优化光伏系统-影响太阳能BOS效能的新架构和元件

文章摘要：太阳能作为一个可再生能源正在持续发展，对其的持续关注促进了太阳能板的价格降低和效率提升。同时，逆变器、充电器和能量优化器之类的平衡系统（BOS）器件已经取得了重大进展。本文将介绍影响太阳能BOS效能的新架构和元件。无变压器的DC/AC逆变器在欧洲广泛应用，但是在美国，这种产品只是最近才在某些地区被使用。无变压器的逆变器拓扑结构有很多种，而Fraunhofer研究所开发的HERIC拓扑表现出了很高的效率。传统的全桥逆变器的结构如图1所示，HERIC拓扑如图2所示，此图中还显示了两种新的开关/二极管对。这种拓扑利用独有的续流路径来减小开关和导通损耗，使效率提升到98%以上。图1 用在无变压器逆变器

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太阳能作为一个可再生能源正在持续发展，对其的持续关注促进了太阳能板的价格降低和效率提升。同时，逆变器、充电器和能量优化器之类的平衡系统（BOS）器件已经取得了重大进展。本文将介绍影响太阳能BOS效能的新架构和元件。

无变压器的DC/AC逆变器在欧洲广泛应用，但是在美国，这种产品只是最近才在某些地区被使用。无变压器的逆变器拓扑结构有很多种，而Fraunhofer研究所开发的HERIC拓扑表现出了很高的效率。传统的全桥逆变器的结构如图1所示，HERIC拓扑如图2所示，此图中还显示了两种新的开关/二极管对。这种拓扑利用独有的续流路径来减小开关和导通损耗，使效率提升到98%以上。

图1 用在无变压器逆变器上的全H桥

图2 用在无变压器逆变器上的HERIC拓扑

无变压器逆变器的优势
无变压器逆变器有几种优势。传统逆变器的变压器级，要提供电流隔离，因此重量大、价格高且损耗大。即使是带有超小变压器的高频逆变器也有很大的能量损耗，最高能到1%～2%。在持续减少光伏系统安装费用的过程中，每一小份能量都很关键。因此，向无变压器逆变器的过渡会继续。

无变压器逆变器的缺点
无变压器逆变器也有一些缺点。如前文所说，这种逆变器不包含由变压器提供的电流隔离，这是一个很重要的安全隐患。然而，集成了完整的安全机制，例如隔离电阻测试和残余电流检测，会使得无变压器逆变器如同变压器一样安全。此外，有证据表明这种逆变器的接地问题会导致薄膜面板，尤其是一些CIGS太阳能面板受到永久的伤害。

逆变器拓扑中常见的是H桥中的开关。如像上文所提，逆变器设计正朝着以越来越高的功率来减少电感/电容和变压器的体积和成本方向发展。高压/高频开关在太阳能逆变器中是必需的。但是，在高压/高频条件下运行MOSFET会导致严重的传导损失。IGBT经常被使用是因为它们的传导损失比MOSFET要低。然而，它们会在关断期间会产生尾电流——增加了开关损耗。

ESBT
ST公司的射极开关式双极型二极管（ESBT）提供了很好的解决方案。如图3所示，ESBT的共基极放大器结构中包含了一个高压BJT和一个功率MOSFET，整个器件有非常低的导通电压降。

图3 带MOSFET驱动器的ESBT

当一个ESBT同外置MOSFET和二极管/电阻配对的时候，整个电路看起来像一个3端器件，经驱动后能达类似IGBT或功率MOSFET的工作状态。ESBT的关断能量比IGBT低很多，能实现高效设计，并非常适合高频率、高压逆变器设计。

传统结构的屋顶太阳能系统安装过程也在减少BOS成本，并提高性能。在这种结构中，太阳能板以串联/并联阵列形式连接在一起，对阴影和错配非常敏感。举例来说，如果一个串行阵列中的面板，其性能受阴影或尘土的影响，整串的输出就会受到严重的影响。对这个问题的一个解决方案就是在面板或串联级增加一个DC/DC变换器和一个极大的功率点追踪器。

优化
面板级的能量优化是一个非常重要的能量转换和控制任务。这些功能要优化太阳能面板采集的能量，然后转换为连续的电压或电流，同时将工作状态发送至中央控制器。这需要一个微控制器或状态机、模拟感应电路、DC/DC电流转换，以及有线或无线通信。

这些具体功能都是易于理解的，并适合集成在一个模块中。这样做能提供成本、可靠性和性能优势。优化的MPPT输出可增加系统的性能，并导致效率增加，有助于降低系统成本。

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