功率优化器—未来分布式家用太阳能系统的理想方案

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)。微逆设备是在超低电压(ELV)情况下完成直流电到交流电的逆变，通常要求串联的组件不超过两个。最近Altenergy Power System Inc (APS)研发出了采用4个组件并联的三相微型逆变器，虽然还没有被澳大利亚清洁能源协会(CEC)认证，而且根据个人了解到的有限的信息，我觉得产品的应用和安全性能还是有可以改进的空间，但是这次进步的的确确对未来民用中小型电站向单组件级别优化系统过度起到了进一步的促进作用。相比于微型逆变器，我个人认为功率优化器在技术和应用层面将会有更大的推广潜力。

功率优化器(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。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。然而相比于串联拓扑，并联拓扑也同样存在一个和微型逆变器一样的缺陷，升压跨度较大。目前比较普及的组件开路电压在38伏左右，工作电压大约30伏左右，串联拓扑在正常情况下升压降压范围都是控制在10%至30%之间，在电压补足情况下变化范围提升至10%至90%之间。然而并联拓扑和微型逆变器都需要把组件输入电压升压到一个相当高的数值，通常是400V左右，这相当于1000%，10倍以上的提升。这对于没有变压器，仅仅靠开关控制的升压设备是一个比较有挑战性的工作周期(duty cycle)，尤其是在屋顶较高的环境温度下。

功率优化器一个最大的拓扑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系统。看似组件通过优化器接入逆变器，事实上组件只是用来启动优化器，而优化器收集组件的最大功率后相互协作给逆变器功能。因为“固定电压”的技术，不但解决了系统部分遮挡的问题，对于多组串的系统，各组串组件数量也不需要相等，甚至同一组串内的各组件朝向也不需要一样。对于串联型优化器，断路后的开路电压仅仅是1V，对于并联型优化器，断路后的开路电压最多也就是组件的开路电压，所以对于屋顶系统的安全性能也是一个跨越式的进步。

除了拓扑结构上面的优势，功率优化器在最大功率点追踪算法(algorithm)上也有着先天的优势。传统的MPPT追踪算法基本都是基于两种：“爬山法”和“逻辑测算法”，先进点的像SMA，Power-one这些还采用结合法，比如“爬山法”结合“常数范围法”，配合固定时间间隔的全扫描法来寻找最大功率点，也有结合“斜率极性法”和“电导增量法”，配合探测步伐控制法来寻找最大功率点。这些算法在理想测试条件下，准确率都可以达到99%以上，其实他们最大的挑战是多波峰和光照陡增情况。多波峰的意思是在一个阵列的功率-电流或功率-电压曲线图中，出现了多个功率峰值。其形成的原因多种多样，其中之一是因为部分组件因为遮挡而正向偏转了旁路二极管(bypass diode)，导致三分之一的电池被绕开而导致组串的工作电压降低，进而出现阵列的电压错配而出现多波峰情况。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，而在同一组串中出现电流错配而导致的多波峰情况。多波峰和光照陡增对于许多MPPT算法有着巨大的影响，由于其不可控和多变性，会混淆追踪器对于探测方向的判断以及对于哪个峰值是最大功率点的判断。其实这种问题的根本原因，就是接入MPPT的组件太多了。试想如果每个MPPT只接一个组件，每个组件只有两到三个旁路二极管，而组件间又互不影响，这对于最大功率点的分析和追踪难度有着极大的降低，同时对于控制器的逻辑编辑也是非常的简洁和准确。因为仅仅是一个38伏，8.9安的IV曲线图，优化器的MPPT并不需要用传统的算法来追踪最大功率点，目前比较通用的有两种，一种是“切点追踪法”，一种是配有二级追踪的“电阻控制法”和“电压控制法”相结合的方法。正是基于这种优势，才可以让优化器相较于传统的逆变器有着30%左右的产能提升。另外，不同于微型逆变器的限交流功率(AC Power Limiting)，功率优化器可以完全传输收集到的功率给逆变器，这又为该技术产品锦上添花。

系统组件级监控也是用户长期需求的一个部分。传统系统无论10个组件还是50个组件，用户只能通过系统发电效率百分数来推测系统是否“健康”，同时还要结合一系列的参照数据才能推测出具体的“发病原因”，如果是某个组件的原因，那么定位出“发病”的组件更是“肉中刺”一样的为难。而功率优化器和微型逆变器产品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。

我之所以认为功率优化器会是未来分布式家用太阳能系统的理想方案是因为就目前的技术发展趋势看来，功率优化器有着比微型逆变器更加宽泛的适用性，原因有三。

一. 功率优化器不但兼容所有的晶硅电池板，还可以匹配到部分薄膜电池系统中去，Solaredge，Tigo这些龙头也正在努力让优化器拥有更广阔的兼容范围。然而大多数的微型逆变器无法兼容或自身功能性接地(functional earth)，导致其与目前市场上一部分主流的组件无法匹配。同时，功率优化器的输入电压范围大约在5伏至50伏之间，这样就确保了哪怕组件在严重遮盖的情况下，优化器依然可以保持启动状态并继续工作。功率优化器还可以和第三方逆变器匹配，通过额外的控制盒进行和第三方逆变器的沟通以及对系统的调控。但是微型逆变器是单独的设备，输出的是220伏，50赫兹的交流电，各逆变器并联入网，无法和其他设备兼容。

二. 由于不包括逆变设备，功率优化器大大简化了内部构造和减少了制造成本。我们公司最近和合作伙伴一项研究对比中，某知名品牌微型逆变器内部一共466个元件，而另一个知名品牌的功率优化器内部共186个元件。元件的数量减少降低了机器潜在的出错率，同时还节约了大概20%的制造成本。在太阳能系统渗透度越来越大的趋势下，通过优化器来嵌入已有的传统系统，将会对于微型设备占领主导的潮流是一个很好的过度。微型逆变器则要求完全摒弃上一套逆变器系统和电缆，彻底的翻新系统，这对于住户来说，的确需要不小的说服力。

三. 对于输出电功质量，我个人对于微型逆变器存在三点质疑。第一，由于目前主流的微逆大部分都是无隔离式的，这直接的具有潜在的直流电注入的问题。澳大利亚标准(Australian Standard)对于逆变器直流的注入要求不超过0.5%的输出电流或5毫安，取偏大的值。传统的组串式逆变器通常都是接1串到2串的民用系统，所以直流输入电流最大不过2倍组件工作电流。可是微逆采用的是并联的系统结构，如果每一个机器都是5毫安的直流泄露，对于一个标准的3千瓦系统12块组件来说，那么泄露的直流总量就是12倍的5毫安。当然这是最坏的情况，可是不得不引起重视。澳大利亚工程师协会也参与到了新的AS/NZS 4777标准的制定中，其中对于微逆的直流注入限定标准至今还在讨论中。美国微逆著名品牌Enphase采用变压器型机器，防止DC注入也是其中原因之一。第二，由于一个系统中有较多的微型逆变器，这无疑会给注入的电网带来总谐波干扰(total harmonic distortion)的问题，澳大利亚标准对于THD有着细化的范围规定，同时总范围不能超过5%(个人认为偏大)。THD是民用电上网对于电站来说一个相当重要的问题，由于形成原因较多，在此就不再赘述。第三就是微逆还保持着传统逆变器的整输出功率因数的传统，这会和将来的智能电网有冲突。现在诸多的组串逆变器厂商已经开始研究无功补偿技术以及无功控制技术，然而微逆还是只能输出有效功率，这种功率因数迟早是要被淘汰的。目前微型逆变器三相交流机器正在研发，各相位电压，频率匹配，相位功率平衡，输出电网保护等等方面都需要不断完善，由于是交流电，脉冲宽度(pulse width)以及工作周期(duty cycle)之间的平衡和协调对于输出的电压的稳定性至关重要。然而如果若干个三相交流微型逆变器同时并网，那么也会面对相当数量的挑战和需要解决的问题。

微型设备有着相比于传统组串式设备更加适用于民用电站的优势，他们可以更优秀的应付复杂多变的屋顶周边环境。无论是功率优化器，微型逆变器还是交流太阳能电池板，整套发电系统向组件级别过度的趋势是显而易见的。2012年刚发布的澳大利亚光伏系统安全标准AS/NZS 5033又开始重新制定了，原因之一是为了兼容这些有着全新的运行理念的微型设备。他们正在改变着光伏系统的格局，并且逐渐在激烈的竞争环境里占有自己的一席之地。我相信，在未来几年内，以功率优化器为代表的组件级优化设备会让用户耳目一新，并且对于传统的光伏发电系统进行重新定义。

文章作者：张帅杰