智能接線盒 Or 微型逆變器？讓光伏實(shí)現(xiàn)滿發(fā)

:光伏陣列實(shí)現(xiàn)滿發(fā)？對(duì)于光伏人來說，這永遠(yuǎn)是理想與現(xiàn)實(shí)之間的矛盾。光伏的發(fā)電能力不能以裝機(jī)容量來持續(xù)計(jì)算，一方面是因?yàn)橐惶靸?nèi)的光照強(qiáng)度在不斷變化，AM1.5標(biāo)準(zhǔn)工況只是偶然的瞬間，另一方面陣列間的實(shí)時(shí)功率不匹配，陣列內(nèi)組件之間的實(shí)時(shí)功率不匹配，造成光伏發(fā)電總是被內(nèi)耗。

（來源：微信公眾號(hào)“光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇”ID：PV_top-runner_forum）

拋開一天內(nèi)的輻照強(qiáng)度變化這一客觀事實(shí)，人們一直在致力于改善陣列間及組件之間，乃至電池串之間的實(shí)時(shí)功率不匹配，如電池片分選、組件分級(jí)，電站的運(yùn)維管理等。即使發(fā)生了不匹配，研究人員還借助模塊電子元件來調(diào)節(jié)組件及陣列的電流電壓，設(shè)法讓組串、組件、陣列之間能夠更匹配。行業(yè)專家認(rèn)為，發(fā)電能力失配可能占光伏發(fā)電成本的10-20%，極端情況下或造成50%或更高的發(fā)電損失。

光伏組件功率輸出

串聯(lián)或并聯(lián)起來的電池片構(gòu)成光伏 (PV) 組件。在典型的住宅或并網(wǎng)應(yīng)用中，PV 系統(tǒng)擁有一塊或多塊 PV組件，串聯(lián)在一起增加總系統(tǒng)電壓，并聯(lián)在一起形成PV 陣列增加系統(tǒng)電流。這種系統(tǒng)（陣列）的目標(biāo)是向負(fù)載提供最大電能。由于光伏電池/組件/陣列提供的電能是DC 條件下電流和電壓的乘積，因此保證在 IV 乘積最大化的 IV 曲線點(diǎn)發(fā)電至關(guān)重要，這就是最大功率點(diǎn) (MPP)。

假設(shè)一個(gè)陣列中某塊組件的 MPP 可能因熱斑、PID、陰影、蝸牛紋等各種因素造成與設(shè)計(jì)發(fā)電能力不一致，從而與其它組件功率不匹配，這時(shí)候研究人員認(rèn)為采用模塊電子器件就可以處理這種性能不匹配。為了理想地設(shè)計(jì)并構(gòu)建模塊電子器件，需要先理解不同輻照和環(huán)境條件下 PV 組件參數(shù)。

光伏陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)

了解組件參數(shù)行為以前，您必須了解 PV 陣列結(jié)構(gòu)（請(qǐng)參見圖 1）。

圖 1 PV 陣列和測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

8塊組件 (SP01–SP08) 串聯(lián)在一起，然后連接至串逆變器 1。類似地，另外8塊組件串連接至串逆變器2。所有這16塊組件均由同一廠商的單晶硅電池組成，在STC 1000 W/m2 和 25oC下其額定功率為315W。經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)交流后并網(wǎng)?？蓡为?dú)對(duì)每一塊組件的性能實(shí)施 MPP 運(yùn)行監(jiān)控。

組件 IV 和 PV 特性曲線

圖 2 顯示的是 1050 W/m2 輻照條件下一個(gè)組件 (SP08) 產(chǎn)生的 IV（電流電壓）曲線和 PV（電源電壓）曲線。MPP 位于靠近 IV 曲線膝部的地方，其中電流和電壓乘積最大化。

圖 2 ：PV 組件的 IV 和 PV 曲線及最大功率點(diǎn)

改變輻照條件可降低 ISC，其次降低 VOC（請(qǐng)參見圖 3）。

圖 3 不同輻照條件下的 IV 曲線

組件-組件功率不匹配

圖 4 是某種給定輻照條件下所有組件的不匹配。不匹配范圍在–0.9% 到 1.25% 之間。任何陰影包括云遮擋或任何其它組件本身及戶外環(huán)境都可能會(huì)增加不匹配率。

圖 4 1015 W/㎡ 條件下的不匹配

不考慮不匹配條件，一個(gè)陣列（8 個(gè)串聯(lián)組件）的最大總功率等于單個(gè)組件功率之和。在組件功率不匹配時(shí)，該陣列產(chǎn)生的最大總功率始終小于單個(gè)組件最大功率的和。

在給定溫度條件下，光伏組件輸出電壓相對(duì)恒定，輸出電流隨輻照而變化。當(dāng)以典型串聯(lián)配置連接時(shí)，每個(gè)組件的串電流恒定。如果所有組件都擁有精確一致的 IV 輸出特性曲線并暴露在相同的太陽輻照下產(chǎn)生相同的電流，那么就沒有功率失配問題。

然而，如果組件不同，或者某塊或幾塊組件產(chǎn)生的電流因陰影而不同，則總串輸出將受到影響，這是因?yàn)樽罱K串聯(lián)在一起的組件電流是受最小電流組件的木桶效應(yīng)影響，以最小電流輸出。這會(huì)使陰影組件的輸出功率極大地降低，甚至是被充電。結(jié)果，即使只有一個(gè)組件部分位于陰影下，整串組件會(huì)產(chǎn)生組件或陣列內(nèi)耗，產(chǎn)生的總電量也會(huì)極大地下降。

當(dāng)出現(xiàn)組件之間的功率失配時(shí)，通常技術(shù)人員采用微型逆變器或微型轉(zhuǎn)換器等模塊電子器件來處理，減低失配。

模塊電子器件的諸多優(yōu)勢(shì)

許多公司都使用模塊電子器件來提高發(fā)電性能并監(jiān)控/管理光伏陣列。模塊電子器件分為兩類：微型逆變器 (dc/ac)，或微型轉(zhuǎn)換器 (dc/dc)。

微型逆變器把組件產(chǎn)生的直流轉(zhuǎn)換為交流，讓電流直接在 AC 線路上傳輸，從而連接至電網(wǎng)。微型逆變器可以是為每塊組件配一個(gè)微信逆變器或2-3塊組件公用一個(gè)微型逆變器。如果是每塊組價(jià)配一個(gè)微逆，微逆將每塊組件可能不同的電流轉(zhuǎn)換成相同電流串聯(lián)，或轉(zhuǎn)成相同電壓并聯(lián)。

微型轉(zhuǎn)換器對(duì)來自 PV 組件的不同電流進(jìn)行直流變流，以匹配同其串聯(lián)的其它組件的電流。整個(gè)串并聯(lián)的陣列用組串式或集中式逆變器實(shí)現(xiàn)輸出并網(wǎng)。

不管是微型逆變器還是微型轉(zhuǎn)換器，運(yùn)行電網(wǎng)都有無限的需求。無論哪種模塊電子器件類型，原則只有一個(gè)：在 IV 點(diǎn)上運(yùn)行每個(gè)單獨(dú)的光伏組件為電網(wǎng)貢獻(xiàn)給定光輻照條件下最大的發(fā)電量。

光伏組件微型轉(zhuǎn)換器工作原理

給光伏組件增加微型轉(zhuǎn)換器具有以下好處：

1) 通過增加或降低其組件電流，可在最大功率點(diǎn) (MPP) 持續(xù)運(yùn)行每塊組件，這樣組件電流和電壓乘積保持在最大值。

2) 它將組件產(chǎn)生的可變電轉(zhuǎn)換成可變輸出電壓，從而適應(yīng)串聯(lián)組件中的電流。讓每塊組件的 MPP 都能夠通過其貢獻(xiàn)給串的電壓反映出來。

圖 5 太陽能微型轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

圖 5 顯示了一個(gè)典型的微型轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖，連接了一塊組件。三個(gè)主要的元件分別為：H 橋接電源電路、微型控制器和偏置電源。H 橋接電源電路為微型轉(zhuǎn)換器提供在降壓（電壓步降）和升壓（漸升壓）壓開關(guān)轉(zhuǎn)換模式中運(yùn)行的靈活性。降壓站(buck leg) 由同步開關(guān)對(duì) S1–S2 構(gòu)成，而升壓站(boost leg) 則由 S3–S4 構(gòu)成。當(dāng)VPV ³ VO時(shí)，降壓站開啟。當(dāng)VO ³ VPV 時(shí)，升壓站開啟。無論哪個(gè)站開啟，另一端都會(huì)處于閑置，并且其頂部開關(guān)永久開啟。

控制 H 橋接較為復(fù)雜。其不得不在降壓-升壓模式之間提供無縫轉(zhuǎn)換，每種模式都擁有其自己不同的控制補(bǔ)償。它必須持續(xù)監(jiān)控輸入和輸出端的電壓和電流。這決定了運(yùn)行模式以及同組件 MPP 相關(guān)的 IV 條件。進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 可讓其成為適用于嵌入式數(shù)字控制的應(yīng)用。微型控制器 (MCU) 如圖 5 所示。功率轉(zhuǎn)換的效率必須非常高。

有幾種方法可以用于找出光伏組件的 MPP。這些方法包括簡(jiǎn)單恒定電壓運(yùn)行、擾動(dòng)和觀察 (P&O)，以及一些利用額外組件溫度和太陽輻照測(cè)量法計(jì)算 MPP 的方法。兩種最普遍的方法擁有較好的精確度，其在正常運(yùn)行期間僅使用 VPV 和 IPV 組件測(cè)量，即：優(yōu)化 P&O 和增量電導(dǎo)。

擾動(dòng)組件電流的同時(shí)，優(yōu)化 P&O 對(duì)幾個(gè)組件功率采樣求平均值。它利用該信息來找出操作點(diǎn)，并動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)擾動(dòng)幅度和方向。這種方法擁有最佳的性價(jià)比。

增量電導(dǎo)方法將瞬時(shí)電導(dǎo) (IPV/VPV) 同增量電導(dǎo) (dIPV/dVPV) 比較。當(dāng) IPV/VPV = –dIPV/dVPV 時(shí)，PV 組件在其 MPP 上運(yùn)行?；径裕到y(tǒng)遞增和遞減組件電流，以此來找出組件電壓比例變化的點(diǎn)。這種方法在高輻照水平下?lián)碛凶罴训男阅?，并具有?duì)快速變化條件的快速響應(yīng)。但是，它在低輻照水平條件下不如優(yōu)化 P&O 精確（<30%）。

微型轉(zhuǎn)換器在恢復(fù)組件電力的經(jīng)濟(jì)效益分析

不匹配或陰影組件導(dǎo)致的整串恢復(fù)能量可能極大。微型轉(zhuǎn)換器可以恢復(fù)高達(dá) 50% 的部分陰影遮擋組件發(fā)電能力，否則其電壓占比可能會(huì)降至零。一天中陰影條件可能會(huì)存在數(shù)小時(shí)，不匹配組件是永久存在的。一旦您對(duì)恢復(fù)發(fā)電量完成了估算，則可以用錢來計(jì)算節(jié)省情況。由 ESAVED（即恢復(fù)能量/天（kW h））和 RATE （即當(dāng)?shù)仉妰r(jià)（$/kW h）），方程式 1 計(jì)算得到年節(jié)省情況 G ($)：

電節(jié)省被模塊電子組件的年均成本抵消。方程式 2 利用資本回收系數(shù) (CRF) 計(jì)算得到購買組件的分期付款貸款 A ($)（假設(shè)在其使用壽命期內(nèi)付清貸款）：

其中，PE ($) = 組件的初始成本

i = 利率（APR% ÷100）

n= 貸款期限或使用壽命（年）

最終，經(jīng)濟(jì)合理性要求 A ($) < G ($)。

例如：假設(shè)每天的恢復(fù)能源為 0.06 kWh，方程式 3 顯示了微型轉(zhuǎn)換器的盈虧平衡成本，其假設(shè) 12¢/kW h 的本地電價(jià)不變，且 25 年期貸款利息為 7% APR。（見方程式 3）

以上估算值只是串聯(lián)組件中一塊組件安裝的一個(gè)模塊電子元件帶來的好處。正確安裝且考慮到功率轉(zhuǎn)換效率的情況下，微型轉(zhuǎn)換器帶來的典型好處相當(dāng)于組件產(chǎn)生總能源的 3% 到 7%。對(duì)于很不匹配的組件或者那些常有局部陰影遮擋、污損組件、局部降級(jí)組件來說，串聯(lián)組件的恢復(fù)發(fā)電量達(dá)10-20%，甚至更高。

安全、監(jiān)控和管理優(yōu)勢(shì)

可以將微型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在每塊組件之后，也可以設(shè)計(jì)在每塊組件的接線盒中；在接線盒中還可以對(duì)每串電池進(jìn)行控制，當(dāng)然更徹底的是設(shè)計(jì)到每個(gè)電池片。常見的智能接線盒就是植入了模塊電子元件芯片。模塊電子器件還可實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換和 MPPT 以外的其他功能，例如：通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)安全、監(jiān)控和管理等功能。

傳統(tǒng)串聯(lián)組件安裝中，發(fā)生火災(zāi)時(shí)單個(gè)串聯(lián)元件無法斷開。當(dāng)?shù)叵啦块T會(huì)斷開電網(wǎng)，但這只關(guān)閉了組串逆變器輸出。許多城市都有正確安裝的檢查規(guī)定，但目前還沒有要求斷開連接，因而沒有實(shí)現(xiàn)組件級(jí)關(guān)斷，乃至組串級(jí)關(guān)斷。智能模塊電子元件的應(yīng)用，讓組件級(jí)關(guān)斷成為可能。

監(jiān)控和管理是兩種重要的功能。對(duì)于污染組件表面或者樹陰遮擋以及新增安裝等組件問題也都可以通過模塊電子元件探測(cè)到，從而為實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維創(chuàng)造條件。

結(jié)語

充分利用光伏組件的發(fā)電能力，讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滿發(fā)，它不僅取決于產(chǎn)品質(zhì)量，還取決于您的態(tài)度。使用模塊電子元件可以很大程度上增加發(fā)電量。

在模塊電子元件的設(shè)計(jì)上，你到底傾向于微信逆變器，還是智能接線盒呢？歡迎各位專家在文章底部留言，闡述您的觀點(diǎn)和想法。

原標(biāo)題:智能接線盒 Or 微型逆變器？讓光伏實(shí)現(xiàn)滿發(fā)