太陽能功率優化器綜述

于波　孫仲剛　劉克銘　李亞彬　榮丹丹　何毅　王會曉

摘 要：太陽能功率優化器是近年來興起的一種單組件級別的功率跟蹤和轉換設備，能大幅降低光伏陣列在陰影遮擋、組件失配時的功率損失，因此具有廣泛的應用前景。本文介紹了功率優化器的工作原理，指明功率優化器在最大功率點跟蹤算法和組件監控方面的優勢；分析了功率優化器的拓撲結構，發現能夠大幅提升屋頂系統的安全性能，只是并聯型功率優化器存在升壓跨度較大的缺陷；最后概要指明了功率優化器的發展趨勢。

關鍵詞：太陽能；功率優化器；最大功率點跟蹤；拓撲結構；

1、引言

光伏應用中的最大功率點跟蹤（Maxim Power Point Tracking， MPPT）系統是一種通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏組件能夠輸出更多電能的電氣系統[1-3]。MPPT技術本質上是一個自尋優過程，即通過測量電流和電壓，判定當前工作點與峰值功率點的位置關系，進而調節工作點電流或電壓，使其向峰值點靠攏，最終使光伏陣列工作在峰值點附近。但是當今的太陽能市場，MPPT技術嚴重影響著光伏陣列的發電效率[4-5]。

組串式逆變器作為多組件級別的轉換設備，即使采用多路MPPT技術，環境中無法預測的陰影遮擋和組件間不可避免的性能失配，仍會嚴重影響著光伏陣列的輸出功率[6-8]。此外，組串式逆變器要求同串組件保持一致的安裝角和傾斜角，周圍環境不宜存在遮擋情況，如此束縛對于系統設計和逆變器控制而言都是一個難題，于是單組件級別的功率跟蹤和轉換設備就越來越被市場所關注，其中最具代表性的產品是功率優化器（Power Optimizer， PO）。

自從美國國家半導體有限公司于2009年推出第一款被命名為Solar Magic的PO之后，光伏業界對于PO市場多持積極態度，PO產品如雨后春筍般冒出。以色列SolarEdge和美國Tigo都推出了集成式和外掛式產品，用戶既可以用PO模塊直接集成于接線盒內的一體化產品，也可以將PO模塊單獨外掛式安裝在光伏陣列中。意法半導體提供的MPPT芯片可以同旁路二極管電路集成在同一塊電路板上，而美國Maxim提供的MPPT芯片甚至可以層壓進組件內，無需額外的旁路二極管電路。

2、PO的工作原理

PO是一個內建MPPT功能的直流到直流（DC-DC）的電流控制降壓/升壓轉換器，主要有三個模塊：MPPT模塊、DC-DC轉換模塊和通信模塊。簡單地講，PO是將逆變器的MPPT功能獨立地于每塊組件之后，改變輸入逆變器的電壓的同時，把組件輸入PO的電壓同步調至峰值點電壓，再將各個組件的峰值功率傳輸給終端逆變器進行直流到交流的處理。終端逆變器可以是無MPPT功能的純逆變設備，亦可是配有二級MPPT功能的逆變設備。如此使得組件和PO的結合體能夠獨立地進行MPPT跟蹤，大幅降低傳統光伏陣列在陰影遮擋、組件失配時導致的功率損失，約可提高系統發電效率25%以上。

PO在MPPT算法上有著先天的優勢。傳統MPPT算法的最大挑戰是多波峰情況。多波峰是指在一個陣列的功率-電流或功率-電壓曲線中，出現了多個功率峰值。多波峰的成因多種多樣，其中之一是因為電池片被遮擋而啟動了旁路二極管，使得電池串被旁路而導致組件串的工作電壓降低，進而出現光伏陣列的電壓失配導致多波峰情況。或者因為遮擋而旁路二極管依然處在反向偏轉的未啟動狀態，而在同一組件串中出現電流失配而導致的多波峰情況[15-16]。由于多波峰情況的不可控性和多變性，會混淆跟蹤器對于探測方向和最大功率點的判斷。這種問題的根本原因是接入MPPT的組件太多了。假設每個MPPT連接一個組件，組件間又互不影響，這將極大地降低最大功率點的分析和跟蹤難度，同時有利于控制器邏輯編輯的簡潔性和準確度。正是基于這種優勢，才可以讓PO相較于傳統的逆變器有著30%左右的產能提升。

PO能夠便捷地實現組件級監控。傳統光伏陣列無論系統規模如何，用戶只能通過系統發電效率來推測系統是否正常，若出現反常，則需要結合一系列的參照數據才能推測出具體的原因，如果是某個組件的問題，那么定位出問題組件更是難上加難。而PO自身就攜帶了監控功能，在監控圖上，不但哪個組件出了問題可以一目了然，同時設備還會提供錯誤代碼，連問題也都可以一并落實。

3、PO的拓撲結構

PO與光伏組件、終端逆變器的結合組成了PO的拓撲結構，其中光伏組件作為光能轉換為電能的器件應用于網絡，PO實現了組件級MPPT、DC-DC轉換和通信功能，逆變器實現了DC-AC轉換、通信功能和AC電網連接。PO和逆變器內部各有一套算法，前者主要實現直流到直流的降壓/升壓轉換，后者主要實現直流到交流的高效轉換。此外，二者之間通過雙向無線通訊（ZigBee）技術或電力載波通訊（Power Line Communication， PLC）技術傳輸信號，不同的通訊模式造成了各自產品在實際應用中的復雜度。PO的拓撲結構采用的都是固定電壓的設計理念，根據DC-DC轉換器的輸出電壓分為：串聯型PO，各組串內的PO均采用串聯方式進行連接；并聯型PO，各PO直接與終端逆變器并聯。

3.1. 串聯型PO

逆變器根據DC-AC環確定DC端總線電壓，同時匯總各串聯的PO所收集的最大功率，進而計算出DC端線電流，并通過ZigBee或PLC傳輸給PO，此時每個PO輸出端的電壓等于PO所收集的組件最大功率除以線電流[25]。一旦若干組件被遮擋，相應的PO會根據電流-電壓曲線重新確定最大輸出功率，再通過ZigBee或者PLC傳輸給逆變器。在維持DC端總線電壓不變的前提下，逆變器會重新計算線電流并反饋給各PO。此時被遮擋組件的功率降低，該PO也會降壓來確認輸出電流達標，其它未被遮擋組件的PO則會升壓來達標輸出電流。若個別組件被嚴重遮擋而無法啟動降壓/升壓設備，PO則自動斷開連接并發送報錯信號，持續重啟直到遮擋問題移除。這其實是一個電壓補足的過程，從而提供穩定逆變器H橋的最優DC端電壓。

3.2. 并聯型PO

逆變器根據DC-AC環確定DC端線電壓，此時每個PO把各自的輸出端電壓升壓到這個數值，此時輸入逆變器的電流相當于每個PO收集到的最大功率除以這個數值后電流的總和[25]。一旦若干組件被遮擋，在維持DC端線電壓不變的前提下，相應的PO會根據重新確定的最大輸出功率改變輸入逆變器的電流。同樣，若個別組件被嚴重遮擋而無法啟動降壓/升壓設備，PO則自動斷開連接并發送報錯信號，持續重啟直到遮擋問題移除。

3.3. PO拓撲結構對比

PO拓撲結構的最大特點就是把組件和逆變器功能性分開，這有別于傳統的光伏陣列。看似組件通過PO接入逆變器，事實上組件只是用來啟動PO，而PO收集組件的最大功率后相互協作輸給逆變器。固定電壓的技術，不但解決了光伏陣列部分遮擋的問題，對于多組串的系統，各組串組件數量也不用相等，甚至同一組串內的各組件朝向都不需一致。對于串聯型PO，斷路后的開路電壓僅為1V，對于并聯型PO，斷路后的開路電壓最多也就是組件的開路電壓，所以使得屋頂系統的安全性得到跨越式的進步。

對于并聯型PO，由于厚云層的遮擋主要影響組件的輸出電流，對輸出電壓的影響不大，所以并聯型PO基本不會出現頻繁的電壓失配調節，而且由于是并聯關系，輸出的電流又不會相互影響，所以這是并聯型拓撲結構相較于串聯型的一大優勢。

相對于串聯型拓撲結構，并聯型存在升壓跨度較大的缺陷。目前主流組件的開路電壓約為38V，工作電壓約為30V，串聯型在正常情況下降壓/升壓范圍控制在10%～30%之間，在電壓補足情況下變化范圍提升到10%～90%之間。然而并聯型需要把組件輸入逆變器的電壓升壓到一個相當高的數值，通常約為400V，相當于10倍以上的提升。這對于僅靠開關控制的升壓設備而言是一個比較有挑戰性的工作周期，尤其是在屋頂較高的環境溫度下。

4、PO的發展趨勢

市場上各種功能和設計的PO，在技術原理上都是成熟的，但是業界對于PO的發展也存在一些擔憂：

1）可靠性有待驗證。目前，各個PO供應商對組件廠商都是提供10年產品質保，迄今為止，尚無實測數據說明增加了PO的光伏組件能在戶外使用25年，僅憑實驗室有限的老化數據推導出的使用年限并不具有充分的說服力。

2）成本壓力要降低。在應用方面，因為PO的售價是常規接線盒的3～6.5倍，使用PO后增加的系統成本將大大縮短終端用戶的投資收益年限，需要業界多方努力進一步降低成本。

3）應用服務要多樣化。終端用戶手機APP的快速化、多樣化發展，使得PO產品的監控、優化功能得以最廣泛地被接受，由此催生出針對光伏大數據的一系列服務性應用。

參考文獻

[1] 周林，武劍，栗秋華等。光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J]。高電壓技術，2008，34（6）：1145-1154。

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[3] 程軍照，吳夕科，李澍森等。采用Boost的兩級式光伏發電并網逆變系統[J]。高電壓技術，2009，35（8）：2048-2052。

[4] 黃立培，馬毅為，孫凱等。高效級聯式光伏并網逆變器的控制[J]。高電壓技術，2011，37（3）：680-686。

[5] C Deline， S MacAlpine. Use conditions and efficiency measurements of DC power optimizers for photovoltaic systems[C]. //Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， 2013 IEEE. IEEE， 2013： 4801-4807.