电源优化器技术：集中式与分布式MPPT的分析和比较

光谷子

作者：美国国家半导体再生能源部总监 Ralf Muenster    来源:电子设计应用2009年第9期


引言
根据美国国家半导体实验室收集的测试和现场试验结果，并参考其它研究结果，由于阴影或其它因素造成的电池板不匹配会导致太阳能电池板中功率损耗不均匀，其中10%的阴影就可能导致所获能源50%的损耗。

一些商业和住宅设施未能充分发挥其能源输出的潜力，由于电池板不匹配导致能源输出不理想，致使一些其他项目被放弃。从本质上讲，存在固有空间利用不足和能源提供不足的问题。
分布式MPPT与集中式MPPT
在任何既定条件和既定时间下，光伏(PV)电池具有单个工作点值电流(I)和电压(V)，将产生最大功率点(MPP)，从而使来自电池板的太阳能产生最大功率输出。电池板产生的功率是施加的电压乘以电流(P=V×I)。电池的单个MPP是电流与电压之间的指数关系的函数。MPPT是一种电子形式的跟踪技术，利用算法和控制电路来探索这个最大功率点，从而使转换器电路可以从PV电池中获取最大功率。

在辐射、温度以及其它电池参数统一的情况下，除了转换效率差异之外，分布式MPPT和集中式MPPT的性能之间没有差异。然而，在存在局部阴影的情况下，电池板不匹配将成为最大的问题。因为参数不统一，局部阴影将导致阵列的不同电池板具有多个MPP。采用集中式MPPT技术时，可能会导致更多的不均匀损失。这是由于以下两个原因：首先，集中式MPPT内部混乱，在进行功率配置时停留在局部最高点，并设置在电压的次优点；其次，在非正常的条件下，MPP的电压点差别可能非常大，超出了集中式MPPT的工作范围和电压范围。由于电池板之间的差别很大，正是在这些情况下，采用分布式MPPT的电源优化器可独立增强并提高电池板的性能。

用于住宅、商业或公用设施的PV阵列通常采用如图1所示的配置，



图1 采用集中式MPPT的连接电网的PV系统

其中采用的集中式逆变器不仅将太阳能从直流转换为电网使用的交流，而且提供集中式MPPT。在这类配置中，多行PV电池板并联在一起，为连接电网的逆变器提供输入。集中式逆变器不仅具有将直流转换为交流的主要功能，而且包含MPPT控制器，通过调节其输入阻抗，根据MPPT算法可使PV阵列产生的电量一直保持最大化。

在采用电源优化器技术和分布式MPPT的PV阵列(见图2)中，

图2 采用电源优化器分布式MPPT的连接电网的逆变器

每个电池板连接了一个电源优化器装置。电源优化器进行双重跟踪：一方面，它们跟踪最佳的局部MPP；另一方面，它们将输入电压/电流转换为不同的输出电压/电流，以最大限度提高系统中的能源传输。电源优化器以间接的方式互相通信，它们具有认知和自我组织能力，可以检测自己的I&V环境并自我调整，直到整行达到最佳值，同时在电池板级别达到局部优化点。目前，只有电源优化器能做到这一点。电源优化器保留了久经验证的串并联电池板排列，并通过只将DC/DC和MPPT功能分布到电池板来进行改进。与此同时，电源优化器架构与现有的多级逆变器完美兼容，实际上将使它们更高效地运行，因为总线电压可保持更高且更恒定。电源优化器不只限于提升DC/DC转换器性能，它们既能处理多余能源的情况，也能处理能源减少的情况。这意味着可像处理各种阴影那样处理由于反射的多余光线导致的电池板不匹配。同样，这意味着电源优化器有能力处理功率变化，方法是给某行添加电池板(使该行产生更多的电量)或从某行减少一块或两块电池板(从而减少电量)。电源优化器架构使系统能够收获最多的发电量。
电源优化器：电池板级别的分布式MPP解决方案
前面已经了解到，电池上的阴影以及其它因素造成的电池板不匹配会导致阵列发电的不均匀损耗。安装人员可通过一些安装技巧(如围绕阴影设计、根本不安装或者安装更小的阵列)解决电池板不匹配的问题，但将导致能源输出降低。

接线盒中的旁路二极管，使整行电池和模块短路，理论上可将不匹配的影响减轻到某种程度，方法是使电流绕过有阴影的电池，从而减少电压通过模块的损失。但这是不够完善的解决方案。现在的所有电池板都配备旁路二极管，虽然它们可防止整行电池板完全崩溃，但数据表明所获电量仍会有大量的不均匀损耗。
结语
电源优化器技术将很快实现商业化。它们能最大限度提高每块电池板产生的电量，同时使PV系统的能源传输效率最高，挽回由于电池板不匹配问题损失的多达57%的发电量。理想的解决方案是在电池板级别执行MPP。电源优化器解决了集中式系统固有的问题，使总发电量输出增加多达37%，因此成功减轻了电池板不匹配的问题。
参考文献
1.N.Chaintreuil,F.Barruel,X.LePivert,H.Buttin,J.Merten.阴影对连接电网的PV系统的影响.INESR.D.I.太阳能系统实验室(L2S)3.

wishkey2008

我司国内唯一代理 NS solarMagic   欢迎咨询

QQ28786526  wishkey2008@126.com