單個(gè)光伏組件輸出往往不足以提供實(shí)際功率需求，因此必須以串聯(lián)并聯(lián)的方式構(gòu)成光伏組件陣列來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。在選取光伏組件構(gòu)成陣列時(shí)，通常會(huì)遇到由于串并聯(lián)的各個(gè)組件的電性參數(shù)不一致或者當(dāng)組串發(fā)生部分或間歇性的遮蔽或老化等因素而導(dǎo)致串并聯(lián)后的輸出功率小于單個(gè)組件輸出功率之和的情況，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)之為“失配損失”，隨著光伏電站運(yùn)行年限的增加，它將不同程度得影響整個(gè)電站的實(shí)際發(fā)電量。

背景

傳統(tǒng)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于受到周邊建筑物、云朵位置、鄰近障礙物的大小等不可預(yù)見(jiàn)的因素，將對(duì)光伏組件陣列的功率造成難以估計(jì)的損失。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述局部陰影產(chǎn)生的光伏陣列功率多峰問(wèn)題進(jìn)行了多種全局最大功率點(diǎn)(Global Maximum Power Point Tracking GMPPT)的研究探索取得了一些顯著成果，但仍然無(wú)法使每個(gè)光伏組件工作在各自的最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point MPP)處，沒(méi)有徹底解決因局部陰影遮擋問(wèn)題帶來(lái)的組串整體功率的損失。

對(duì)于集中光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于只有一個(gè)能量變換環(huán)節(jié) DC- AC，控制時(shí)既要考慮跟蹤光伏板最大功率點(diǎn)，又要保證電網(wǎng)輸出電壓的幅值相位和正弦度，控制較為復(fù)雜逆變器多路輸入使用同一個(gè)MPPT ，不能識(shí)別串并聯(lián)支路光伏組件的差異，會(huì)大幅度降低發(fā)電效率，因此對(duì)于光伏組件參數(shù)的離散性或太陽(yáng)輻射條件的差異造成的能量損失是無(wú)能為力的。

同時(shí)，在串聯(lián)連接時(shí)若電流不匹配，會(huì)造成陣列工作在某一狀態(tài)下時(shí)，陣列內(nèi)個(gè)別光伏組件處于反向偏置形成熱斑，在并聯(lián)聯(lián)接時(shí)若電壓不匹配，會(huì)造成組件陣列工作在某一狀態(tài)下時(shí)，陣列內(nèi)形成環(huán)流熱斑和環(huán)流都會(huì)使串并聯(lián)聯(lián)接中的個(gè)別組件處于消耗功率的狀態(tài)，并可能損害組件壽命,特別當(dāng)光伏組件陣列無(wú)法工作在均勻的光照下，產(chǎn)生的失配損失就更大,組件通過(guò)接線盒中旁通二極管的連接可將工作異常的電池串旁通，部分減少電池或組件之間的電流不匹配帶來(lái)的功率損失，但無(wú)法消除因組串中任意一塊低電流的電池組件所帶來(lái)的電流匹配問(wèn)題。

目前在組件端消除失配影響的解決方案之一為使用功率優(yōu)化器( 即直流到直流轉(zhuǎn)化器) ，在包含多路串聯(lián)并行的電池組件，每一塊光伏組件連接一個(gè)具有獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤功能的功率優(yōu)化器，且每個(gè)光伏組件的輸出接入至功率優(yōu)化器模塊的輸入端。

光伏優(yōu)化器可根據(jù)串聯(lián)電路需要，將低電流轉(zhuǎn)化為高電流，最后將各功率優(yōu)化器的輸出端串聯(lián)并接入?yún)R流箱或逆變器。優(yōu)化器監(jiān)控并優(yōu)化每塊光伏電池板的電能，即使陣列中任意一塊電池板出現(xiàn)失配問(wèn)題時(shí)，其他電池板仍然能輸出最大功率，因而能夠補(bǔ)償因失配問(wèn)題而產(chǎn)生的發(fā)電量損失。它具有最大能量采集轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)采集功能和通訊功能，可快速、輕松地安裝在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中，可適合在不同規(guī)模的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。

光伏功率優(yōu)化器的基本原理

對(duì)于傳統(tǒng)的組串設(shè)計(jì)方案，當(dāng)某一組串的其中一塊組件受到陰影遮擋，如工作電流降由原來(lái)的8A降低為7.5 A，由于是串聯(lián)電路，造成整串的電流降低，那么整串的功率輸出由原來(lái)的2400W降低為240Wp*(1-9%)*10=2184W，降低比例9%。

當(dāng)增加優(yōu)化器后，被陰影遮擋的組件不再影響其他組件的發(fā)電，通過(guò)優(yōu)化器內(nèi)部的小變壓器DC-DC控制電路來(lái)改變組件的輸出電流，和其他組件的電流進(jìn)行匹配(當(dāng)然優(yōu)化器需要監(jiān)測(cè)同一路組串上其他組件的輸出電流，發(fā)現(xiàn)不一致后才能對(duì)自身的輸出電流大小的進(jìn)行調(diào)節(jié))，該組件電流7.5A提升為8A，電壓由29V降低為27.18A，那么實(shí)際的功率輸出為240Wp*9+240Wp*(1-9%)=2377.5W，即實(shí)際損失功率0.9%。

每塊光伏組件均接入功率優(yōu)化器，每塊組件相對(duì)于光伏陣列來(lái)說(shuō)是一個(gè)獨(dú)立的整體，它的輸出功率不會(huì)受到其他任何組件的影響，一直輸出在當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率值。當(dāng)然組件級(jí)優(yōu)化器也可以設(shè)置為實(shí)時(shí)和逆變器配套，并進(jìn)行通訊，按照逆變器的最佳功率點(diǎn)電壓進(jìn)行分配。這樣連接每一塊組件的優(yōu)化器的輸出就受到逆變器的影響，在保證電流一致的情況下，按逆變器的指令進(jìn)行輸出，使其始終工作在效率最高的電壓點(diǎn)上。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，對(duì)于每一塊接了光伏優(yōu)化器的光伏組件的實(shí)時(shí)電壓、電流、功率和直流電量均經(jīng)數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，參考圖1通訊結(jié)構(gòu)。

圖1 通訊架構(gòu)

功率優(yōu)化器軟件模擬

功率優(yōu)化器的發(fā)電提升和電站的實(shí)際情況有很大關(guān)系，如在平坦地面無(wú)障礙物遮擋的大型電站和分布式光伏電站兩者的提升比例是不相同的，剛投運(yùn)的光伏電站和并網(wǎng)運(yùn)行有一定年數(shù)的電站安裝功率優(yōu)化器的提升比例也是不相同的，因此有必要通過(guò)實(shí)際的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)進(jìn)行組串分析，可為電站的優(yōu)化運(yùn)行提供有益的參考。

下文通過(guò)PVsyst軟件來(lái)初步模擬使用Solaredge優(yōu)化器后系統(tǒng)的發(fā)電提升情況，系統(tǒng)配置參考表1。光伏組件24片，容量5.4kW，使用SolarEdge優(yōu)化器配套的組串逆變器，項(xiàng)目地參考南京。系統(tǒng)架構(gòu)參考圖2.

表1 系統(tǒng)配置

組件選型組件數(shù)量容量組串逆變器功率優(yōu)化器

英利YL260P-29b24PCS5.4kW6kW-SE6000-SolarEdgeSolaredge-P300

項(xiàng)目地組件方位角組件傾角組串并聯(lián)數(shù)組件串聯(lián)數(shù)

南京(MN7.1氣象數(shù)據(jù))0°30°211片一串

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)該戶用系統(tǒng)進(jìn)行建模和組件布置，可得到表2所示陰影遮擋系數(shù)。

表2 陰影遮擋系數(shù)

圖3為模擬結(jié)果，從結(jié)果可知，使用優(yōu)化器后，同一串組件之間的電性能失配損失降低為0。

圖3 PVsyst模擬結(jié)果

圖4為增加優(yōu)化器后的全年光伏出力增益，在不同的輻照下，提升的比例是不同的。雖然目前PVsyst6.0版本對(duì)功率優(yōu)化器系統(tǒng)的模擬的精確度尚存在一定不足，但是總體上從軟件模擬來(lái)看，發(fā)電量是有一定提升。

圖4 逆變器直流側(cè)輸入功率增益(單位：W)

小結(jié)

光伏陣列不管是集中式的MPPT架構(gòu)或組串式的MPPT架構(gòu)，由于陣列中的光伏組件特性不一致容易造成電流失配問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體發(fā)電效率大幅下降。為解決此問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)提出了分布式光伏功率優(yōu)化器的陣列架構(gòu)，為解決光伏陣列串聯(lián)組件的電流失配問(wèn)題提供了新的途徑。

文中在組串式MPPT架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在單個(gè)光伏組件接入功率優(yōu)化器，分析了使用優(yōu)化器前和優(yōu)化器后光伏組串的發(fā)電提升情況，當(dāng)光伏陣列存在失配時(shí)，安裝有功率優(yōu)化器的光伏實(shí)驗(yàn)陣列可提高發(fā)電量，并根據(jù)失配比例的不同，發(fā)電量增益也不同，根據(jù)我們以往相關(guān)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，已經(jīng)運(yùn)行兩年左右的光伏電站，5°坡角的彩鋼瓦屋面組件順坡布置方式提升比例約在10%以上，經(jīng)過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)算，按目前優(yōu)化器系統(tǒng)(含遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng))的市場(chǎng)價(jià)(≈0.5元/瓦)，那么成本回收期應(yīng)約為7-8年。