光伏发电损失的罪魁祸首---木桶效应

经常听到光伏部件出现种种创新，比如组件实验室效率24%、量产效率20%，而逆变器转换效率宣称99%。其中组件效率指的是光电转换效率，逆变器转换效率指的是从其直流输入转换为电网交流的工作效率。

大家都知道电站“转换效率”非常关键，因为它直接影响到了发电收益。虽然上面提到的两个核心部件的转换效率已实现了跨越式突破，但还是经常看到光伏电站的统计数据中，从光伏组件直流转换为电网交流的转换效率却低至74~80%。即使逆变器转换效率实际为98%，但是这个差额18~24%去哪里了?

有人可能怀疑是交直流电缆线损、直流汇流箱或交流配电柜损耗所导致，但是这部分损耗一般仅为1~3%左右，还是解释不了这么大的能量损失。其实，站在整体系统的角度考虑，“发电量损失”的根源正是“组件串联的木桶效应所导致的失配损失”，木桶效应是光伏发电损失的罪魁祸首，这也是本文所要讨论的核心问题。

1、光伏组件的伏安特性

当前光伏发电市场的应用主流是晶硅组件，包含多晶和单晶。薄膜电池可弯曲性好、弱光发电能力较强，但相比较之下，晶硅组件性价比、能量密度更高及长期运行稳定性更好。所以，晶硅组件也成为本文的主要讨论对象。晶硅组件核心材料是量大价低的半导体硅，主要由电池片、焊带、背板、边框、及内含旁路二极管的接线盒等构成，如图1所示。

图1 晶硅光伏组件的外形图

光伏组件内部电池片的等效模型如图2所示，其中Rs为组件串联阻抗、Rsh为组件自身阻抗。光伏电池本质上是一个电流源，只是这个电源流被二极管限定电压至0.5~0.7V。由于晶硅组件内部由多个电池片串联而成，因此组件输出电压大约为30~42V。

图2 光伏组件内部电池片的等效模型

基于以上电池片等效模型，可以得到以下光伏电流和电压之间的数学函数关系式。根据高等数学的相关知识，从这个函数关系可以清楚看出，这两者之间是一种非线性关系。

光照强度直接影响组件输出电流，以sunpower黑硅单晶组件为例，如图3所示(https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/data-sheets/ds-e18-series-225-solar-panel-datasheet.pdf)。光照强度为200w/m2时，组件电流为1.2A;如果光照强度增大至1000w/m2时，组件电流相应增大至6.0A，从而说明组件电流与光照强度成正比，反之亦然。

图3 光伏组件的伏安特性曲线

由图3也可看到一个有趣并且重要的现象，即在标准测试条件(STC)下，每种光照条件的伏安特性曲线只有一个拐点，这个点就是光伏组件的最大功率点(MPP)。另外，如果STC中的环境温度由25C增大至50C时，同种光照强度下组件电流基本无变化，但组件电压会降低，从而说明环境温度直接影响光伏组件输出电压。

图4清楚说明了晶硅组件的温度特性：相对于25Cº标准测试条件，温度每升高1Cº，组件电流可增大0.067%，组件开路电压降低0.33%，组件最大功率降低0.43%。从而温度对组件电压影响较大，但对组件电流影响不大，基本可以忽略不计，因而温度每升高1Cº，组件MPP电压降低0.43%。这里插个题外话，在组串中选择组件串联的个数时，需根据所选用的组件温度系数，仔细核算低温下组串电压不可超过逆变器的最大输入电压。

图4 晶硅组件的温度特性

2、组件和组串的内部串联结构

经常听到晶硅组件60片、72片的说法，这个实际讲的是组件内部电池片串联的个数，每个电池片是一个独立的光伏电池单元。如图5所示，每20片或24片光伏电池对应一个子串，光伏组件由3个子串串联而成，每个子串两端反并联一个旁路二极管，旁路二极管可减轻热斑效应。这3个子串的输出线及旁路二极管在组件接线盒中用于电气连接，再通过接线盒引出总的正负两根出线，也就是光伏组件日常附带的直流接头和电缆。

图4 晶硅组件内部的3个子串及其旁路二极管

以上说明了晶硅组件内部由3个子串串联而成，其实当前光伏发电系统的光伏组串也是由多个组件串联而成，如图5所示。不管是集中式逆变器的直流汇流箱、还是组串式逆变器的直流输入端，都会接入光伏组串，组串一般由20~24个组件串联而成。所以，当前所有光伏发电本质上都是把多个电池片串联使用，以生成光伏组串的直流高压，便于逆变器实现并网交流发电。由初中物理知识可知，电路中不允许多个电流源串联，否则总电流由最小电流的电流源决定。另外在这里偷偷说一句，几个组串并联也存在能量损失，由于线路阻抗的存在，并联电压源的总电压由最低电压的电压源决定。

图5 多个组件串联的组串式或集中式光伏发电系统

3、光伏组件的木桶效应

参考度娘百科，盛水的木桶是由多块木板箍成的，盛水量也是由这些木板共同决定的。若其中一块木板很短，则此木桶的盛水量就被限制，该短板就成了这个木桶盛水量的“限制因素”(或称“短板效应”)，如图6所示。若要使此木桶盛水量增加，只有换掉短板或将其加长才行。

图6 木桶效应示意图

一个水桶无论有多高，盛水量取决于其中最短的那块木板，人们把这一规律总结为“木桶原理”或“木桶效应”，又称“短板理论”。其核心内容为：一只水桶盛水的多少，并不取决于桶壁上最长的那块木块，而恰恰取决于桶壁上最短的那块。根据这一核心内容，“木桶效应”还有两个推论：其一，只有桶壁上的所有木板都足够高，那水桶才能盛满水。其二，只要这个水桶里有一块不够高度，水桶里的水就不可能是满的。

为了让水桶尽量多装水，必须要找出薄弱环节(短板)，并且改进该环节把这个短木板加长。命苦不能怨政府，幸福的家庭是相似的，而不幸的家庭各有各的不幸。很不幸光伏组件串联或内部串联子串都存在木桶效应，甚至可以说木桶效应已充满光伏发电系统中。

由于组件内部串联子串或组串中多个组件串联的本质特性相似，以下以组串为例说明。如图7所示，由3个光伏组件串联构成一个组串，每个组件电流相同时，构成组串的总电流也相同，实际上组串总电流等于每个组件电流。这种工作状况下，每个组件的MPP完全一致，当然这是一种非常理想而实际中并不存在的情形。

图7 组件MPP一致情况下的组串电气特性

理想很丰满，现实太骨感。实际上，组串中每个组件MPP不可能完全一致，如图8所示的第3个组件(PV3)由于种种原因MPP发生变化，而第1、2个组件(PV1、2)仍然可实现MPP。这种情况下如果这3个组件仍然串联构成一个组串时，组串的总电流不可能达到理想数值，也不可能继续最大功率输出。组串最大输出功率受逆变器的MPPT算法限制，既可能工作于受电流源串联物理原的影响而电流限制在PV3的小MPP电流，也可能工作于PV1、2近似最大功率点而PV3旁路二极管导通的状态(即图8所示)。

图8 组件MPP不一致情况下的组串电气特性

4、木桶效应导致组件失配

上一节提到，当组串中组件PV3的MPP变小时，组串最大输出功率受逆变器的MPPT算法限制，既可能工作于受电流源串联物理原的影响而电流限制在PV3的MPP，此时的直观状态是组串电压高而功率小;也可能工作于PV1、2近似最大功率点而PV3旁路二极管导通的状态，此时的直观状态是组串电压低而功率大。

为了清楚解释这个问题，先得从光伏逆变器的内部构造说起。所有类型的光伏逆变器的功率回路由组件或组串、输入开关、EMI滤波、逆变电路、交流滤波、及输出开关构成，而信号回路由交直流采样、驱动电路、LCD显示、及控制构成，如图9所示。

图9 光伏逆变器的内部构造

除了实现直流-交流功率变换和并网控制外，逆变器的关键功能之一是MPPT跟踪，其目的是通过组串电压扰动找到组串的最大功率点。具体控制策略主要使用爬山法、导纳法、神经网络等，当前产品化主要使用爬山法。这些MPPT算法可以寻找到光伏组串的最大功率点，但是无法找到每个组件的最大功率点，下面以图10中两个组件串联为例说明。

a 组件MPP一致 b 组件MPP不一致

图10 两个组件串联构成的一个组串

这个组串由两个组件串联构成，两个组件分别为I、II，使用第1节的组件等效模型和数学函数关系式，两个组件MPP一致时，组串电压分别与组串功率、电流的函数曲线只有一个转折点，也就是最大功率点;但第I个组件由于种种原因MPP发生变化，而第II个组件仍然可实现MPP时，组串MPP点出现了双峰，如图11所示的A、B点。山峰太多平时看起来很壮观、很漂亮，但是一旦出现在组串上，逆变器的MPPT算法就会搞晕，既可能呆在A点、也可能留恋B点。A点的电压低而功率大，实质上是组件I的旁路二极管导通了，不然组件I将承受反向电压而发生热斑效应而挂掉，这样损失了组件I的输出功率，因为其或多或少还是有输出功率的。而B点的电压高而功率小，实质上是组串电流等于组件I电流，而组件I电流远小于组件II，这样损失了组件II的部分功率。

图11 两个组件串联构成的组串电气特性

光伏逆变器的常规MPPT算法是从组串的开路电压开始跟踪组串最大功率，因此最有可能的是可以找到B点。近年来国外有些老牌厂商也提出了MPPT的多峰算法，有可能可以找到A点，但是这种多峰算法实际中很少使用。为什么呢?只因为MPPT速度太慢，很可能由于使用这个算法而导致更多的光伏能量损失。

光伏组件MPP变小的直接原因是遮挡，也就是组件的光照强度下降。图12所示为单个电池片遮挡对组件功率影响的实验数据，如果单个电池片的遮挡面积为25%，组件功率损失为8.3%;如果电池片遮挡面积达到93.5%，组件功率损失为87.3%。这个木桶效应的影响非常大，因为组件内部存在60、或72个电池片，结果显示某个电池片被遮挡，光伏组件基本已经没有功率输出，而这个电池遮挡面积仅占整个组件的1.55%!

图12 单个电池片遮挡对组件功率的影响

图13所示为单个组件遮挡对组串功率影响的实验数据，如果单个组件的遮挡面积为25%，组串功率损失为12.21%。这个木桶效应的影响非常大，因为这个组串由20个组件串联构成，而这个组件遮挡面积仅占整个组串的1%!

图13 单个组件遮挡对组串功率的影响

木桶效应是光伏电池串联必须导致的结果，但是从经济性考虑，组件串联提高直流电压后才可降低电缆、逆变器等造价。

当然创新是无止境的，国外也有厂商把晶硅组件采用了类似碲化镉薄膜组件技术，把组件内部的电池片做成矩阵式结构，如图14所示。但是这种电池片矩阵式结构虽然消除了电池片级的木桶效应，但是并没有改变组件串联构成组串的悲催现实，这样光伏组串仍然存在木桶效应而导致组件失配的能量损失。除非把组件串联改成并联结构，这样直流母线电压将会很低，可以完全消除传统光伏系统的木桶效应问题，但会导致电缆、逆变器的损耗增大、造价增加。在这里呼吁一下愿意制造这种矩阵式电池片的组件厂，茂硕电气配合研发低压逆变器，我们在深圳等您。

另外，SNEC2017上看到有的组件厂推出了半片技术，有的也推出了每个电池片反向并联旁路二极管技术，半片技术、更多旁路二极管在一定程度上可以减轻木桶效应，只是要评估价格的增加幅度。

图14 矩阵式电池片结构的组件并联系统

5、导致木桶效应的根本原因

导致木桶效应的根本原因基本上可以分为两类：一个是因为组件本身原因;另一个是使用组件的外部环境。

一般人比较关注光伏组件的衰减和老化及制造过程的离散性，比如很多组件厂承诺头两年衰减不超过2%，10年内不超过10%，25年不超过20%。但是据统计，头两年衰减在2%以内的光伏组件基本很少。

另外，标称功率偏差也是光伏组件的一个重要参数，一般±3%以内是可以接受的，当然大厂做得更好也更有担当，只有正偏差而没负偏差。这个参数也说明，虽然组件的标称参数相同，但实际上输出功率曲线却有差异。但是更重要的是，每个电池片、组件的衰减速度、老化程度及功率偏差不可能完全相同，因此这样的电池片串联构成组件、这样的组件串联构成组串必然存在木桶效应。比如，60个电池片串联时，其中某个电池片提前老化了，那么就会造成整个组件的功率失配损失;20个组件串联时，其中某个组件功率是负偏差，虽然其他组件功率都是正偏差，这样也会造成整个组串的功率失配损失。

与组件本身原因相比较，使用组件的外部环境更加复杂，并且更容易导致木桶效应，而光伏电池串联系统容易发生木桶效应，其直接原因是组件内部每个电池片、或组串内部每个组件的光照不均匀导致的输出功率不相同。如图15所示，存在太多的外部环境容易使电池片、或组件之间的光照不均匀，比如屋顶发电的女儿墙对电池片、组件的部分遮挡;地面电站前后排组串的阴影;光伏组件表面的灰尘、积雪、脏污不一致;地面电站组件旁边的杂草;光伏组件的倾角不一致;组件老化不均匀;同一处光伏电站所使用的组件温度还有可能不一样;当然天上的朵朵白云也导致组件光照不一致。

图15 导致木桶效应的外部环境

因此，导致木桶效应的部分原因是可以解决的，比如阴影、杂草遮挡等，甚至现在组件出厂时还可以分级筛选，把性能相近的组件归到同一组串，但是这种措施没考虑到几年后组件的不均匀老化问题。但是，更多导致木桶效应的原因却难以解决，比如人们还控制不了云彩，也不可能让灰尘和积雪完全一致，更关键的是无法达到相同的组件衰减率。

6、总结

为什么一再旗帜鲜明地不看好当前1500Vdc光伏系统呢，原因是没改变组件内部的电池片串联结构，主要是1500Vdc组串中组件串联的数量更多了，进一步提高了木桶效应出现的机率，并且组串MPP点出现山峰更多，从而木桶效应变得更加严重。

汇总全文内容，其实归根结底就是以下几句话：

(1)、光伏组件由多个电池片串联构成，组件内部存在木桶效应;

(2)、光伏组串由多个组件串联构成，组串内部存在木桶效应;

(3)、造成光伏木桶效的根因部分容易处理，而更多的外部因素无法解决;

(4)、矩阵化电池片的组件并联技术可消除木桶效应，但需评估效率和成本;

(5)、电池半片、更多旁路二极管可减轻木桶效应，但需评估成本和工艺;

木桶效应所导致的组件失配会造成发电收益降低，并且降低的幅度高达18~24%。本来组件的光电转换效率已经够低了，就这么低的直流电力还不能实现全部的并网发电，即使逆变器转换效率高达98、99%也是枉然。

从根本上说，木桶效应的本质是低的组件利用率，而组件利用率既不是组件厂的技术范畴，传统逆变器公司也是无能为力，可以说还是一个空白区。为了提高组件利用率、消除木桶效率，优化器、微逆是其中切实可行的改进措施，并且这个是咱们电力电子人可以做的事情，也是本系列后续重点讨论的内容。

文章作者：胡炎申