮蔽電池板，此組列的未遮蔽電池板將提供全量電流。陣列的多個(gè) MPP 可能導(dǎo)致集中最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）配置的額外損失，因?yàn)樽畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤器可能得到錯(cuò)誤信息停止在局部最大點(diǎn)處，并穩(wěn)定在具有V-P特征的次優(yōu)點(diǎn)。

圖 1：具有集中 MPPT 功能的標(biāo)準(zhǔn)并網(wǎng)配置，其中一個(gè)組列的兩個(gè)電池板被遮蔽。

不同的案例研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，部分遮蔽對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量具有嚴(yán)重的影響。通過(guò)使用分布式 MPPT 控制可以減輕遮蔽對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

利用分布式MPPT最大限度降低系統(tǒng)失配問(wèn)題：

為了使陣列中每一個(gè)太陽(yáng)能光伏電池板的電力輸出都達(dá)到最大值，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了 SolarMagic 技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)，即使陣列中其他電池板出現(xiàn)失配問(wèn)題時(shí)，每塊電池板仍然能輸出最大的電力。SolarMagic 技術(shù)運(yùn)用高級(jí)算法和先進(jìn)的混合信號(hào)技術(shù)能夠監(jiān)控并優(yōu)化每塊太陽(yáng)能光伏電池板的產(chǎn)能，因而能夠補(bǔ)償高達(dá)50%的因失配問(wèn)題而產(chǎn)生的發(fā)電量損失。SolarMagic 電源優(yōu)化器可快速、輕松地安裝在傳統(tǒng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中。

圖 2 顯示了采用 SolarMagic 技術(shù)的典型光伏系統(tǒng)：

該系統(tǒng)擁有由n個(gè)模塊并聯(lián)形成的兩個(gè)組列，為便于演示，圖中每個(gè)組列僅顯示3個(gè)光伏模塊，但組列通常由 5 到 12 個(gè)模塊并聯(lián)構(gòu)成以獲得 500-800V 的組列電壓。

組列 A 的所有模塊沒(méi)有照射失調(diào)問(wèn)題，每個(gè)模塊都具有相同的特征，且照射均勻。

組列 B 的所有模塊由于遮蔽、定向傾斜或聚集了更多的灰塵而具有不同的特征或照射失調(diào)。每個(gè)模塊的輸出在 SolarMagic優(yōu)化器（SMO）模塊的輸入點(diǎn)相連。每個(gè) SMO 的輸出采用與組列 A模塊相同的串聯(lián)方式。

圖 2：采用 SolarMagic 功率優(yōu)化器的光伏系統(tǒng)的簡(jiǎn)化光伏接線圖。

SolarMagic 優(yōu)化器模塊具有高效集成的電源電路，采用最大限度提高各光伏模塊輸出功率的最大功率點(diǎn)算法。因此，整個(gè)組列具有相同的輸出電流，極大減少了熱斑問(wèn)題和采用內(nèi)部旁路模式。每個(gè) SMO 模塊將調(diào)節(jié)其輸出電壓以符合整體的總線電壓。

結(jié)果是整個(gè)光伏系統(tǒng)將呈現(xiàn)具有單一最大功率點(diǎn)的 I-V 曲線，簡(jiǎn)化中央逆變器的操作，并盡可能降低失配帶來(lái)的發(fā)電量損失。

下表匯總了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)受到部分遮蔽后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，最后一列顯示了 SolarMagic技術(shù)對(duì)損失能量的補(bǔ)充百分比。