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通过最大功率点跟踪与电流检测技术提升太阳能发电场效率
探析公用事业级太阳能电站设计的最新趋势及其效率提升之道
公用事业规模太阳能农场设计趋势
大型太阳能发电场正在改变其运作方式以提升效率，从而最大限度地发挥其资产的发电潜力。
太阳能市场分为三个领域。首先是住宅领域，即家庭用户屋顶安装的太阳能电池板。其次是商业建筑上的太阳能装置。但规模最大且能从效率提升中获益最多的，是那些采用与燃煤电厂相同发电方式的公用事业规模电站。
这些电站采用500千瓦至2兆瓦的集中式逆变系统。从集中式逆变器延伸出多个汇流箱，各串联组件串由此接入。每组光伏串通常包含约二十块组件（反之亦然……能量从组件流向逆变器）。
要从太阳能板中获取最大功率，需找到电压和电流的最大功率点（MPP），而检测该点的系统称为最大功率点跟踪器（MPPT）。寻找MPP的过程是持续增加流经太阳能板的电流，直至达到功率输出峰值。若继续增加电流，功率输出将再次下降。最大功率点的数值受阳光照射在面板上的强度影响。
传统太阳能电站的运行方式是让所有电池板在相同的最大功率点（MPP）下工作。当电池板串联时，相同的电流流经所有电池板。各串联组件间采用并联接线，且所有组件电压均相同。
为何统一最大功率点跟踪会降低大型太阳能发电场的效率
现在，只要所有电池板相对相似、朝向一致且无遮挡，并且都能接收到阳光照射，那么使用相同的最大功率点（MPP）驱动它们是完全可行的。
然而现实情况是，尤其对于大型太阳能发电场而言，这种情况很少发生。阳光照射在电池板上的强度各不相同。例如，当云层掠过发电场时，部分电池板会处于阴影中，部分则沐浴在明媚阳光下，还有些处于两者之间。
如果系统设置为所有组件均从同一最大功率点（MPP）运行，这实际上等同于最低效组件的最大功率点，从而导致整个光伏电站的效率显著降低。
太阳能农场分区规划以实现优化功率跟踪
因此，当前趋势是将光伏电站划分为多个小型区域，每个区域配备独立的最大功率点跟踪器（MPPT）。这意味着根据太阳状态的变化，电站不同区域将以不同的最大功率点运行。
最大功率点跟踪器本质上是一种直流-直流转换器。过去，许多电站运营商因其额外成本超过效率提升带来的收益而拒绝安装配备此类设备的逆变器。
如今发生的变化在于，最新的电力电子技术通过实现更高频率的开关操作降低了成本。开关频率从过去的20kHz左右提升至如今的50kHz左右，未来这一数值很可能继续攀升。
高频意味着电感器尺寸可缩小，从而使整个系统更紧凑且成本更低。同时，这意味着IGBT及其他功率元件效率更高，发热量更少，因此所需散热器尺寸也更小。
公用事业级光伏项目中直流逆变器的崛起
越来越流行的是将这种设计进一步延伸，在每六到十组串联组件末端安装一个逆变器，即串式逆变器。每台组串式逆变器功率仅约30至50千瓦，其优势在于：若单台逆变器故障，仅需更换故障组件即可恢复供电，仅影响小范围区域。该设计还便于定位故障组件或逆变器，现场工程师可直接进行更换。由于备用设备通常存放于现场，停机时间得以大幅缩短。
此类安装系统每兆瓦可能配备多达200个最大功率点跟踪器（MPPT）。虽然成本略高，但随着规模扩大及电力电子技术的进步，价格正持续下降。市场分析师预测，到2018年采用组串式逆变器的公用事业项目将超越集中式逆变器项目。
智能并网箱：分布式最大功率点跟踪技术，实现增强控制
另一种方案是将所有最大功率点跟踪器（MPPTs）集中安装在汇流箱内，通过智能控制使每个MPPT均在所连接的串联电路最大功率点运行。通常每个汇流箱会配置4至8个MPPTs。
采用LEM电流互感器的精密电流测量
为测量电流，无论是串式逆变器还是智能汇流箱中的最大功率点跟踪器（MPPT），都会采用LEM公司的HLSR等产品。该产品可测量直流-直流转换器内部的电流，从而实现最大功率点跟踪功能。此类产品既可用于串式逆变器，也可用于智能汇流箱。
这些HLSR电流传感器代表了尖端技术。它们提供约1%的最佳精度，并具备2微秒的响应时间，足以应对50kHz的开关频率。其坚固设计可承受雷击——能耐受5至10kA、持续8至20微秒的脉冲冲击。
而这种隔离设计适用于1500伏的电压等级，该等级正是大多数大型工厂当前运行或计划运行的目标电压。
最后，HSLR是市场上最简单、最可靠且最高效的传感器。它采用LEM专有的ASIC芯片制造，该芯片专为开环电流传感器设计并经过优化。生产流程的每个环节都经过优化，旨在帮助逆变器制造商应对巨大的价格压力。HSLR正是打造更高效率、更优品质且成本更低的MPPT解决方案的关键。
对于要求苛刻的用户，LEM还提供HO系列产品。该系列在具备HLSR功能的基础上，额外增加了过流检测（OCD）输出。该数字输出可指示电流超过预设阈值（典型值为三倍IPN），可作为晶体管的硬件保护机制，从而减少元器件数量并简化设计复杂度。
图1展示了MPPT控制器的基本原理图，并阐述了HLSR和HO功能。