于波　孙仲刚　刘克铭　李亚彬　荣丹丹　何毅　王会晓

摘 要：太阳能功率优化器是近年来兴起的一种单组件级别的功率跟踪和转换设备，能大幅降低光伏阵列在阴影遮挡、组件失配时的功率损失，因此具有广泛的应用前景。本文介绍了功率优化器的工作原理，指明功率优化器在最大功率点跟踪算法和组件监控方面的优势；分析了功率优化器的拓扑结构，发现能够大幅提升屋顶系统的安全性能，只是并联型功率优化器存在升压跨度较大的缺陷；最后概要指明了功率优化器的发展趋势。

关键词：太阳能；功率优化器；最大功率点跟踪；拓扑结构；

1、引言

光伏应用中的最大功率点跟踪（Maxim Power Point Tracking， MPPT）系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏组件能够输出更多电能的电气系统[1-3]。MPPT技术本质上是一个自寻优过程，即通过测量电流和电压，判定当前工作点与峰值功率点的位置关系，进而调节工作点电流或电压，使其向峰值点靠拢，最终使光伏阵列工作在峰值点附近。但是当今的太阳能市场，MPPT技术严重影响着光伏阵列的发电效率[4-5]。

组串式逆变器作为多组件级别的转换设备，即使采用多路MPPT技术，环境中无法预测的阴影遮挡和组件间不可避免的性能失配，仍会严重影响着光伏阵列的输出功率[6-8]。此外，组串式逆变器要求同串组件保持一致的安装角和倾斜角，周围环境不宜存在遮挡情况，如此束缚对于系统设计和逆变器控制而言都是一个难题，于是单组件级别的功率跟踪和转换设备就越来越被市场所关注，其中最具代表性的产品是功率优化器（Power Optimizer， PO）。

自从美国国家半导体有限公司于2009年推出第一款被命名为Solar Magic的PO之后，光伏业界对于PO市场多持积极态度，PO产品如雨后春笋般冒出。以色列SolarEdge和美国Tigo都推出了集成式和外挂式产品，用户既可以用PO模块直接集成于接线盒内的一体化产品，也可以将PO模块单独外挂式安装在光伏阵列中。意法半导体提供的MPPT芯片可以同旁路二极管电路集成在同一块电路板上，而美国Maxim提供的MPPT芯片甚至可以层压进组件内，无需额外的旁路二极管电路。

2、PO的工作原理

PO是一个内建MPPT功能的直流到直流（DC-DC）的电流控制降压/升压转换器，主要有三个模块：MPPT模块、DC-DC转换模块和通信模块。简单地讲，PO是将逆变器的MPPT功能独立地于每块组件之后，改变输入逆变器的电压的同时，把组件输入PO的电压同步调至峰值点电压，再将各个组件的峰值功率传输给终端逆变器进行直流到交流的处理。终端逆变器可以是无MPPT功能的纯逆变设备，亦可是配有二级MPPT功能的逆变设备。如此使得组件和PO的结合体能够独立地进行MPPT跟踪，大幅降低传统光伏阵列在阴影遮挡、组件失配时导致的功率损失，约可提高系统发电效率25%以上。

PO在MPPT算法上有着先天的优势。传统MPPT算法的最大挑战是多波峰情况。多波峰是指在一个阵列的功率-电流或功率-电压曲线中，出现了多个功率峰值。多波峰的成因多种多样，其中之一是因为电池片被遮挡而启动了旁路二极管，使得电池串被旁路而导致组件串的工作电压降低，进而出现光伏阵列的电压失配导致多波峰情况。或者因为遮挡而旁路二极管依然处在反向偏转的未启动状态，而在同一组件串中出现电流失配而导致的多波峰情况[15-16]。由于多波峰情况的不可控性和多变性，会混淆跟踪器对于探测方向和最大功率点的判断。这种问题的根本原因是接入MPPT的组件太多了。假设每个MPPT连接一個组件，组件间又互不影响，这将极大地降低最大功率点的分析和跟踪难度，同时有利于控制器逻辑编辑的简洁性和准确度。正是基于这种优势，才可以让PO相较于传统的逆变器有着30%左右的产能提升。

PO能够便捷地实现组件级监控。传统光伏阵列无论系统规模如何，用户只能通过系统发电效率来推测系统是否正常，若出现反常，则需要结合一系列的参照数据才能推测出具体的原因，如果是某个组件的问题，那么定位出问题组件更是难上加难。而PO自身就携带了监控功能，在监控图上，不但哪个组件出了问题可以一目了然，同时设备还会提供错误代码，连问题也都可以一并落实。

3、PO的拓扑结构

PO与光伏组件、终端逆变器的结合组成了PO的拓扑结构，其中光伏组件作为光能转换为电能的器件应用于网络，PO实现了组件级MPPT、DC-DC转换和通信功能，逆变器实现了DC-AC转换、通信功能和AC电网连接。PO和逆变器内部各有一套算法，前者主要实现直流到直流的降压/升压转换，后者主要实现直流到交流的高效转换。此外，二者之间通过双向无线通讯（ZigBee）技术或电力载波通讯（Power Line Communication， PLC）技术传输信号，不同的通讯模式造成了各自产品在实际应用中的复杂度。PO的拓扑结构采用的都是固定电压的设计理念，根据DC-DC转换器的输出电压分为：串联型PO，各组串内的PO均采用串联方式进行连接；并联型PO，各PO直接与终端逆变器并联。

3.1. 串联型PO

逆变器根据DC-AC环确定DC端总线电压，同时汇总各串联的PO所收集的最大功率，进而计算出DC端线电流，并通过ZigBee或PLC传输给PO，此时每个PO输出端的电压等于PO所收集的组件最大功率除以线电流[25]。一旦若干组件被遮挡，相应的PO会根据电流-电压曲线重新确定最大输出功率，再通过ZigBee或者PLC传输给逆变器。在维持DC端总线电压不变的前提下，逆变器会重新计算线电流并反馈给各PO。此时被遮挡组件的功率降低，该PO也会降压来确认输出电流达标，其它未被遮挡组件的PO则会升压来达标输出电流。若个别组件被严重遮挡而无法启动降压/升压设备，PO则自动断开连接并发送报错信号，持续重启直到遮挡问题移除。这其实是一个电压补足的过程，从而提供稳定逆变器H桥的最优DC端电压。

3.2. 并联型PO

逆变器根据DC-AC环确定DC端线电压，此时每个PO把各自的输出端电压升压到这个数值，此时输入逆变器的电流相当于每个PO收集到的最大功率除以这个数值后电流的总和[25]。一旦若干组件被遮挡，在维持DC端线电压不变的前提下，相应的PO会根据重新确定的最大输出功率改变输入逆变器的电流。同样，若个别组件被严重遮挡而无法启动降压/升压设备，PO则自动断开连接并发送报错信号，持续重启直到遮挡问题移除。

3.3. PO拓扑结构对比

PO拓扑结构的最大特点就是把组件和逆变器功能性分开，这有别于传统的光伏阵列。看似组件通过PO接入逆变器，事实上组件只是用来启动PO，而PO收集组件的最大功率后相互协作输给逆变器。固定电压的技术，不但解决了光伏阵列部分遮挡的问题，对于多组串的系统，各组串组件数量也不用相等，甚至同一组串内的各组件朝向都不需一致。对于串联型PO，断路后的开路电压仅为1V，对于并联型PO，断路后的开路电压最多也就是组件的开路电压，所以使得屋顶系统的安全性得到跨越式的进步。

对于并联型PO，由于厚云层的遮挡主要影响组件的输出电流，对输出电压的影响不大，所以并联型PO基本不会出现频繁的电压失配调节，而且由于是并联关系，输出的电流又不会相互影响，所以这是并联型拓扑结构相较于串联型的一大优势。

相对于串联型拓扑结构，并联型存在升压跨度较大的缺陷。目前主流组件的开路电压约为38V，工作电压约为30V，串联型在正常情况下降压/升压范围控制在10%～30%之间，在电压补足情况下变化范围提升到10%～90%之间。然而并联型需要把组件输入逆变器的电压升压到一个相当高的数值，通常约为400V，相当于10倍以上的提升。这对于仅靠开关控制的升压设备而言是一个比较有挑战性的工作周期，尤其是在屋顶较高的环境温度下。

4、PO的发展趋势

市场上各种功能和设计的PO，在技术原理上都是成熟的，但是业界对于PO的发展也存在一些担忧：

1）可靠性有待验证。目前，各个PO供应商对组件厂商都是提供10年产品质保，迄今为止，尚无实测数据说明增加了PO的光伏组件能在户外使用25年，仅凭实验室有限的老化数据推导出的使用年限并不具有充分的说服力。

2）成本压力要降低。在应用方面，因为PO的售价是常规接线盒的3～6.5倍，使用PO后增加的系统成本将大大缩短终端用户的投资收益年限，需要业界多方努力进一步降低成本。

3）应用服务要多样化。终端用户手机APP的快速化、多样化发展，使得PO产品的监控、优化功能得以最广泛地被接受，由此催生出针对光伏大数据的一系列服务性应用。

参考文献

[1] 周林，武剑，栗秋华等。光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J]。高电压技术，2008，34（6）：1145-1154。

[2] AE Fadili， F Giri， AE Magri. Reference voltage optimizer for maximum power point tracking in triphase grid-connected photovoltaic systems[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2014， 60（11）：293–301.

[3] 程軍照，吴夕科，李澍森等。采用Boost的两级式光伏发电并网逆变系统[J]。高电压技术，2009，35（8）：2048-2052。

[4] 黄立培，马毅为，孙凯等。高效级联式光伏并网逆变器的控制[J]。高电压技术，2011，37（3）：680-686。

[5] C Deline， S MacAlpine. Use conditions and efficiency measurements of DC power optimizers for photovoltaic systems[C]. //Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， 2013 IEEE. IEEE， 2013： 4801-4807.