智能接线盒 Or 微型逆变器？让光伏实现满发

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序言

光伏阵列实现满发？对于光伏人来说，这永远是理想与现实之间的矛盾。光伏的发电能力不能以装机容量来持续计算，一方面是因为一天内的光照强度在不断变化，AM1.5标准工况只是偶然的瞬间，另一方面阵列间的实时功率不匹配，阵列内组件之间的实时功率不匹配，造成光伏发电总是被内耗。

抛开一天内的辐照强度变化这一客观事实，人们一直在致力于改善阵列间及组件之间，乃至电池串之间的实时功率不匹配，如电池片分选、组件分级，电站的运维管理等。即使发生了不匹配，研究人员还借助模块电子元件来调节组件及阵列的电流电压，设法让组串、组件、阵列之间能够更匹配。行业专家认为，发电能力失配可能占光伏发电成本的10-20%，极端情况下或造成50%或更高的发电损失。

光伏组件功率输出

串联或并联起来的电池片构成光伏 (PV) 组件。在典型的住宅或并网应用中，PV 系统拥有一块或多块 PV组件，串联在一起增加总系统电压，并联在一起形成PV 阵列增加系统电流。这种系统（阵列）的目标是向负载提供最大电能。由于光伏电池/组件/阵列提供的电能是DC 条件下电流和电压的乘积，因此保证在 IV 乘积最大化的 IV 曲线点发电至关重要，这就是最大功率点 (MPP)。

假设一个阵列中某块组件的 MPP 可能因热斑、PID、阴影、蜗牛纹等各种因素造成与设计发电能力不一致，从而与其它组件功率不匹配，这时候研究人员认为采用模块电子器件就可以处理这种性能不匹配。为了理想地设计并构建模块电子器件，需要先理解不同辐照和环境条件下 PV 组件参数。

光伏阵列结构参数

了解组件参数行为以前，您必须了解 PV 阵列结构（请参见图 1）。

图 1 PV 阵列和测试结构图

8块组件 (SP01–SP08) 串联在一起，然后连接至串逆变器 1。类似地，另外8块组件串连接至串逆变器2。所有这16块组件均由同一厂商的单晶硅电池组成，在STC 1000 W/m2 和 25oC下其额定功率为315W。经逆变器转交流后并网。可单独对每一块组件的性能实施 MPP 运行监控。

组件 IV 和 PV 特性曲线

 图 2 显示的是 1050 W/m2 辐照条件下一个组件 (SP08) 产生的 IV（电流电压）曲线和 PV（电源电压）曲线。MPP 位于靠近 IV 曲线膝部的地方，其中电流和电压乘积最大化。

图 2 ：PV 组件的 IV 和 PV 曲线及最大功率点

改变辐照条件可降低 ISC，其次降低 VOC（请参见图 3）。

 图 3 不同辐照条件下的 IV 曲线

组件-组件功率不匹配

 图 4 是某种给定辐照条件下所有组件的不匹配。不匹配范围在–0.9% 到 1.25% 之间。任何阴影包括云遮挡或任何其它组件本身及户外环境都可能会增加不匹配率。

 图 4 1015 W/㎡ 条件下的不匹配

不考虑不匹配条件，一个阵列（8 个串联组件）的最大总功率等于单个组件功率之和。在组件功率不匹配时，该阵列产生的最大总功率始终小于单个组件最大功率的和。

在给定温度条件下，光伏组件输出电压相对恒定，输出电流随辐照而变化。当以典型串联配置连接时，每个组件的串电流恒定。如果所有组件都拥有精确一致的 IV 输出特性曲线并暴露在相同的太阳辐照下产生相同的电流，那么就没有功率失配问题。

然而，如果组件不同，或者某块或几块组件产生的电流因阴影而不同，则总串输出将受到影响，这是因为最终串联在一起的组件电流是受最小电流组件的木桶效应影响，以最小电流输出。这会使阴影组件的输出功率极大地降低，甚至是被充电。结果，即使只有一个组件部分位于阴影下，整串组件会产生组件或阵列内耗，产生的总电量也会极大地下降。

当出现组件之间的功率失配时，通常技术人员采用微型逆变器或微型转换器等模块电子器件来处理，减低失配。

模块电子器件的诸多优势

 许多公司都使用模块电子器件来提高发电性能并监控/管理光伏阵列。模块电子器件分为两类：微型逆变器 (dc/ac)，或微型转换器 (dc/dc)。

微型逆变器把组件产生的直流转换为交流，让电流直接在 AC 线路上传输，从而连接至电网。微型逆变器可以是为每块组件配一个微信逆变器或2-3块组件公用一个微型逆变器。如果是每块组价配一个微逆，微逆将每块组件可能不同的电流转换成相同电流串联，或转成相同电压并联。

微型转换器对来自 PV 组件的不同电流进行直流变流，以匹配同其串联的其它组件的电流。整个串并联的阵列用组串式或集中式逆变器实现输出并网。

不管是微型逆变器还是微型转换器，运行电网都有无限的需求。无论哪种模块电子器件类型，原则只有一个：在 IV 点上运行每个单独的光伏组件为电网贡献给定光辐照条件下最大的发电量。

光伏组件微型转换器工作原理

给光伏组件增加微型转换器具有以下好处：

1) 通过增加或降低其组件电流，可在最大功率点 (MPP) 持续运行每块组件，这样组件电流和电压乘积保持在最大值。

2) 它将组件产生的可变电转换成可变输出电压，从而适应串联组件中的电流。让每块组件的 MPP 都能够通过其贡献给串的电压反映出来。

图 5 太阳能微型转换器结构图

图 5 显示了一个典型的微型转换器结构图，连接了一块组件。三个主要的元件分别为：H 桥接电源电路、微型控制器和偏置电源。H 桥接电源电路为微型转换器提供在降压（电压步降）和升压（渐升压）压开关转换模式中运行的灵活性。降压站 (buck leg) 由同步开关对 S1–S2 构成，而升压站 (boost leg) 则由 S3–S4 构成。当VPV ³ VO时，降压站开启。当VO ³ VPV 时，升压站开启。无论哪个站开启，另一端都会处于闲置，并且其顶部开关永久开启。

控制 H 桥接较为复杂。其不得不在降压-升压模式之间提供无缝转换，每种模式都拥有其自己不同的控制补偿。它必须持续监控输入和输出端的电压和电流。这决定了运行模式以及同组件 MPP 相关的 IV 条件。进行最大功率点追踪 (MPPT) 可让其成为适用于嵌入式数字控制的应用。微型控制器 (MCU) 如图 5 所示。功率转换的效率必须非常高。

有几种方法可以用于找出光伏组件的 MPP。这些方法包括简单恒定电压运行、扰动和观察 (P&O)，以及一些利用额外组件温度和太阳辐照测量法计算 MPP 的方法。两种最普遍的方法拥有较好的精确度，其在正常运行期间仅使用 VPV 和 IPV 组件测量，即：优化 P&O 和增量电导。

扰动组件电流的同时，优化 P&O 对几个组件功率采样求平均值。它利用该信息来找出操作点，并动态地调节扰动幅度和方向。这种方法拥有最佳的性价比。

增量电导方法将瞬时电导 (IPV/VPV) 同增量电导 (dIPV/dVPV) 比较。当 IPV/VPV = –dIPV/dVPV 时，PV 组件在其 MPP 上运行。基本而言，系统递增和递减组件电流，以此来找出组件电压比例变化的点。这种方法在高辐照水平下拥有最佳的性能，并具有对快速变化条件的快速响应。但是，它在低辐照水平条件下不如优化 P&O 精确（<30%）。

微型转换器在恢复组件电力的经济效益分析

不匹配或阴影组件导致的整串恢复能量可能极大。微型转换器可以恢复高达 50% 的部分阴影遮挡组件发电能力，否则其电压占比可能会降至零。一天中阴影条件可能会存在数小时，不匹配组件是永久存在的。一旦您对恢复发电量完成了估算，则可以用钱来计算节省情况。由 ESAVED（即恢复能量/天（kW h））和 RATE （即当地电价（$/kW h）），方程式 1 计算得到年节省情况 G ($)：

电节省被模块电子组件的年均成本抵消。方程式 2 利用资本回收系数 (CRF) 计算得到购买组件的分期付款贷款 A ($)（假设在其使用寿命期内付清贷款）：

其中，PE ($) = 组件的初始成本

                   i  = 利率（APR% ÷100）

                   n = 贷款期限或使用寿命（年）

最终，经济合理性要求 A ($) < G ($)。

例如：假设每天的恢复能源为 0.06 kWh，方程式 3 显示了微型转换器的盈亏平衡成本，其假设 12¢/kW h 的本地电价不变，且 25 年期贷款利息为 7% APR。（见方程式 3）

以上估算值只是串联组件中一块组件安装的一个模块电子元件带来的好处。正确安装且考虑到功率转换效率的情况下，微型转换器带来的典型好处相当于组件产生总能源的 3% 到 7%。对于很不匹配的组件或者那些常有局部阴影遮挡、污损组件、局部降级组件来说，串联组件的恢复发电量达10-20%，甚至更高。

安全、监控和管理优势

可以将微型转换器设计在每块组件之后，也可以设计在每块组件的接线盒中；在接线盒中还可以对每串电池进行控制，当然更彻底的是设计到每个电池片。常见的智能接线盒就是植入了模块电子元件芯片。模块电子器件还可实现功率转换和 MPPT 以外的其他功能，例如：通过数据分析实现安全、监控和管理等功能。

传统串联组件安装中，发生火灾时单个串联元件无法断开。当地消防部门会断开电网，但这只关闭了组串逆变器输出。许多城市都有正确安装的检查规定，但目前还没有要求断开连接，因而没有实现组件级关断，乃至组串级关断。智能模块电子元件的应用，让组件级关断成为可能。

监控和管理是两种重要的功能。对于污染组件表面或者树阴遮挡以及新增安装等组件问题也都可以通过模块电子元件探测到，从而为实现智能运维创造条件。

结语

充分利用光伏组件的发电能力，让系统实现满发，它不仅取决于产品质量，还取决于您的态度。使用模块电子元件可以很大程度上增加发电量。

在模块电子元件的设计上，你到底倾向于微信逆变器，还是智能接线盒呢？欢迎各位专家在文章底部留言，阐述您的观点和想法。

文章根据TI高性能模拟投稿文章整理改编

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