SPV1020在光伏功率優(yōu)化器中的應(yīng)用

肖新元

摘 要 介紹了光伏系統(tǒng)中一種新型的前端設(shè)備光伏功率優(yōu)化器，重點論敘了光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏發(fā)電效率的原理，以及芯片SPV1020在光伏功率優(yōu)化器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 光伏；SPV1020；功率優(yōu)化器

中圖分類號：TM464 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0023-01

太陽能是一種可再生資源，但是其能量密度低，因地區(qū)不同而有差異、因時間不同而有變化的特點是開發(fā)利用太陽能的面臨的一個主要問題，因此提高太陽能單位面積利用效率是一個重要的研究課題。近年來，由于制造能力的提升、電力電子技術(shù)的進步等因素降低了光伏發(fā)電的成本，這促進了大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。光伏組件是光伏發(fā)電的基本組成部分，到目前為止，在光伏組件中處理熱斑效應(yīng)是簡單的利用二極管旁路，雖然此方法能夠處理被遮擋的光伏組件當(dāng)作負載消耗其他電池組件所產(chǎn)生的能量，但是也大大降低了所在光伏串列的輸出功率，因此需要對光伏串列中光伏電池組件配備一種能夠優(yōu)化輸出功率的設(shè)備，也就是光伏功率優(yōu)化器。

1 功率優(yōu)化器介紹

光伏功率優(yōu)化器是光伏電站的前端設(shè)備，直接和光伏組件電氣連接。實質(zhì)是一種含有微控制器的直流轉(zhuǎn)換器，具有自供電功能，內(nèi)部進行獨立的MPPT算法運算，能夠提高光伏組件的輸出功率，解決光伏組件之間的匹配問題，提高整個光伏串列的輸出功率，對改善光伏電站的發(fā)電效率具有積極的作用。

2 功率優(yōu)化器提升光伏系統(tǒng)效率原因

根據(jù)實際應(yīng)用情況，選取一組由10塊230 Wp多晶硅組件的光伏串列作為研究對象。230 Wp多晶硅組件有72片3.2 W的電池片串聯(lián)而成，光伏組件的開路電壓42.5 V，短路電流7.2 A，最佳工作電壓36V，最佳工作電流6.4 A，所以整個光伏串列的最佳工作電壓時360 V，工作電流6.4 A。當(dāng)整個光伏串列未受遮擋時候，輸出功率為2.3 kWp，見圖1。假設(shè)光伏串列中的光伏組件1受到部分遮擋時，使用旁路二極管的光伏組件輸出為25 Wp（忽略光伏組件自身存在的差異性），而整個光伏串列只能輸出1.6 kWp，整個系統(tǒng)損失31.2%，見圖2；而使用光伏功率優(yōu)化器的光伏串列由于光伏功率優(yōu)化器能夠單獨對每塊光伏組件進行最大功率跟蹤，受遮擋的光伏組件輸出75 Wp，而整個光伏串列能輸出2.05 kWp，整個系統(tǒng)損失10.8%，見圖3。

圖1 圖2 圖3

3 功率優(yōu)化器發(fā)展概況

意法半導(dǎo)體公司和德州儀器分別推出了SPV1020、SM3220 Solar Magic可以利用在光伏功率優(yōu)化器中的集成芯片。 SOLAREDGE、TIGOENERGY公司已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用于光伏組件的具有功率優(yōu)化功能的接線盒。

4 芯片SPV1020介紹

SPV1020是意法半導(dǎo)體公司的一款內(nèi)置MPPT算法PWM模式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器芯片，能最大化輸出光伏組件所產(chǎn)生的能量而不受溫度和太陽輻射的影響。工作電壓0 V-36 V，具有過壓，過流和超溫保護，內(nèi)置了軟起動功能，效率高達98%。在固定頻率為100 kHz PWM模式工作，PWM波占空比可調(diào)，調(diào)整步長為0.2%，范圍為5%到90%。

在光伏接線盒中，可以利用一片或多片SPV1020代替旁路二極管。由于SPV1020可以找到光伏組件的最佳功率點，光伏系統(tǒng)的效率比利用中央光伏逆變器進行最大功率跟蹤的系統(tǒng)效率要高。

4.1 應(yīng)用信息

為了提供有效成本的應(yīng)用方案和減小體積的原因，SPV1020芯片內(nèi)部含有四個相同的DC-DC升壓電路，如圖4。4個DC-DC電路并聯(lián)，驅(qū)動波形占空比、頻率相同但是相互之間有TSW/4移位。為了進一步提高轉(zhuǎn)換效率，DC-DC電路中的二極管使用了導(dǎo)通壓降低的開關(guān)器件代替，驅(qū)動信號為SW的互補波形。

圖4

4.2 典型應(yīng)用電路及特點

典型的應(yīng)用電路如圖5。

圖5

芯片的性能受封裝PowerSSO-36影響，芯片的最大輸出功率隨著溫度上升1℃降低10 W，所以為了提高效率需要在芯片的正下方的電路板上布滿過孔，并在另一面裝上散熱器。

5 應(yīng)用前景

目前，在光伏系統(tǒng)中，光伏組件是獨立運行，其發(fā)電能力是不清楚的，如果人工檢測光伏組件的運行狀態(tài)既不方便也需要耗費大量的人力，而使用光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。然而，現(xiàn)在光伏功率優(yōu)化器并沒有大量的應(yīng)用，一方面在于光伏行業(yè)推廣時以“千瓦”為單位而不是以“千瓦時”，另一方面需要額外的投入給本身需要國家政策支持的光伏發(fā)電行業(yè)帶來了阻力。隨著電子技術(shù)的進步和光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏功率優(yōu)化器肯定會大量的應(yīng)用，另外制定光伏功率優(yōu)化器相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也勢在必行。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2004.

[2]李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護[M].人民郵電出版社，2010.

[3]李金剛，王斌，孟昭淵，李果華.智能光伏組件的研究與實踐[J].能源工程，2008（1）.

[4]Ayyanar R Mohan N.A novel full-bridge dc-dc converter for battery charging using secondary-side control combines soft-switching over the full load range and low magnetics requirement[C].in Pro.IEEE Appl.Power Electrora Conf.2000：340-346.endprint

摘 要 介紹了光伏系統(tǒng)中一種新型的前端設(shè)備光伏功率優(yōu)化器，重點論敘了光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏發(fā)電效率的原理，以及芯片SPV1020在光伏功率優(yōu)化器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 光伏；SPV1020；功率優(yōu)化器

中圖分類號：TM464 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0023-01

太陽能是一種可再生資源，但是其能量密度低，因地區(qū)不同而有差異、因時間不同而有變化的特點是開發(fā)利用太陽能的面臨的一個主要問題，因此提高太陽能單位面積利用效率是一個重要的研究課題。近年來，由于制造能力的提升、電力電子技術(shù)的進步等因素降低了光伏發(fā)電的成本，這促進了大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。光伏組件是光伏發(fā)電的基本組成部分，到目前為止，在光伏組件中處理熱斑效應(yīng)是簡單的利用二極管旁路，雖然此方法能夠處理被遮擋的光伏組件當(dāng)作負載消耗其他電池組件所產(chǎn)生的能量，但是也大大降低了所在光伏串列的輸出功率，因此需要對光伏串列中光伏電池組件配備一種能夠優(yōu)化輸出功率的設(shè)備，也就是光伏功率優(yōu)化器。

1 功率優(yōu)化器介紹

光伏功率優(yōu)化器是光伏電站的前端設(shè)備，直接和光伏組件電氣連接。實質(zhì)是一種含有微控制器的直流轉(zhuǎn)換器，具有自供電功能，內(nèi)部進行獨立的MPPT算法運算，能夠提高光伏組件的輸出功率，解決光伏組件之間的匹配問題，提高整個光伏串列的輸出功率，對改善光伏電站的發(fā)電效率具有積極的作用。

2 功率優(yōu)化器提升光伏系統(tǒng)效率原因

根據(jù)實際應(yīng)用情況，選取一組由10塊230 Wp多晶硅組件的光伏串列作為研究對象。230 Wp多晶硅組件有72片3.2 W的電池片串聯(lián)而成，光伏組件的開路電壓42.5 V，短路電流7.2 A，最佳工作電壓36V，最佳工作電流6.4 A，所以整個光伏串列的最佳工作電壓時360 V，工作電流6.4 A。當(dāng)整個光伏串列未受遮擋時候，輸出功率為2.3 kWp，見圖1。假設(shè)光伏串列中的光伏組件1受到部分遮擋時，使用旁路二極管的光伏組件輸出為25 Wp（忽略光伏組件自身存在的差異性），而整個光伏串列只能輸出1.6 kWp，整個系統(tǒng)損失31.2%，見圖2；而使用光伏功率優(yōu)化器的光伏串列由于光伏功率優(yōu)化器能夠單獨對每塊光伏組件進行最大功率跟蹤，受遮擋的光伏組件輸出75 Wp，而整個光伏串列能輸出2.05 kWp，整個系統(tǒng)損失10.8%，見圖3。

圖1 圖2 圖3

3 功率優(yōu)化器發(fā)展概況

意法半導(dǎo)體公司和德州儀器分別推出了SPV1020、SM3220 Solar Magic可以利用在光伏功率優(yōu)化器中的集成芯片。 SOLAREDGE、TIGOENERGY公司已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用于光伏組件的具有功率優(yōu)化功能的接線盒。

4 芯片SPV1020介紹

SPV1020是意法半導(dǎo)體公司的一款內(nèi)置MPPT算法PWM模式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器芯片，能最大化輸出光伏組件所產(chǎn)生的能量而不受溫度和太陽輻射的影響。工作電壓0 V-36 V，具有過壓，過流和超溫保護，內(nèi)置了軟起動功能，效率高達98%。在固定頻率為100 kHz PWM模式工作，PWM波占空比可調(diào)，調(diào)整步長為0.2%，范圍為5%到90%。

在光伏接線盒中，可以利用一片或多片SPV1020代替旁路二極管。由于SPV1020可以找到光伏組件的最佳功率點，光伏系統(tǒng)的效率比利用中央光伏逆變器進行最大功率跟蹤的系統(tǒng)效率要高。

4.1 應(yīng)用信息

為了提供有效成本的應(yīng)用方案和減小體積的原因，SPV1020芯片內(nèi)部含有四個相同的DC-DC升壓電路，如圖4。4個DC-DC電路并聯(lián)，驅(qū)動波形占空比、頻率相同但是相互之間有TSW/4移位。為了進一步提高轉(zhuǎn)換效率，DC-DC電路中的二極管使用了導(dǎo)通壓降低的開關(guān)器件代替，驅(qū)動信號為SW的互補波形。

圖4

4.2 典型應(yīng)用電路及特點

典型的應(yīng)用電路如圖5。

圖5

芯片的性能受封裝PowerSSO-36影響，芯片的最大輸出功率隨著溫度上升1℃降低10 W，所以為了提高效率需要在芯片的正下方的電路板上布滿過孔，并在另一面裝上散熱器。

5 應(yīng)用前景

目前，在光伏系統(tǒng)中，光伏組件是獨立運行，其發(fā)電能力是不清楚的，如果人工檢測光伏組件的運行狀態(tài)既不方便也需要耗費大量的人力，而使用光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。然而，現(xiàn)在光伏功率優(yōu)化器并沒有大量的應(yīng)用，一方面在于光伏行業(yè)推廣時以“千瓦”為單位而不是以“千瓦時”，另一方面需要額外的投入給本身需要國家政策支持的光伏發(fā)電行業(yè)帶來了阻力。隨著電子技術(shù)的進步和光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏功率優(yōu)化器肯定會大量的應(yīng)用，另外制定光伏功率優(yōu)化器相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也勢在必行。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2004.

[2]李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護[M].人民郵電出版社，2010.

[3]李金剛，王斌，孟昭淵，李果華.智能光伏組件的研究與實踐[J].能源工程，2008（1）.

[4]Ayyanar R Mohan N.A novel full-bridge dc-dc converter for battery charging using secondary-side control combines soft-switching over the full load range and low magnetics requirement[C].in Pro.IEEE Appl.Power Electrora Conf.2000：340-346.endprint

摘 要 介紹了光伏系統(tǒng)中一種新型的前端設(shè)備光伏功率優(yōu)化器，重點論敘了光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏發(fā)電效率的原理，以及芯片SPV1020在光伏功率優(yōu)化器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 光伏；SPV1020；功率優(yōu)化器

中圖分類號：TM464 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0023-01

太陽能是一種可再生資源，但是其能量密度低，因地區(qū)不同而有差異、因時間不同而有變化的特點是開發(fā)利用太陽能的面臨的一個主要問題，因此提高太陽能單位面積利用效率是一個重要的研究課題。近年來，由于制造能力的提升、電力電子技術(shù)的進步等因素降低了光伏發(fā)電的成本，這促進了大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。光伏組件是光伏發(fā)電的基本組成部分，到目前為止，在光伏組件中處理熱斑效應(yīng)是簡單的利用二極管旁路，雖然此方法能夠處理被遮擋的光伏組件當(dāng)作負載消耗其他電池組件所產(chǎn)生的能量，但是也大大降低了所在光伏串列的輸出功率，因此需要對光伏串列中光伏電池組件配備一種能夠優(yōu)化輸出功率的設(shè)備，也就是光伏功率優(yōu)化器。

1 功率優(yōu)化器介紹

光伏功率優(yōu)化器是光伏電站的前端設(shè)備，直接和光伏組件電氣連接。實質(zhì)是一種含有微控制器的直流轉(zhuǎn)換器，具有自供電功能，內(nèi)部進行獨立的MPPT算法運算，能夠提高光伏組件的輸出功率，解決光伏組件之間的匹配問題，提高整個光伏串列的輸出功率，對改善光伏電站的發(fā)電效率具有積極的作用。

2 功率優(yōu)化器提升光伏系統(tǒng)效率原因

根據(jù)實際應(yīng)用情況，選取一組由10塊230 Wp多晶硅組件的光伏串列作為研究對象。230 Wp多晶硅組件有72片3.2 W的電池片串聯(lián)而成，光伏組件的開路電壓42.5 V，短路電流7.2 A，最佳工作電壓36V，最佳工作電流6.4 A，所以整個光伏串列的最佳工作電壓時360 V，工作電流6.4 A。當(dāng)整個光伏串列未受遮擋時候，輸出功率為2.3 kWp，見圖1。假設(shè)光伏串列中的光伏組件1受到部分遮擋時，使用旁路二極管的光伏組件輸出為25 Wp（忽略光伏組件自身存在的差異性），而整個光伏串列只能輸出1.6 kWp，整個系統(tǒng)損失31.2%，見圖2；而使用光伏功率優(yōu)化器的光伏串列由于光伏功率優(yōu)化器能夠單獨對每塊光伏組件進行最大功率跟蹤，受遮擋的光伏組件輸出75 Wp，而整個光伏串列能輸出2.05 kWp，整個系統(tǒng)損失10.8%，見圖3。

圖1 圖2 圖3

3 功率優(yōu)化器發(fā)展概況

意法半導(dǎo)體公司和德州儀器分別推出了SPV1020、SM3220 Solar Magic可以利用在光伏功率優(yōu)化器中的集成芯片。 SOLAREDGE、TIGOENERGY公司已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用于光伏組件的具有功率優(yōu)化功能的接線盒。

4 芯片SPV1020介紹

SPV1020是意法半導(dǎo)體公司的一款內(nèi)置MPPT算法PWM模式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器芯片，能最大化輸出光伏組件所產(chǎn)生的能量而不受溫度和太陽輻射的影響。工作電壓0 V-36 V，具有過壓，過流和超溫保護，內(nèi)置了軟起動功能，效率高達98%。在固定頻率為100 kHz PWM模式工作，PWM波占空比可調(diào)，調(diào)整步長為0.2%，范圍為5%到90%。

在光伏接線盒中，可以利用一片或多片SPV1020代替旁路二極管。由于SPV1020可以找到光伏組件的最佳功率點，光伏系統(tǒng)的效率比利用中央光伏逆變器進行最大功率跟蹤的系統(tǒng)效率要高。

4.1 應(yīng)用信息

為了提供有效成本的應(yīng)用方案和減小體積的原因，SPV1020芯片內(nèi)部含有四個相同的DC-DC升壓電路，如圖4。4個DC-DC電路并聯(lián)，驅(qū)動波形占空比、頻率相同但是相互之間有TSW/4移位。為了進一步提高轉(zhuǎn)換效率，DC-DC電路中的二極管使用了導(dǎo)通壓降低的開關(guān)器件代替，驅(qū)動信號為SW的互補波形。

圖4

4.2 典型應(yīng)用電路及特點

典型的應(yīng)用電路如圖5。

圖5

芯片的性能受封裝PowerSSO-36影響，芯片的最大輸出功率隨著溫度上升1℃降低10 W，所以為了提高效率需要在芯片的正下方的電路板上布滿過孔，并在另一面裝上散熱器。

5 應(yīng)用前景

目前，在光伏系統(tǒng)中，光伏組件是獨立運行，其發(fā)電能力是不清楚的，如果人工檢測光伏組件的運行狀態(tài)既不方便也需要耗費大量的人力，而使用光伏功率優(yōu)化器能夠提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。然而，現(xiàn)在光伏功率優(yōu)化器并沒有大量的應(yīng)用，一方面在于光伏行業(yè)推廣時以“千瓦”為單位而不是以“千瓦時”，另一方面需要額外的投入給本身需要國家政策支持的光伏發(fā)電行業(yè)帶來了阻力。隨著電子技術(shù)的進步和光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏功率優(yōu)化器肯定會大量的應(yīng)用，另外制定光伏功率優(yōu)化器相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也勢在必行。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2004.

[2]李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護[M].人民郵電出版社，2010.

[3]李金剛，王斌，孟昭淵，李果華.智能光伏組件的研究與實踐[J].能源工程，2008（1）.

[4]Ayyanar R Mohan N.A novel full-bridge dc-dc converter for battery charging using secondary-side control combines soft-switching over the full load range and low magnetics requirement[C].in Pro.IEEE Appl.Power Electrora Conf.2000：340-346.endprint