消除光伏发电系统能量损失的新技术及其应用
摘要：本文将对光伏集中式最大功率跟踪系统能量损失的缺陷，新型分布式光伏大功率跟踪系统技术方案引出及光伏充放电控制芯片在太阳能路灯系统中的应用为例作研讨，并对光伏技术架构理念作说明。
如今太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一，光伏发电在建筑与照明等与民生相关的节能及环境保护方面得到了迅猛的发展。目前市场上光伏系统一般都安装了太阳能最大功率跟踪系统，但很多安装光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽都会导致系统造成“失配”，而发电量的大幅下跌，即其中太阳能某一阵列受损将直接影响到其输出，造成能源浪费。于是如何消除“失配”，提高光伏发电系统最大功率跟踪问题已经成为制造厂商与用户迫切解决的热点问题。这也是本文研讨的主要内容。为此应首先对光伏技术架构理念作说明。
光伏技术发电原理
人们通过转换装置把太阳辐射能转换成电能，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此称作光伏技术。光伏电池发电的基本原理为：当光线照射光伏电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子，因而在P-N结两侧集聚形成了电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路，产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程，如图1。
图1
光伏发电系统的基本架构
一套基本的光伏发电系统由光伏电池板、控制器、逆变器和蓄电池构成。在发电系统中常见的是并网型光伏系统，并网发电系统中光伏电池发出的电，经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上或直接为交流负载供电。并网型光伏系统利用光伏阵列发电，经过充放电
控制器（或称光伏控制器）对蓄电池进行充放电控制，并给直流负载供电或通过逆变器给交流负载提供电能。
图2：并网型光伏系统基本示意图
并网型光伏系统由以下几部分组成：光伏阵列、光伏集中式最大功率点跟踪（CMPPT）、
控制器和蓄电池充放电控制器。图2为并网型光伏系统基本示意图。从图2可知，太阳能照射在光伏阵列上，产生光生伏特效应，则太阳能直接转化为电能，而光伏阵列输出的电能接
入集中式最大功率跟踪（CMPPT）系统，通过MPPT的控制实现升压及最大功率跟踪，提
高光伏阵列的效率。其蓄电池充放电控制器能在有光照时储存光伏阵列发出的电能，在带负载时输出蓄电池储存的能量，实现能量的管理控制。
CMPPT的缺陷与分布式光伏最大功率点跟踪(DMPPT)系统方案引出
如今，实际的光伏阵列由串联在一起的光伏组件通过并联构成。每串光伏模块的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。图3为实际具有集中式最大功率点跟踪
（CMPPT）系统功能的标准并网配置（又称为集中式MPPT技术并网的PV系统）与其中
一个阵列2的两个电池板被遮蔽示意图。
图3 光伏集中式最大功率点跟踪(CMPPT) 系统功能并网与一个阵列2的两个电池
板被遮蔽示意图
从图3可知，在这种安装方式中，多组串联的PV系统电池板并联并向连接电网的逆变器输入。电池板本身由串联的电池构成。集中式逆变器的主要功能是将直流电转变为交流电，但同时还配有一个最大功率点跟踪控制系统，它可通过一种最大功率点跟踪算法，随时调节PV系统电池板阵列的输入阻抗，获得最大电能。
需要说明的是，光伏组件通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组阵列”。每个组阵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。也就是说，光伏组件产生的功率即电流(I)与电压(V)的乘积，在任何既定条件和既定时间下存在一个最佳点，叫做最大功率点(MPP)。它是电流与电压之间的指数关系的函数，使光伏组件产生最大功率输出。而最大功率点跟踪(MPPT)是一种电子形式的跟踪技术，
它利用算法和控制电路来搜索这个最大功率点，从而使转换器电路可以从光伏电池组件中获取最大功率。但实际上，该集中式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。
集中式光伏最大功率点跟踪(CMPPT) 系统主要的缺陷是电池板被遮蔽，阴影现象是
在住宅、商业或者公共事业中应用PV系统电池板阵列常遇到的问题。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
板具有多个最大功率点（MPP）。采用集中式MPPT时，可能会导致更多的不均匀损失，
会产生一条具有多个峰值的V-P 电气曲线，即出现高直流电压点与低直流电压点。
高直流电压点时的最大功率点跟踪使未遮蔽组阵列的输出功率达到最大，而低直流电压点时的最大功率点跟踪将使遮蔽组阵列的输出功率达到最大，其旁路二极管绕过遮蔽电池板，则该组阵列的未遮蔽电池板将提供全量电流。此时，最大功率点跟踪系统可能得到错误信息并停止在局部最大点处，稳定在具有V-P特征的次优点上，可能会导致集中最大功率
点跟踪（MPPT）配置的额外损失。据估算，光伏阵列如被遮蔽少量面积，会导致25％~50％
的功率损失。
这种现象可以采用光伏分布式最大功率跟踪(DMPPT)系统的方案来解决,该方案的
特点是采用并联方式，每组光伏电池板独立工作，分别对蓄电池充电，能够最大限度地消除或降低因被遮蔽少量面积而导致系统功率额外损失的问题。如今有多种新型解决方案,现仅
以基于分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT) 技术的新型技术芯片IV0300型及应用为典例，
作分析说明。
基于分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT) 技术的新型技术与芯片及应用
新型分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT)系统己经问世，并在太阳能路灯系统中获得了
应用。在此系统中，每组光伏电池阵列独立工作，互不影响，从而大大提高了光伏系统整体
转换效率。以基于分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT) 技术的IV0300型光伏充放电控制芯
片为例作来做详细说明，实际上I V0300型应用特征是一款自动充电控制芯片，适用于一节到四节光伏电池给两节到四节镍氢电池或者单节锂电池充电，能承受1.5A的峰值输入电流。
1. 应用特征
每当太阳光达到一定照度时，IV0300芯片使能端(EN)收到一高电平或光伏电池板上电
压大于1／3充电截止电压时，其DMPPT组件将自动启动，开始对蓄电池充电，具体架构如图4所示。
图4 基于(DMPPT)技术IV0300型芯片在太阳能路灯系统中的应用架构图
IV0300设有过充保护和充电结束指示引脚，能有效防止蓄电池过充而影响到其使用寿命。它的主要特性还包括CVT恒电压算法，可大大提高光伏电池转换效率。其可在光伏照明中应用，如路灯、庭院灯、草坪灯，景观照明等，还可应用在公用设施上，如公交站点、路标指示、安全检查区等方面。IV0300芯片有如下引脚功能：ISIN-太阳能输入、CSMP-采样电容、VSD-关断电压调整输入、Vref-参考输出、VOC-过充保护、CHEND-充电结束指示、BOUT-电池输出、LX-与电感连接、BGND-电路地及EN-使能端。
2. 基于(DMPPT)技术的IV0300型芯片在太阳能路灯系统中的应用
应该说，光伏照明现已普遍用在家庭照明、景观照明、城市亮化等方面，但典型的应用就是太阳能路灯，它具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源
及使用寿命长等优点。新设计的太阳能路灯采用了基于(DMPPT)技术的IV0300型芯片，其
系统架构见图4。
从图4可以看出，此分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT)应用于太阳能路灯系统，共包括6大部分：光伏组件(光伏电池板)、IV0300型芯片分布式光伏最大功率跟踪(DMPPT) IV0300型芯片、蓄电池(1000AH)、微处理器(MPU)、DC-DC直流电源转换和LED路灯(30W~50W)。在此系统中，太阳能给蓄电池充电，通过分布式最大功率跟踪(DMPPT) 技术
进行控制，即采用并联方式，每组光伏电池板独立工作，分别对蓄电池充电。蓄电池通过直流电压转换芯片，得到满足路灯点亮所需电压和微处理器工作电压。微处理器控制路灯的开启关闭和电池的选择，采用的是光控开，定时关。当夜幕降临时，微处理器通过检测光强，启动LED自动点亮，点亮—定时间后，其内部定时器控制LED自动关闭，有效做到节能降耗。点亮时间一般设定为6~10小时，这受区域限制，一般南方地区设定为6~8小时，北方地区设定为8~10小时。该系统采用的是大容量蓄电池小功耗照明，一次充电满后，可以连续工作7天，且避免了在使用过程中造成蓄电池过放电而损坏其使用寿命。另外由于使用了IV0300，整个系统在晚上关闭前即光强较弱时，还能工作，继续充电。
3. 应用系统的优点
该系统的优点包括：平均每年可多生产10％~12％的电能；分布式的直流总线降低了传输电力损耗；兼容不同厂商的控制器到同一阵列中；光伏电池板可以混合使用不同的角度；可靠性高、大大降低了维护成本；方便测试每组光伏电池板上的电压，以便了解和预测整个系统的性能。
总结
应该说光伏系统可在光伏风力发电控制器、逆变电源、并网逆变电源等多种绿色能源中
得到广泛应用。目前消除光伏发电系统能量损失的新型分布式最大功率点跟踪(DMPPT)系统，除了上述采用基于(DMPPT)技术的光伏充放电控制芯片IV0300型外，还有分布式MPPT 电源优化器的应用及最大功率点跟踪（MPPT)控制算法的使用。
分布式MPPT的电源优化器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光伏电池板的产能，可快速、轻松地安装在传统光伏系统中，即每个电池板连接了一个电源优化器装置。该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连通，他们具有认知和自行组织的能力，可以检测自己的电流与电压环境并自行调整，直到整串电池板达到最佳状态，同时在电池板级别达到局部最优点，从而可独立地增强并提高电池板的性能
当今最大功率点跟踪（MPPT)控制算法已有如定电压法(CVT)、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络法等。这些方法都依照光伏电池的特性曲线，搜索最大功率点对应的电压值，各有优缺点，可以根据系统的要求进行选用。
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