太陽(yáng)能功率優(yōu)化器前沿產(chǎn)品研究

劉克銘　孫仲剛　于波　榮丹丹　何毅　王會(huì)曉

摘要：太陽(yáng)能功率優(yōu)化器是近年來興起的一種組件級(jí)電力電子，能夠大幅提升光伏陣列的發(fā)電效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了當(dāng)今市場(chǎng)上各具特色的三款新型功率優(yōu)化器產(chǎn)品，分析了以色列SolarEdge公司的OPJ300-LV、美國(guó)Tigo公司的TS4和美國(guó)Maxim公司的VT80xx的功能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用局限，指明了組件廠商對(duì)功率優(yōu)化器集成組件進(jìn)行電性能測(cè)試的諸多限制，最后總結(jié)了功率優(yōu)化器產(chǎn)品的發(fā)展瓶頸與解決方案。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；功率優(yōu)化器；SolarEdge OPJ300-LV；Tigo TS4；Maxim VT80xx

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A

1 引言

太陽(yáng)能功率優(yōu)化器（Power Optimizer， PO）是近年來興起的一種組件級(jí)別的功率跟蹤和轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠大幅提升光伏陣列的發(fā)電效率，因此光伏業(yè)界對(duì)于PO市場(chǎng)普遍持積極態(tài)度，多家公司和創(chuàng)投基金已投入大量資源研發(fā)出多款PO產(chǎn)品，無(wú)不看好其在未來十年內(nèi)的爆發(fā)性成長(zhǎng)潛力[1-2]。

PO是將逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maxim Power Point Tracking， MPPT）模塊獨(dú)立出來，并且基于固定電壓的設(shè)計(jì)理念工作的組件級(jí)電力電子[3-4]。當(dāng)出現(xiàn)陰影遮擋、組件失配等情況時(shí)，在維持光伏陣列輸入逆變器的總線電壓不變、PO輸入端與輸出端的功率基本相等的前提下，PO通過改變輸出電壓來匹配由光伏陣列瞬時(shí)功率與總線電壓決定的線電流，最終將各個(gè)組件的峰值功率傳輸給逆變器進(jìn)行直流到交流的處理[5]。如此使得組件與PO的結(jié)合體能夠獨(dú)立地進(jìn)行MPPT跟蹤，約可提高光伏陣列發(fā)電效率25%以上[6]。

本文介紹了當(dāng)今市場(chǎng)上各具特色的三款新型PO產(chǎn)品，分析了以色列SolarEdge公司的OPJ300-LV、美國(guó)Tigo公司的TS4和美國(guó)Maxim公司的VT80xx的功能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用局限，指明了組件廠商對(duì)PO集成組件進(jìn)行電性能測(cè)試的諸多限制，最后總結(jié)了PO產(chǎn)品的發(fā)展瓶頸與解決方案。

2 SolarEdge OPJ300-LV

SolarEdge是光伏業(yè)界PO出貨量最大的公司，預(yù)計(jì)2015年出貨量超過1×109W。OPJ300-LV作為SolarEdge推出的新型PO，如圖1所示，通過電力載波通訊方式傳輸組件與逆變器間的數(shù)據(jù)，所用組件級(jí)MPPT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏陣列的功率最大化輸出。

OPJ300-LV主要有以下功能：組件級(jí)MPPT，組件級(jí)監(jiān)控和SafeDCTM。SafeDCTM是OPJ300-LV的特色服務(wù)，可以通過關(guān)斷電站現(xiàn)場(chǎng)的交流斷路器或關(guān)閉逆變器的開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)斷開SolarEdge的逆變器或安全與監(jiān)控單元的交流連接，此時(shí)每個(gè)PO的直流輸出電壓會(huì)降低到1V的安全電壓。

OPJ300-LV的另一特點(diǎn)是可以在“優(yōu)化模式”與“旁路模式”之間切換。OPJ300-LV可以使用切換模塊將PO物理旁路，以便通過旁路模式測(cè)得OPJ300-LV集成組件的電性能，盡管使用切換模塊存在拖慢測(cè)試效率與頻繁使用后接觸不良的問題。此外，如果在電站現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生PO故障，可以將OPJ300-LV旁路，然后連接外掛式PO繼續(xù)優(yōu)化光伏陣列的功率輸出。

OPJ300-LV的主要缺點(diǎn)在于和SolarEdge逆變器在功能和價(jià)格上的捆綁銷售。只有當(dāng)OPJ300-LV與SolarEdge的逆變器或SolarEdge的安全與監(jiān)控單元相連時(shí)，組件級(jí)監(jiān)控與SafeDCTM功能才可用。其次，OPJ300-LV的售價(jià)較市場(chǎng)上同類PO高，因此SolarEdge實(shí)行OPJ300-LV與逆變器的捆綁銷售策略，相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的PO搭配不同廠商逆變器的成本，SolarEdge的整體價(jià)格稍低。

3 Tigo TS4

Tigo推出的最新產(chǎn)品是TS4通用型平臺(tái)，如圖2所示，其突出特點(diǎn)是為光伏組件實(shí)現(xiàn)即插即用功能。TS4平臺(tái)有一個(gè)公用盒底，搭配具有不同功能的五款盒蓋，各款盒蓋的規(guī)格尺寸相同，依據(jù)內(nèi)置電路的復(fù)雜性可依次增加旁路、監(jiān)控、安全、優(yōu)化、更長(zhǎng)串五種功能。系列產(chǎn)品意味著可以根據(jù)具體項(xiàng)目和預(yù)算選擇所需功能，還可以根據(jù)需求變化升級(jí)TS4平臺(tái)，為現(xiàn)階段和未來實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)靈活性。

TS4主要存在如下值得商榷的地方：

1）TS4內(nèi)嵌ZigBee無(wú)線通訊模塊，光伏陣列需要增加兩類設(shè)備：最大化管理單元和通信網(wǎng)關(guān)。盡管無(wú)線通訊模式使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具彈性，但也增加了初期的現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試工作。

2）TS4集成組件同樣需要額外模塊來進(jìn)行電性能測(cè)試。Tigo提供了一個(gè)特殊工具，可以短接匯流帶引出端與接線盒線纜，然后按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行電性能測(cè)試。這種方案同樣存在拖慢測(cè)試效率與頻繁使用后接觸不良的問題。

4 Maxim VT80xx

Maxim推出的VT80xx被視為直流優(yōu)化的下一個(gè)進(jìn)程，與前面兩款PO的主要區(qū)別在于：VT80xx是電池串級(jí)PO，如圖3所示，其功率優(yōu)化解決方案前所未有地將MPPT功能深度嵌入至電池串，突破傳統(tǒng)二極管方案及組件級(jí)PO方案的束縛。與組件級(jí)PO不同，VT80xx可在每串電池上進(jìn)行MPPT優(yōu)化，將電池片混檔、灰塵遮蔽與斑駁陰影等組件內(nèi)失配因素造成的功率損失降至最低，且消除了熱斑及相關(guān)故障隱患，提高了系統(tǒng)可靠性。與傳統(tǒng)二極管不同，VT80xx不旁路微弱的電池串，使組件間遮擋性能得以改進(jìn)，允許提高地面覆蓋或屋頂覆蓋的能量密度。

VT80xx主要存在如下值得商榷的地方：

1）VT80xx對(duì)防靜電環(huán)境要求較高。運(yùn)輸VT80xx時(shí)，必須使用原始的導(dǎo)電包裝托盤與防靜電袋；安裝VT80xx時(shí)，操作人員必須套上接地手腕帶，焊錫工作站及焊錫工具必須妥善接地。

2）VT80xx集成組件的電性能測(cè)試較繁瑣。每塊組件進(jìn)行電致發(fā)光測(cè)試前，必須使用防浪涌保護(hù)盒以確保沒有跳躍的電觸或瞬間電流過沖。每塊組件進(jìn)行閃光測(cè)試前，確保組件在黑暗狀態(tài)下啟動(dòng)及開始測(cè)試，確保模擬儀掃描順序由開路往短路方向進(jìn)行，且掃描時(shí)間小于100毫秒。

3）前述兩款PO集成組件，使用特殊工具后，能在任意一種模擬儀上進(jìn)行電性能測(cè)試。VT80xx由于特殊的結(jié)構(gòu)及元器件性能，其集成組件只適用于美國(guó)Spire模擬儀等少數(shù)幾種模擬儀，無(wú)形中為選擇其它型號(hào)模擬儀的組件廠商增加了推廣難度。

5 PO的發(fā)展趨勢(shì)

市場(chǎng)上各款PO產(chǎn)品在技術(shù)原理上都是成熟的，但是業(yè)界對(duì)于PO的發(fā)展也存在一些擔(dān)憂：

1）可靠性有待驗(yàn)證。盡管組件廠商對(duì)選用的PO產(chǎn)品進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)與認(rèn)證，但是尚無(wú)戶外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明PO集成組件能夠?qū)崿F(xiàn)10年產(chǎn)品質(zhì)保和25年性能質(zhì)保。

2）商業(yè)模式要?jiǎng)?chuàng)新。目前在光伏貿(mào)易中主要是“賣功率”，而不是“賣度電”。既然PO會(huì)增加光伏陣列的發(fā)電量，那么組件廠商可以從賣度電的角度推廣PO產(chǎn)品。

3）國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程要加快。目前擁有PO知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司大多為國(guó)外廠商，國(guó)內(nèi)業(yè)界電子廠商可走“借鑒+改良”的思路，早日實(shí)現(xiàn)PO產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，如此也可進(jìn)一步降低PO產(chǎn)品的成本壓力。

參考文獻(xiàn)

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[6] STOREY J， WILSON P R， BAGNALL D. The Optimized-string Dynamic Photovoltaic Array [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 29（4）： 1768～1776.

作者簡(jiǎn)介：

劉克銘，男，1982-，碩士研究生，助理工程師，

英利能源（中國(guó)）有限公司技術(shù)管理平臺(tái)項(xiàng)目經(jīng)理。