摘要：  本文将对太阳能集中式最大功率跟踪系统能量损失的缺陷与新型分布式太阳能大功率跟踪系统技术方案的引出及其太阳能充放电控制芯片在太阳能路灯系统中的应用为例作研讨，并对太阳能光伏技术架构理念作说明。

关键字：  光伏模块，功率跟踪系统，能量损失，分布式

1 太阳能最大功率跟踪系统(MPPT)面临的困扰
如今太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一，其太阳能光伏发电在建筑与照明等与民生相关的节能及环境保护方面得到了迅猛的发展。目前市场上光伏系统一般都安装了太阳能最大功率跟踪系统，但很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽都会导致致系统造成“失配”， 而发电量的大幅下跌，即其中太阳能某一阵列受损将直接影响到其输出，造成能源浪费。于是如何消除“失配”，提高光伏发电系统最大功率跟踪问题已经成为制造厂商与用户迫切解决的热点问题。这也是本文研讨的主要内容。为此应首先对太阳能光伏技术架构作理念说明。
1.1 太阳能光伏技术
太阳能通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。而光伏电池的基本特征为：当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。图1(a)为光伏电池框图。
1.2 光伏发电系统的基本架构
一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、控制器、逆变器和蓄电池构成。光伏发电系统常用的是并网型光伏系统。而并网发电系统为太阳能电池发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电，其并网型光伏系统是利用光伏阵列发电，经过充放电控制器（或称光伏控制器）对蓄电池进行充放电控制，并给直流负载供电或通过逆变器给交流负载提供电能的一种新型电源。
并网型光伏系统由以下部分组成：光伏阵列，太阳能集中式最大功率点跟踪(CMPPT)控制器和蓄电池充放电控制器构成，图1(b)所示为并网型光伏系统基本示意图。从图1(b)所知太阳能照射在光伏阵列上，产生光生伏特效应，则太阳能直接转化为电能，而光伏阵列输出的电能接入集中式最大功率跟踪(CMPPT)系统，通过MPPT控制实现升压及最大功率跟踪，提高光伏阵列的效率；其蓄电池充放电控制器能在有光照时储存光伏阵列发出的电能，在带负载时输出蓄电池储存的能量，实现能量的管理控。
1.3 CMPPT的缺陷与分布式最大功率点跟踪(DMPPT)系统方案引出
如今实际光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。图2为实际具有集中式最大功率点跟踪(CMPPT)系统功能的标准并网配置（又称为集中式MPPT技术并网的PV系统）与其中一个组阵列2的两个电池板被遮蔽示意图。从图2所知，在这种安装方式中，多组串联的PV系统电池板并联并向连接电网的逆变器输入。电池板本身由串联的电池构成。集中式逆变器的主要功能是将直流电转变为交流电，但同时还配有一个最大功率点跟踪控制系统，它可通过一种最大功率点跟踪算法随时调节PV系统电池板阵列的输入阻抗，获得最大电能。
需要说明的是，图2中光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组阵列”。每个组阵列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。也就是说，太阳能模块产生的功率即电流(I)与电压(V)的乘积。在任何既定条件和既定时间下存在一个最佳点，即最大功率点(MPP)，它是电流与电压之间的指数关系的函数，使太阳能模块产生最大功率输出。而最大功率点跟踪(MPPT)是一种电子形式的跟踪技术，它利用算法和控制电路来搜索这个最大功率点，从而使转换器电路可以从光伏电池模块中获取最大功率。但实际上，该集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。
集中式最大功率点跟踪(CMPPT)系统主要的缺陷是，电池板被遮蔽阴影现象是在住宅、商业或者公共事业中应用的PV系统电池板阵列常遇到的问题。在存在局部阴影的情况下，电池板不匹配将成为最大的问题，因为参数不统一，局部阴影将导致阵列的不同电池板具有多个最大功率点(MPP)。采用集中式MPPT时，可能会导致更多的不均匀损失，会产生一条具有多个峰值的V-P电气曲线，即出现高直流电压点与低直流电压点。高直流电压点时的最大功率点跟踪使未遮蔽组阵列的输出功率达到最大；而低直流电压点时的最大功率点跟踪将使遮蔽组阵列的输出功率达到最大，其旁路二极管绕过遮蔽电池板，则该组阵列的未遮蔽电池板将提供全量电流。从而造成最大功率点跟踪系统可能得到错误信息停止在局部最大点处，并稳定在具有V-P特征的次优点上，会导致集中最大功率点跟踪(MPPT)配置的额外损失。据估算，光伏阵列因被遮蔽少量面积会导致25％到50％的功率损失。
面对这挑战的应对是采用太阳能分布式最大功率跟踪(DMPPT)系统的方案， 该方案的特点是采用并联方式，每组太阳能电池板独立工作，分别对蓄电池充电，由此解决应最大限度消除或降低因被遮蔽少量面积而导致系统功率额外损失的问题。如今有多种新型技术解决方案，值此仅就基于分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)技术的新型技术芯片IV0300型及应用为典例作分析说明。
２ 基于分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)技术的新型技术与芯片及应用
新型分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)系统己经问世，并在太阳能路灯系统中获得应用。
在此系统中，每组太阳能电池阵列独立工作，互不影响，从而大大提高了光伏系统整体转换效率。值此以基于分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)技术的IV0300型太阳能充放电控制芯片为例作说明。实际上IV0300型应用特征是一款自动充电控制芯片，适用于一节到四节太阳能电池给两节到四节镍氢电池或者单节锂电池充电，能承受1.5A的峰值输入电流。
*应用特征
每当太阳光达到一定照度时，当IV0300芯片使能端(EN)收到一高电平或太阳能电池板上电压大于1/3充电截止电压时，其DMPPT组件将自动启动，开始对蓄电池充电，其架构见图3所示。IV0300设有过充保护和充电结束指示引脚，有效防止蓄电池过充而影响到其使用寿命。它的主要特性：有过充保护与充电完成结束指示和CVT恒电压算法及大大有利于太阳能转换效率的提高。其典型应用，可在光伏照明应用，如路灯、庭院灯、草坪灯，景观照明等及公用设施，如公交站点，路标指示，安全检查区等方面上的应用。IV0300芯片有如下引脚功能：ISIN-太阳能输入；CSMP-采样电容；VSD-关断电压调整输入；Vref-参考输出；VOC-过充保护；CHEND-充电结束指示；BOUT-电池输出；LX-与电感连接；BGND-电路地；EN-使能端。
*基于(DMPPT)技术的IV0300型芯片在太阳能路灯系统中的应用
应该说，光伏照明现已普遍用在家庭照明，景观照明，城市亮化等方面。典型的应用就是太阳能路灯。它具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点。新设计的太阳能路灯采用了基于(DMPPT)技术的IV0300型芯片，其系统架构见图3系所示。
从图3所知，此分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)应用于太阳能路灯系统系统包括6大部分：光伏模块组件（太阳能电池板）、IV0300型芯片分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT) IV0300型芯片、蓄电池(1000AH)、微处理器(MPU)、DC-DC直流电源转换 、LED路灯(30W-50W)。在此系统中太阳能给蓄电池充电，通过分布式最大功率跟踪(DMPPT)技术进行控制，即采用并联方式，每组太阳能电池板独立工作，分别对蓄电池充电。蓄电池通过直流电压转换芯片，得到满足路灯点亮所需电压和微处理器工作电压。微处理器控制路灯的开启关闭和电池的选择。采用的是光控开，定时关。当夜幕降临时，微处理器通过检测光强启动LED自动点亮，点亮—定时间后，其内部定时器控制LED自动关闭，有效做到节能降耗。点亮时间一般设定为6—10小时，这受区域限制．一般南方地区设定为6-8小时，北方地区设定为8-10小时。此系统设定的为10小时，该系统采用的是大容量蓄电池小功耗照明，一次充电满后，可以连续工作7天，且避免了在使用过程中造成蓄电池过放电而损坏其使用寿命。另外由于使用了IV0300，整个系统在晚上关闭前，即光强较弱时，还能工作，继续充电。
*应用系统的优点：平均每年可多生产10％-12％的电能；分布式的直流总线降低了传输电力损耗；兼容不同厂商的控制器到同一阵列中；太阳能电池板可以混合使用不同的角度；可靠性高，大大降低了维护成本；方便测试每组太阳能电池板上电压，以便了解和预测整个系统的性能。
应该说基于(DMPPT)技术IV0300型芯片除了应用于太阳能路灯系统外还可在光伏照明应用，如路灯、庭院灯、草坪灯，景观照明等及公用设施，如公交站点，路标指示，安全检查区等方面上作应用。