分布式MPPT提高太陽能光伏系統的效率方案

本文介紹了太陽能光伏系統由于部分電池板受到遮蔽而產生的發電量下降的問題，和在電池板級采用分布式最大功率點跟蹤系統（MPPT）的優點，還就采用 SolarMagic 技術的各種案例研究結果進行了探討。

太陽能是市場上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激勵政策和傳統電力成本不斷攀升的影響，越來越多的家庭開始轉向太陽能，并在屋頂安裝光伏（PV）系統。按照目前的光伏系統價格計算，用戶通常在 7-8 年后才能獲得投資回報。政府激勵政策和光伏系統的使用壽命必須能持續 20 年或更久。太陽能光伏系統的投資回報取決于該系統每年的發電量，因此用戶需要的光伏系統必須具備高效、可靠和易于維護等特性，從而可以獲得最大限度的發電量。

如今，很多安裝太陽能光伏系統的用戶已經意識到部分或間歇性的遮蔽會影響到系統的發電量。

部分陰影遮蔽對太陽能光伏系統的影響：

當樹木、煙囪或其他物體投射的陰影遮擋住光伏系統時，就會導致系統造成“失配”問題。即使光伏系統只受到一點點陰影的遮擋都會導致發電量的大幅下跌。部分遮蔽導致的系統失配對發電量的實際影響很難通過簡單的計算公式獲得。因為影響系統發電量的因素很多，包括內部電池模塊間互連、模塊定向、光伏電池組間的串并聯問題以及逆變器的配置等。光伏模塊通過多個電池串相互連接而成，每個電池串被稱為一個“組列”。每個組列由一個旁路二極管來保護，以免一個或多個電池被遮蔽或損壞時導致整個電池串因為過熱而受到損壞。這些串聯或并聯的電池組列能夠使電池板產生相對較高的電壓或電流。

光伏陣列由串聯在一起的光伏模塊通過并聯構成。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。

當光伏系統部分被遮蔽時，未被遮蔽的電池中的電流流經被遮蔽部分的旁路二極管。

當光伏陣列受到遮蔽而出現上述情況時，會產生一條具有多個峰值的 V-P 電氣曲線。圖 1 顯示了具有集中式最大功率點跟蹤系統( MPPT) 功能的標準并網配置，其中一個組列的兩個電池板被遮蔽。集中式 MPPT無法設置直流電壓，因此無法令兩個組列的輸出功率都達到最大。在高直流電壓點 (M1)，MPPT 使未遮蔽組列的輸出功率達到最大。在低直流電壓點 (M2)，MPPT 將使遮蔽組列的輸出功率達到最大：旁路二極管繞過遮蔽電池板，此組列的未遮蔽電池板將提供全量電流。陣列的多個 MPP 可能導致集中最大功率點跟蹤（MPPT）配置的額外損失，因為最大功率點跟蹤器可能得到錯誤信息停止在局部最大點處，并穩定在具有V-P特征的次優點。

圖 1：具有集中 MPPT 功能的標準并網配置，其中一個組列的兩個電池板被遮蔽。

不同的案例研究和現場測試證明，部分遮蔽對光伏系統的發電量具有嚴重的影響。通過使用分布式 MPPT 控制可以減輕遮蔽對系統的不利影響。

利用分布式MPPT最大限度降低系統失配問題：

為了使陣列中每一個太陽能光伏電池板的電力輸出都達到最大值，美國國家半導體開發了 SolarMagic? 技術。通過該技術，即使陣列中其他電池板出現失配問題時，每塊電池板仍然能輸出最大的電力。SolarMagic 技術運用高級算法和先進的混合信號技術能夠監控并優化每塊太陽能光伏電池板的產能，因而能夠補償高達50%的因失配問題而產生的發電量損失。SolarMagic 電源優化器可快速、輕松地安裝在傳統太陽能光伏系統中。

圖 2 顯示了采用 SolarMagic? 技術的典型光伏系統：

該系統擁有由n個模塊并聯形成的兩個組列，為便于演示，圖中每個組列僅顯示3個光伏模塊，但組列通常由 5 到 12 個模塊并聯構成以獲得 500-800V 的組列電壓。

組列 A 的所有模塊沒有照射失調問題，每個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。每個模塊的輸出在 SolarMagic?優化器（SMO）模塊的輸入點相連。每個 SMO 的輸出采用與組列 A模塊相同的串聯方式。

圖 2：采用 SolarMagic 功率優化器的光伏系統的簡化光伏接線圖。

SolarMagic? 優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算法。因此，整個組列具有相同的輸出電流，極大減少了熱斑問題和采用內部旁路模式。每個 SMO 模塊將調節其輸出電壓以符合整體的總線電壓。

結果是整個光伏系統將呈現具有單一最大功率點的 I-V 曲線，簡化中央逆變器的操作，并盡可能降低失配帶來的發電量損失。

下表匯總了太陽能光伏系統受到部分遮蔽后的現場測試結果，最后一列顯示了 SolarMagic?技術對損失能量的補充百分比。