智能光伏组件在光伏系统中的应用

       摘要：时至今日，光伏系统在行业的推动下得到了大量的应用，截止2014年，全球光伏装机容量已达到177GW[1]。但是光伏组件在系统应用中还存在一些问题，如高压工作、失配损失、光伏组件的工作情况无法一一得知等等。目前，市场上一些一线组件企业陆续推出了几种智能光伏组件产品，着手应对失配损失、保护、监控等方面的缺失，用于提升系统整体发电量、可靠性及安全性，使产品逐步趋于智能化。

       关键词：智能光伏组件，优化，安全，发电量

       1.前言
 
     时至今日，光伏系统在行业推动下得到了大量的应用，截止2014年，全球光伏装机容量已达到177GW。但是光伏组件在系统应用中还存在一些问题，如直流端处于高电压工作状态，600V（北美）或1000V（北美以外区域）；由于环境的复杂性，导致光伏系统存在多种形式的遮挡，如云层遮挡、树叶、鸟粪、电线（缆）、塔架、栏杆等，对发电量造成失配损失；每块光伏组件的工作情况无法一一得知等等。这给光伏系统的运营带来了很多问题，包括发电量、安全性、可靠性等方面，继而给项目运维带来了比较大的工作量。

       2.智能光伏组件
 
     目前，市场上一些一线组件企业陆续推出了几种智能光伏组件产品，可以对光伏系统中因为遮挡、不均匀衰减、部件失效等造成的失配损失进行优化，同时，在组件级提供相应的保护及监控功能，为系统的运行及维护提供便利。

      2.1什么是智能光伏组件

      传统的光伏组件，由光伏电池片、EVA、背板、玻璃、边框、接线盒、线缆等组成，而接线盒内部电路由汇流条和二极管构成，没有电子线路板等其它电子部件，光伏系统的MPPT跟踪通过逆变器或控制器来实现。而所谓的智能光伏组件，就是在光伏组件中集成了印刷电路板或相关的电子元器件，有些集成于接线盒内部，有些独立于接线盒而存在，用于实现组件级的优化、检测与控制。因此，智能光伏组件实现了光伏组件从被动控制到主动控制的转变。

      2.2智能光伏组件的特点
 
     下面以常州天合光能有限公司的Trinasmart产品为例，来说明智能光伏组件可实现的功能，其包括：功率优化、智能关断、过载保护、电弧检测及保护、组件级监控。
系统组成如图 1所示。优化器安装于组件背面，连接在接线盒和逆变器之间。优化器通过无线与Gateway进行通讯，进而与MMU（Maximizer Management Unit）之间进行命令的发送与接收，实现优化器工作模式的切换。
     
      
                                                                              

     2.2.1功率优化

       光伏组件通过串联和并联的方式，形成一定规模的阵列，通过逆变器，实现一定功率的输出。众所周知，串联电路中电流取决于电流最小的那块电池，而并联电路的电压取决于电压最小的子串，即所谓的木桶理论。光伏组件在工作时，常常不可避免地由于各种原因，包括云层遮挡、树叶、鸟粪、电线（缆）、塔架、栏杆等造成的遮挡，以及数量众多的光伏组件之间的不均匀温度分布、不均匀衰减、不均匀积灰、不均匀辐照等因素，造成电压、电流之间的差异，导致阵列输出的功率小于各个组件最佳输出功率的总和，亦即所谓的失配。
优化器根据阻抗匹配的理论，在不同的失配条件下，对各个组件的输出进行调节，使串联电路的电流和并联电路的电压不取最低值，而是进行相应的优化，使遮挡造成的损失不扩散到整个组串或阵列，以最大化阵列的输出[3]，如图2所示。
   

             

                             图 2 Trinasmart与其它智能组件的优化比较

       2.2.2智能关断

      普通光伏系统中，在有光照的情况下，即使交流端被断开，直流侧仍存在电压，此时如对系统进行操作或维护，则仍然存在被电击的危险。而安装了优化器的系统，交流侧被断开时，优化器将处于Off状态，此时，优化器后端将没有电压输出，以保证线路中完全不存在电压，避免人身伤害事故的发生。
而使优化器工作在Off模式，有如下三种方法：

1)在MMU上有一个很容易识别的红色“紧急关断”按钮，在紧急情况下按下此按钮，优化器将转换到Off状态；

2)软件端的远程关断，亦可使优化器在第一时间切换至Off状态，如通过视频监控在光伏系统中某处发现明火；

3)当消防员到达火灾现场，断开交流端开关，且MMU上的“紧急关断”按钮未被按下时，优化器也将自动切换至Off状态。此模式下，当交流端恢复至连通状态时，系统将自动恢复，而无需手动启动。

        2.2.3过载保护

       优化器中集成了电流、电压、温度检测装置，当光伏系统中某个组件存在过压、过流或过热的情况时，问题组件将被自动关断，以保证风险或危险不被扩散 

       2.2.4电弧检测及保护

       电弧是一种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象。如果电弧不能及时被发现，将导致系统部件的局部高温，继而引起燃烧，甚至火灾[3]。通常电弧有两种形式：串联型和并联型。串联型主要发生在因施工、热应力或外力作用下而导致的连接不牢固的位置；而并联型常存在于由于绝缘损坏而造成的并联线路之间，或者是对地之间。在光伏系统中，电弧被认为是引起组件热击穿及火灾的主要原因。
     
          
           
               图 3 电弧可能引起火灾

       优化器内部集成了电弧检测装置，当检测到电弧时，优化器将被关断，随后报警信息将通过邮件、短信或电话的方式，发送至设备维护人员，或设定的其它人员及安全系统，从而控制电弧危害的产生，同时提醒运维人员及时进行检查，排除隐患。

       2.2.5组件级监控

       常规的光伏系统，监控只能在汇流箱及以上层级进行，也就是说无法了解系统中每一块组件的工作情况。而带有优化器的智能光伏组件，如图 1所示，可实现MMU与网络的连接，而通过MMU可获取系统中每一块组件的工作情况，了解其电压、电流、功率等信息，如图 4所示。

                   
   
       通过监控系统，除了了解组件的工作情况外，还能辅助进行故障诊断、系统修复等工作。此外，上述的关断功能也可通过监控系统向MMU发送命令，进而让优化器执行模式切换的指令。

        3.小结

       智能光伏组件提供的功率优化、智能关断、过载保护、电弧检测及保护、组件级监控等功能，将提供给项目业主一个更安全、更智能的光伏电站，保证系统的高效运行，延长系统服务年限，提高项目收益。虽然现在物联网和智能电网的概念还在起步阶段，但是相信终有一天，智能光伏组件也将成为物联网、智能电网中众多智能设备的一部分，为光伏系统的智能运行提供基础和保障。

       4.参考文献

[1]Global Solar PV Capacity Ends 2014 At 177 GW, http://cleantechnica.com/2015/04/02/ global-solar-pv-capacity-ends-2014-177-gw

[2]Spec of Trinasmart DC, www.trinasolar.com

[3]Impedance matching: The science behind the Trinasmart optimizer, www.trinasolar.com

[4]The Bakersfield Fire, P60-70, SolarPro, Feb./March, 2011

于俊，张圣成，全鹏，张臻，冯志强     常州天合光能有限公司

文章作者：solarbe编辑部