SolarMagic 技术如何提高太阳能光伏系统的效率？

美国国家半导体Michele Sclocchi

本文分析了太阳能光伏系统由于部分电池板受到遮蔽而产生的发电量下降的问题，并介绍了在电池板级采用分布式最大功率点跟踪系统（MPPT）的优点，还就采用 SolarMagic 技术的各种案例研究结果进行了探讨。

太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。

按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。

太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。

如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。

部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响：

当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。

光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。

光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。
当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。

当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。

图 1 显示了具有集中 MPPT 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。

在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。

在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。

阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配置的额外损失，因为最大功率点跟踪器可能得到错误信息停止在局部最大点处，并稳定在具有V-P特征的次优点。

图 1：具有集中 MPPT 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。

不同的案例研究和现场测试证明，部分遮蔽对光伏系统的发电量具有严重的影响。

通过使用分布式 MPPT 控制可以减轻遮蔽对系统的不利影响。

利用分布式 MPPT 最大限度降低系统失配问题：

为了使阵列中每一个太阳能光伏电池板的电力输出都达到最大值，美国国家半导体开发了 SolarMagic™ 技术。通过该技术，即使阵列中其他电池板出现失配问题时，每块电池板仍然能输出最大的电力。SolarMagic 技术运用高级算法和先进的混合信号技术能够监控并优化每块太阳能光伏电池板的产能，因而能够补偿高达50%的因失配问题而产生的发电量损失。

SolarMagic 电源优化器可快速、轻松地安装在传统太阳能光伏系统中。

图 2 显示了采用 SolarMagic™ 技术的典型光伏系统：

该系统拥有由 n 个模块并联形成的两个组列，为便于演示，图中每个组列仅显示 3 个光伏模块，但组列通常由 5 到 12 个模块并联构成以获得 500-800V 的组列电压。

组列 A 的所有模块没有照射失调问题，每个模块都具有相同的特征，且照射均匀。

组列 B 的所有模块由于遮蔽、定向倾斜或聚集了更多的灰尘而具有不同的特征或照射失调。每个模块的输出在 SolarMagic™优化器（SMO）模块的输入点相连。每个 SMO 的输出采用与组列 A模块相同的串联方式。

图 2：采用 SolarMagic 功率优化器的光伏系统的简化光伏接线图

SolarMagic™ 优化器模块具有高效集成的电源电路，采用最大限度提高各光伏模块输出功率的最大功率点算法。因此，整个组列具有相同的输出电流，极大减少了热斑问题和采用内部旁路模式。每个 SMO 模块将调节其输出电压以符合整体的总线电压。

结果是整个光伏系统将呈现具有单一最大功率点的 I-V 曲线，简化中央逆变器的操作，并尽可能降低失配带来的发电量损失。

下表汇总了太阳能光伏系统受到部分遮蔽后的现场测试结果，最后一列显示了 SolarMagic™技术对损失能量的补充百分比。