用分布式電源優(yōu)化器優(yōu)化PV系統(tǒng)

安裝太陽能發(fā)電或者光伏(PV)系統(tǒng)在時間和資金方面都需要大量的前期投資，但與其它低風(fēng)險投資相比，該方案的預(yù)計投資回報相當可觀，其優(yōu)點包括顯著降低電費和提升投資回報率。據(jù)稱，一旦太陽能系統(tǒng)開始投入運行，PV系統(tǒng)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(tǒng)的擁有者對新裝PV系統(tǒng)的工作方式，以及太陽能系統(tǒng)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(tǒng)不匹配"這一問題，對于樹木和煙囪等物體對系統(tǒng)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(xiàn)PV系統(tǒng)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(dǎo)致25％到50％的功率損失。

在評估光伏(PV)系統(tǒng)的性能時，通常的做法是假設(shè)一些典型的輻照度、溫度及模塊參數(shù)條件，而且這些條件在PV系統(tǒng)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(xiàn)顯著的變化，導(dǎo)致太陽能電池板不匹配和系統(tǒng)性能下降，使得實際性能將與預(yù)期水平存在巨大差距。

根據(jù)美國國家半導(dǎo)體實驗室收集的測試和現(xiàn)場試驗結(jié)果(圖1)，同時參考其它研究結(jié)果，由于陰影或其它因素造成的電池板不匹配會導(dǎo)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(dǎo)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(wǎng)的PV系統(tǒng)的影響》的論文中也指出：根據(jù)太陽能電池陣列的連接方式，晶體硅PV系統(tǒng)電池板陣列上陰影面積達到2.6%時可能導(dǎo)致總電能損失16.7%(圖2)。據(jù)《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(tǒng)的輸出功率損失達到驚人的81%，系統(tǒng)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(dǎo)致太陽能電池板中功率損耗不均勻。(來源：美國國家半導(dǎo)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(wǎng)的PV系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)安裝時未發(fā)現(xiàn)的不匹配問題，將導(dǎo)致許多PV系統(tǒng)無法達到最大電能產(chǎn)能，降低了系統(tǒng)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(chǎn)能不理想而導(dǎo)致整個項目的失敗。這些不匹配問題都造成了PV系統(tǒng)的產(chǎn)能不足，以及太陽能設(shè)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?shù)囊恍?a target="_blank">機械設(shè)備的四周)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(jù)Greenberg Quinlan Rosner Research公司于2009年1月開展的一次調(diào)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(xiàn)場不能有任何遮蔽陰影。選擇“通過設(shè)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(jù)加利福尼亞公共事業(yè)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(chǎn)能持續(xù)低于PV系統(tǒng)的預(yù)期產(chǎn)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(chǎn)能持續(xù)低于PV系統(tǒng)的預(yù)期產(chǎn)能。(來源：加利福尼亞公共事業(yè)委員會“Itron智能電網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)影響評估”

為說明電池板不匹配的現(xiàn)象，以及電池參數(shù)小幅變化會影響PV系統(tǒng)電池板陣列系統(tǒng)級性能的原因，需要討論目前搭建PV系統(tǒng)的常用方式。

在住宅、商業(yè)或者公共事業(yè)中應(yīng)用的PV系統(tǒng)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(lián)的PV系統(tǒng)電池板并聯(lián)并向連接電網(wǎng)的逆變器輸入。電池板本身由串聯(lián)的電池構(gòu)成。集中式逆變器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，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(diào)節(jié)PV系統(tǒng)電池板陣列的輸入阻抗，獲得最大產(chǎn)能。

太陽能模塊產(chǎn)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(chǎn)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(shù)關(guān)系的函數(shù)。最大功率點跟蹤(MPPT)是一種電子形式的跟蹤技術(shù)，它利用算法和控制電路來搜索這個最大功率點，從而使轉(zhuǎn)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(shù)統(tǒng)一的情況下，除轉(zhuǎn)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(shù)不統(tǒng)一，局部陰影將導(dǎo)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(dǎo)致更多的不均勻損失，其原因主要有兩個：首先，集中式MPPT內(nèi)部混亂，在進行功率配置時停留在局部最高點，并設(shè)置在電壓的次優(yōu)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(yōu)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(shù)并網(wǎng)的PV系統(tǒng)。(來源：美國美國國家半導(dǎo)體)

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圖6：采用電源優(yōu)化器分布式MPPT技術(shù)并網(wǎng)的逆變器。(來源：美國美國國家半導(dǎo)體)

在采用電源優(yōu)化器技術(shù)和分布式MPPT技術(shù)的PV系統(tǒng)電池板陣列中(如圖6所示)，每個電池板連接了一個電源優(yōu)化器裝置。電源優(yōu)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(zhuǎn)換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統(tǒng)中的能源傳輸。電源優(yōu)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(huán)境并自行調(diào)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(yōu)點。目前，只有SolarMagic電源優(yōu)化器能做到這一點。

電源優(yōu)化器保留了久經(jīng)驗證的串聯(lián)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(xiàn)改進。與此同時，電源優(yōu)化器架構(gòu)與現(xiàn)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(yōu)化器不只限于提升直流/直流轉(zhuǎn)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(chǎn)能。同樣，這也意味著電源優(yōu)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(chǎn)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(shè)計串列長度不同的系統(tǒng)，使陣列應(yīng)用更為靈活。電源優(yōu)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(yōu)化器架構(gòu)使系統(tǒng)能夠收獲最多的電能。

美國國家半導(dǎo)體近日對太陽能技術(shù)先驅(qū)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(jié)果令人激動。在安裝電源優(yōu)化器之前，設(shè)備性能比只有67%，遠低于預(yù)期值。在大約1/3的電池板系統(tǒng)(共204塊)上安裝電源優(yōu)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(tǒng)的性能比達到前所未有的82％，超過了PV系統(tǒng)的預(yù)期輸出功率。電源優(yōu)化器還能夠針對PV系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)化器進行了測試，發(fā)現(xiàn)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(shè)備創(chuàng)造巨大價值(如圖3所示)。

電源優(yōu)化器不僅能夠提高目前屋頂設(shè)備的輸出功率，而且還可幫助安裝人員設(shè)計同時充分利用屋頂空間的系統(tǒng)，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(dǎo)體的電源優(yōu)化器技術(shù)為太陽能成本方面的降低邁出了重要的一步。