分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率

如何利用分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率

太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。

如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。

部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响：

当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。本文来自环球光伏网

光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。

当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。

当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。图 1 显示了具有集中式最大功率点跟踪系统( MPPT) 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配

置的额外损失，因为最大功率点跟踪器可能得到错误信息停止在局部最大点处，并稳定在具有V-P特征的次优点。

图 1：具有集中 MPPT 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽

不同的案例研究和现场测试证明，部分遮蔽对光伏系统的发电量具有严重的影响。通过使用分布式 MPPT 控制可以减轻遮蔽对系统的不利影响。

利用分布式 MPPT 最大限度降低系统失配问题：

为了使阵列中每一个太阳能光伏电池板的电力输出都达到最大值，美国国家半导体开发了 SolarMagic?技术。通过该技术，即使阵列中其他电池板出现失配问题时，每块电池板仍然能输出最大的电力。SolarMagic 技术运用高级算法和先进的混合信号技术能够监控并优化每块太阳能光伏电池板的产能，因而能够补偿高达50%的因失配问题而产生的发电量损失。SolarMagic 电源优化器可快速、轻松地安装在传统太阳能光伏系统中。

图 2 显示了采用 SolarMagic?技术的典型光伏系统：

该系统拥有由n个模块并联形成的两个组列，为便于演示，图中每个组列仅显示3个光伏模块，但组列通常由 5 到 12 个模块并联构成以获得 500-800V 的组列电压。

组列 A 的所有模块没有照射失调问题，每个模块都具有相同的特征，且照射均匀。

组列 B 的所有模块由于遮蔽、定向倾斜或*了更多的灰尘而具有不同的特征或照射失调。每个模块的输出在 SolarMagic?优化器（SMO）模块的输入点相连。每个 SMO 的输出采用与组列 A模块相同的串联方式。

图 2：采用 SolarMagic 功率优化器的光伏系统的简化光伏接线图。

SolarMagic?优化器模块具有高效集成的电源电路，采用最大限度提高各光伏模块输出功率的最大功率点算法。因此，整个组列具有相同的输出电流，极大减少了热斑问题和采用内部旁路模式。每个 SMO 模块将调节其输出电压以符合整体的总线电压。

结果是整个光伏系统将呈现具有单一最大功率点的 I-V 曲线，简化中央逆变器的操作，并尽可能降低失配带来的发电量损失。

下表汇总了太阳能光伏系统受到部分遮蔽后的现场测试结果，最后一列显示了SolarMagic?技术对损失能量的补充百分比。

论文：空间站太阳能光伏和热动力电源系统的比较

ST新产品补偿太阳能光伏板可变因素引起的功率损耗

日前，全球领先的节能半导体供应商意法半导体（纽约证券交易所代码：STM），推出业内首款整合功率优化和功率转换两项重要功能的太阳能发电系统芯片。无论是屋顶型家用太阳能电池板组，还是规模更大的工业光电板阵列，意法半导体的创新产品让太阳能发电设备以更低的每瓦成本创造更大的功率输出。

意法半导体全新SPV1020芯片可使每块光伏板独立应用最大功率点跟踪技术（MPPT）。MPPT自动调整太阳能发电系统的输出电路，补偿太阳能由于强度、阴影、温度变化、电池板失匹或老化等可变因素引起的功率损耗。在没有应用MPPT技术以前，光伏板上很小的阴影就会导致输出功率降低10%到20%，这种不成比例的降低可能限制电厂选址，为避免阴影产生的不利影响迫使选用更小的光电板阵列，在某些情况下，甚至还会改变项目的可行性。

SPV1020可实现分布式MPPT（DMPPT）功能，单独补偿每块光伏板的输出；而集中式MPPT方案则是对整个光电板阵列应用一个“最佳配合”的补偿功能。由于不受相邻模块性能的影响，即便有一个模块失效，每块太阳能电池板的输出功率仍可最大化，因此DMPPT是提高太阳能发电系统能源生产率最有前景的技术。

实现DMPPT功能通常需要在每块光伏板上建立一个分立器件网络。SPV1020用一颗单片即可取代这个网络，并集成直流-直流转换器，将光伏板的低压直流输出提高到电线级交流电源产生的更高直流电压水平。通过整合MPPT和直流-直流转换器，SPV1020可大幅简化设计，减少元器件数量，DMPPT可为各种额定功率和价格点区间的太阳能发电系统带来经济效益。

意法半导体利用先进的0.18μmBCD8多功率制程，在一颗单片电路芯片上整合全部必要的功能。BCD8制程拥有在同一颗芯片上整合直流-直流转换器所需的功率和模拟功能（作为执行MPPT算法的数字逻辑电路）的关键技术。与采用分立器件的解决方案相比，这项技术可降低尺寸，提高可靠性和耐用性。SPV1020还有一个先进的直流-直流转换器架构，可最大限度减少所需的外部无元器件的尺寸和数量。

意法半导体工业和功率转换产品部总经理PietroMenniti表示：“最大限度提高效率和可靠性是可再生能源产生具有成本竞争力的功率输出的关键因素。开发创新产品，如单片整合MPPT和功率转换电路的SPV1020，将让意法半导体在再生能源产业化过程中保持前沿地位。”