典型太阳能电池最大化模块的输出方案

　　监控是开启太阳能电池能量生产的关键。当太阳能环境不断变化时，如果使用假设不断产生能量的电路架构，很容易降低效率。

　　随着太阳能模块升温或接收更多光，电流-电压特性的变化可能是太阳能电池阵列效率损失的重要来源。如果产生电网兼容电力的逆变器没有调整到输出电压和电流条件，它将浪费更多的电力。作为回应，电子公司生产的 IC 可以执行优化能量转换所需的最大功率点跟踪 （MPPT），并绕过电子设备以防止暂时不生产的模块破坏有源电池的输出。

　　在晴朗的日子靠近赤道，来自太阳的能量意味着一平方米的地球表面接收超过 1 千瓦的电力。今天的太阳能电池可以将大部分能量转化为电能。在实验室条件下测试的硅基太阳能电池的转换效率接近 25%。然而，这些电池还没有进入生产光伏 （PV） 面板，即使他们做到了，也存在降低整个光伏系统效率的其他问题。

　　太阳能电池背后的电子控制装置是利用太阳能电池原始效率的关键。控制系统需要能够对不断变化的天气条件做出反应，以确保光伏电池和模块尽可能接近其峰值运行。每个太阳能电池都有一个特征电流-电压 （IV） 曲线，该曲线反映了它对温度和入射光水平的响应。

　　装在光伏模块中的电池可能会在单调的冬日产生高电压但非常低的电流。随着光照水平的升高，电压会略微下降，但电流会急剧增加，直到接近峰值水平。随着模块升温，模块的输出电压会下降，从而降低其整体能量输出。因此，即使在阳光强烈的时期，当它们应该处于峰值效率时，如果电子电路不对此进行补偿，光伏面板也会遭受转换效率的显着下降。

　　高效率的部分秘诀在于使用可最大限度减少发热的组件，从而将输出电压保持在高水平。更重要的是考虑到不断变化的条件的架构，以确保电池和模块在当前条件下以峰值电位运行。局部阴影将显着降低阴影电池的输出，对包含它们的模块产生连锁反应，如果管理不善，可能会完成光伏装置或领域。根据美国国家可再生能源实验室进行的测试，阴影落在太阳能装置面积不到 3% 的地方会使其输出效率降低 15% 以上。如果一个细胞不产生能量，它的电阻会上升，它会开始消耗其他电池提供给它的电流，因为它们通常是串联的。结果是热量积聚。这种热点产生会随着时间的推移损坏电池，并降低整个太阳能电池阵列的输出能量。

　　在典型的安装中，多组光伏面板串联起来形成光伏串。每个串与其他串并联，然后连接到逆变器，使产生的电力适应公共电网的特性。在每个串中，旁路二极管通过为其他面板产生的电流提供替代路径来保护每个面板。这些二极管保证面板保护和整个系统的功能，以防面板损坏或被遮蔽。由于串上的电压较低，通常由串的一部分上的阴影引起，阻塞或截止二极管保护每个串免受来自其他串的电流回流。

　　图 1：使用单串的基本太阳能装置的架构。

　　旁路二极管应具有低正向偏置电压降，以允许来自上游面板的电流轻松流向逆变器，逆变器将能量转换为与电网兼容的电力。为了防止热量积聚和能量损失，非常低的正向电压降至关重要。LX2400太阳能旁路设备使用Microsemi 的CoolRUN技术来减少导致正向压降的电阻，从而最大限度地减少热量产生。LX2400 在 10 A 时的压降仅为 50 mW，而如此大电流的温升仅为 10°C，从而防止了生产模块附近效率降低的热量增加。意法半导体

　　还具有SPV1001形式的太阳能旁路二极管。它是一种系统级封装解决方案，旨在通过使用功率 MOSFET 与电容器一起工作以提供类似于肖特基二极管的旁路整流，但具有更低的压降和反向漏电流，从而实现低温运行。MOSFET 在其关断期间为电容器充电，然后在其导通期间通过存储在电容器中的电荷被驱动。导通时间和关断时间按比例调整以降低漏极和源极端子的平均电压降，从而降低功耗。

　　太阳能阵列或场的其余关键组件是逆变器部分，它产生与电网兼容的电力。逆变器是复杂的系统，通常包含三个功能：DC/DC 转换、DC/AC 转换和防孤岛控制。

　　防孤岛控制是一种安全控制，可在电网级电源故障期间强制系统与电网断开连接，防止逆变器继续向电网的小部分或“孤岛”供电。如果岛屿通电，试图修复系统的工人将面临风险。另一个问题是，如果没有与之同步的电网信号，逆变器的功率输出可能会偏离客户设备在岛上运行的范围。

　　逆变器需要根据太阳能电池阵列所经历的条件进行调整，这通常使用最大功率点跟踪 （MPPT） 来实现。使用 MPPT，逆变器电路可以使用电压和电流的最佳组合，并为负载提供必要的电阻，以实现高效的能量收集。

　　图 2：通过使用独立的 DC/DC 转换和 MPPT，太阳能装置可以对不断变化的环境条件做出更适当的反应。

　　最简单的架构是使用一个 MPPT 引擎来控制单个通用逆变器。这种方法很简单，但存在将单个电源点应用于阵列中可能遇到不同操作条件的模块的问题。如果一个模块在云从其视角穿过太阳时被部分遮蔽，则它将与其他完全照亮的模块具有不同的功率点。尽管被遮蔽，但不保证绕过可能仍然有效。单个模块上的污垢堆积会导致功率点随时间发生变化，这也无法通过通用 MPPT 控制器反映出来。一种替代方法是通过使用多个并联的串来拆分阵列，每个串为不同的逆变器前端供电。更灵活的方法是将 DC/DC 转换器和 MPPT 控制器与每个 PV 模块相关联，

　　有多种方法可以在任何给定时间确定最佳功率点，每种方法都有其优点和缺点。一种常用的技术是扰动和观察。使用这种技术，电压或电流会发生变化，并会记录功率输出的变化。如果输出增加，则扰动向正确的方向移动。如果不是，下一个扰动将是相反的方向。通常，DC/DC 转换器采用的工作电压会在 MPP 附近振荡。STMicroelectronics的SPV1020采用扰动观察算法。

　　另一种选择是增量电导，它依赖于 MPP 处功率曲线导数与电压的关系为零，左侧为正，右侧为负。实现将增量电导、电流与电压的变化 （ΔI/ΔV） 与瞬时电导 （I/V） 进行比较。在 MPP 处，ΔI/ΔV = -I/V。在 MPP 的左侧，ΔI/ΔV 大于 -I/V，在 MPP 的右侧小于 -I/V。

　　图 3：典型太阳能电池的电流和功率与电压的关系图，显示了最大功率点和电池的电流曲线。

　　增量电导通常可以更好地指导最大功率点移动的方向，并且比扰动观察产生的振荡更少，但计算量更大。然而，像Microchip Technology PIC16F1503这样的微控制器很容易使用增量电导对光伏模块执行必要的计算，并且包括一个数控振荡器 （NCO） 外围单元，可以为高分辨率脉冲宽度提供定时信号高效 DC/DC 转换所需的调制 （PWM）。

　　图 4：扰动和扰动算法移动工作点以包围最大功率点。

　　由于光伏模块的电压输出会随环境条件而显着变化，因此连接到模块的任何 DC/DC 转换器都需要足够灵活以应对。一种可能性是使用升压转换器拓扑，将高中间直流电压提供给并网逆变器。SPV1020 采用四相交错升压拓扑，使其能够在连续或非连续模式下运行。交错显着降低了输出电压纹波。当需要低电流输出时，在突发模式期间关断相。启动过程中一般使用突发模式，以避免电压振荡，并且在启动过程中逐渐激活每个相位。

　　升压拓扑的替代方案是降压-升压 DC/DC 转换器拓扑，这样模块的电压可以在中间电压附近移动；当模块以接近最佳的水平转换能量时，可以利用这一点来支持高效运行。由评估板

　　支持 的Texas Instruments Solar Magic SM72442 MPPT 和 DC/DC 转换器控制器提供直接连接选项，当面板输入电压和所需输出电压彼此相差在 ±2% 范围内时，几乎无损运行。 这允许 DC/DC 转换器暂时关闭。在此范围的任一侧，控制器都采用降压或升压模式。

　　SM72442 使用 PWM 抖动技术来平滑降压、升压和直接连接面板模式之间的转换。该器件使用的 MPPT 算法通常可在百分之一秒内提供收敛，同时监控输入电流和电压。

　　随着太阳能行业的不断扩展，预计将出现更多提供 MPPT 和功率控制的解决方案，尤其是当注意力转向提供每个模块效率调整的更复杂的架构时。这些解决方案将包括特定设备和更通用的产品，允许实施者调整其 MPPT 和功率转换算法。