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太阳能功率优化器

新能源与微电网技术2022-08-20 11:39:56

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         根据英飞凌-高效太阳能逆变器及储能系统解决方案,光伏逆变器在以下方面很有研究前景:太阳能组串逆变器,太阳能微型逆变器,太阳能优化器,太阳能储能系统。


        这篇文章主要介绍太阳能功率优化器的拓扑及其优点:

     

        光伏阵列不管是集中式的MPPT架构或组串式的MPPT架构,由于阵列中的光伏组件特性不一致容易造成电流失配问题,导致系统的整体发电效率大幅下降。为解决此问题,行业内提出了分布式光伏功率优化器的阵列架构,为解决光伏阵列串联组件的电流失配问题提供了新的途径。


        太阳能功率优化器(Solar power optimizer)并非是逆变器,而是一个直流到直流的电流控制降压升压转换器(DC-DC buck/boost converter),换言之,是一个单组件级别的MPPT。功率优化器针对单组件进行最大功率优化后,传输给终端逆变器进行直流到交流的处理后,供给民用或发电上网。终端逆变器通常可以是无MPPT的纯逆变设备或配有二级MPPT的逆变设备。


一. 太阳能功率优化器的开发背景

       

        传统的集中式光伏发电系统由于受到周边建筑物、云朵位置、邻近障碍物的大小等不可预见的因素,将对光伏组件阵列的功率造成难以估计的损失。因此,近年来国内外学者针对上述局部阴影产生的光伏阵列功率多峰问题进行了多种全局最大功率点(Global Maximum Power Point Tracking GMPPT)的研究探索取得了一些显著成果,但仍然无法使每个光伏组件工作在各自的最大功率点(Maximum Power Point MPP)处,没有彻底解决因局部阴影遮挡问题带来的组串整体功率的损失。

  

        组串式逆变器在系统应用上有着无可替代的优势,尤其是在无变压器全桥逆变技术被开发后,高效,轻量及低价位的TL逆变器在市场上大受欢迎。多MPPT技术又对系统设计的多样性以及产能效率的提升起到了显著地推动作用。然而,组串式逆变器同样面临一个不可避免的挑战,就是如何调节和限制因为无法预测的阴影覆盖对于阵列输出最大功率点的影响。纵然多MPPT可以相对的改善被遮挡的组件或组串对于全系统的影响,可是由于组串式逆变器是多组件级别的转换设备,就必须要牺牲掉一部分电能,“舍小保大”。组串式逆变器要求输入端组件保持同样朝向和倾角,同时最好不要存在任何遮挡情况,可是这仅仅对一部分屋顶适用。有的双层屋顶存在两个倾角,有的屋顶正北朝向部分面积狭小,这对于系统设计和逆变器控制而言都是一个难题,于是单组件级别的追踪和转换设备也越来越被用户所注意,有代表性的就是微型逆变器(micro inverter)和功率优化器(power optimizer)。微型逆变器已经介绍过,本文主要介绍太阳能功率优化器的拓扑及其优点。


二.太阳能功率优化器的分类


        目前市场上较主流的功率优化器通常是分为串联型和并联型两种,采用的控制拓扑结构(topology)也是不一样的。

        串联型的bus topology采用的是固定电压(fixed voltage)的设计理念。简单来说,逆变器控制板根据AC端电压决定一个稳定的DC bus的电压,同时汇总各串联的优化器收集的最大功率,进而计算出线电流并通过Zigbee无线或PLC传输给优化器。此时每个优化器输出端的电压等于所收集的组件最大功率的功率除以线电流。当组件出现被遮挡的情况后,该优化器会根据IV曲线重新确定最大输出功率值,被通过Zigbee无线或者PLC传输给逆变器控制板。在维持DC bus电压不变的前提下,控制板会重新计算线电流(变小)并反馈给各优化器。此时被遮挡的组件的功率降低,该优化器也会降压来确认输出电流达标。其他未被遮挡的组件的优化器则会升压来达标输出电流。如果组件被遮挡的过于严重,功率优化器就会旁路(bypass)掉该组件直到其恢复到可工作状态,这个调节其实是一个电压补足的过程,从而提供稳定逆变器H-bridge的最优直流端电压。


        并联型的star topology同样采用的是固定电压模式。逆变器根据DC-AC loop确定线电压,此时每个优化器把各自的输出端电压升压到指定的数值,此时输入逆变器的电流相当于每个优化器收集到的最大功率除以额定的电压后电流的总和。由于厚云层的遮挡对于组件的电压影响不大,主要影响输出的电流,所以并联式优化器基本不会出现频繁的电压错配调节,而且由于是并联关系,输出的电流又不会彼此影响,所以这的确可以视作并联式优化器相较于串联式的一个优势。同时如果个别组件被严重的遮挡而无法启动升压设备,优化器则自动断开连接并发送报错信号,并且重新启动直到遮挡问题移除。



三.英飞凌-高效太阳能功率优化器的解决方案






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