经常听到【dào】光伏【fú】部件出现【xiàn】种【zhǒng】种创新，比如【rú】组【zǔ】件【jiàn】实验【yàn】室效率24%、量产效率20%，而逆变器转换效【xiào】率宣称【chēng】99%。其中组件效率指的是光电转换效率，逆变【biàn】器转【zhuǎn】换效率【lǜ】指的是从【cóng】其直流【liú】输入转换为电网交流的【de】工作效率。
大家都知道电站“转【zhuǎn】换效率”非常关键，因为它直【zhí】接影响到了发电收益。虽然【rán】上面【miàn】提到的两【liǎng】个核【hé】心部件【jiàn】的【de】转换效率已实现【xiàn】了【le】跨越式突【tū】破【pò】，但还是经常看到【dào】光伏电站的统计数据中，从光伏组件直流转换为电网交流的转换效【xiào】率却【què】低至74~80%。即使逆变【biàn】器【qì】转换【huàn】效率【lǜ】实际为98%，但【dàn】是这个【gè】差额18~24%去哪里了?
有人可能怀疑是交直流电缆线损【sǔn】、直流汇【huì】流箱【xiāng】或交【jiāo】流配【pèi】电【diàn】柜损耗所导致，但是这部分损耗一般仅为【wéi】1~3%左右，还是解【jiě】释【shì】不了这么大【dà】的【de】能量损失【shī】。其实【shí】，站在整体系统的【de】角度考【kǎo】虑，“发电量损失【shī】”的根源正是【shì】“组件串联的木【mù】桶效应所导致的【de】失配损失”，木桶效应是光伏发电损失的罪魁祸首，这也是本文所要讨论的核心问题。
01
光伏组件的伏安特性
当前光伏发电市场的应用主流【liú】是【shì】晶【jīng】硅组件【jiàn】，包含多【duō】晶和单晶。薄膜【mó】电池可弯曲性【xìng】好【hǎo】、弱【ruò】光发电能力较强，但【dàn】相【xiàng】比较之下，晶硅【guī】组件性价比、能量密度【dù】更高及【jí】长期运行稳定性更好。所以，晶硅组件也成为本文【wén】的【de】主要讨论【lùn】对象。晶硅组【zǔ】件核心材料是量大价低的【de】半导体硅，主【zhǔ】要由电池片、焊【hàn】带、背【bèi】板、边框、及内含【hán】旁路二【èr】极管的接线盒等构成，如【rú】图1所示。
图1 晶硅光伏组件的外形图
光伏组件内部【bù】电池片的等效模型如图2所示，其【qí】中Rs为组件【jiàn】串联阻【zǔ】抗、Rsh为组【zǔ】件自身阻抗。光伏电池本质上是【shì】一个电流【liú】源，只是这个电源流【liú】被二【èr】极【jí】管限定电压至0.5~0.7V。由于【yú】晶硅【guī】组【zǔ】件内部由多个电【diàn】池片串联而【ér】成【chéng】，因此组【zǔ】件输出电压【yā】大约为30~42V。
图2 光伏组件内部电池片的等效模型
基于以上电池片【piàn】等【děng】效模【mó】型，可以【yǐ】得到以【yǐ】下光【guāng】伏电【diàn】流和电【diàn】压之间的数【shù】学函数关系式。根据高等数学的相关知识，从这个函数【shù】关系可以【yǐ】清楚看出，这两者之【zhī】间是【shì】一种非【fēi】线性关系。
光【guāng】照强度【dù】直接影响组【zǔ】件输出【chū】电【diàn】流，以sunpower黑【hēi】硅单【dān】晶组件为例，如图3所【suǒ】示(https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/data-sheets/ds-e18-series-225-solar-panel-datasheet.pdf)。光照【zhào】强度为200w/m2时，组件【jiàn】电流为1.2A;如果光照强度增大【dà】至1000w/m2时，组件电流相【xiàng】应增大至【zhì】6.0A，从而说明组件电【diàn】流与光照【zhào】强度成正比，反之亦【yì】然。
图3 光伏组件的伏安特性曲线
由图3也可看到一【yī】个有趣并且重要的【de】现象，即在【zài】标【biāo】准测试条件(STC)下，每种光【guāng】照【zhào】条件的【de】伏安特性曲线只有【yǒu】一个【gè】拐点，这个点就是光伏【fú】组件的最大功率点(MPP)。另外【wài】，如果STC中的环境温度由【yóu】25C增大至50C时，同种【zhǒng】光照【zhào】强度下组件电流基本【běn】无变化，但组件电压【yā】会降【jiàng】低，从【cóng】而说明环境温【wēn】度直接影响光伏组件输出电压。
图4清楚【chǔ】说明了【le】晶硅组件【jiàn】的温度特性：相对于25Cº标准测试条件，温度每升高1Cº，组件电流【liú】可增大【dà】0.067%，组件开路电压降低0.33%，组件最【zuì】大功率降【jiàng】低0.43%。从而温度对组件电【diàn】压影响较大，但对组件电流影响不大，基本可以忽略不计【jì】，因而温【wēn】度每升高1Cº，组件MPP电压降【jiàng】低0.43%。这里插个题外话，在组【zǔ】串中选择组【zǔ】件串【chuàn】联的个数时，需根据所选用的组【zǔ】件温度系数【shù】，仔细核算低温【wēn】下组串电【diàn】压不可超【chāo】过逆【nì】变【biàn】器的最大输入电【diàn】压【yā】。
图4 晶硅组件的温度特性
02
组件和组串的内部串联结构
经常【cháng】听到晶【jīng】硅【guī】组件60片、72片的说法，这个实际【jì】讲的是组件内部电池片串联的个数，每个电池片是一【yī】个【gè】独立的光伏电池单元。如图5所示，每20片或【huò】24片【piàn】光【guāng】伏电【diàn】池【chí】对应【yīng】一个子串，光伏组件由3个子串串联【lián】而【ér】成，每个子串两端反【fǎn】并联一个旁【páng】路二极管【guǎn】，旁【páng】路二极管可减【jiǎn】轻热斑效应。这3个子串的输出线及【jí】旁路二【èr】极【jí】管在组件【jiàn】接线盒中【zhōng】用【yòng】于电【diàn】气连接，再通过接线盒引出【chū】总的正负两根出线，也【yě】就是光伏组件日常附带的直流【liú】接头和电缆。
图4 晶硅组件内部的3个子串及其旁路二极管
以上【shàng】说【shuō】明了晶硅组件内部由3个【gè】子串串联而【ér】成，其实当前光伏发电【diàn】系统的光伏组串也是由多个组件串联而成，如图5所示。不管是集【jí】中式逆变器的直【zhí】流汇流【liú】箱、还是组串式逆变器的【de】直流【liú】输入端【duān】，都【dōu】会接【jiē】入光【guāng】伏组串，组串【chuàn】一般由【yóu】20~24个组件【jiàn】串联【lián】而【ér】成。所以，当前【qián】所有光伏发电本质【zhì】上都【dōu】是把【bǎ】多【duō】个电【diàn】池片串联使用，以生成【chéng】光伏组串【chuàn】的直流高压【yā】，便于逆变器【qì】实现并网【wǎng】交流发电。由初中物【wù】理知【zhī】识可知，电路中不允许多个【gè】电流源串联，否【fǒu】则总电流由最【zuì】小电流的电流源【yuán】决定【dìng】。另外在这里偷偷【tōu】说一句，几【jǐ】个【gè】组串并联也存在能量损【sǔn】失，由于线路阻抗的【de】存在，并联电压源【yuán】的总电【diàn】压【yā】由【yóu】最低电压的电压源决定。
图5 多个组件串联的组串式或集中式光伏发电系统
03
光伏组件的木桶效应
参考度娘百科，盛水的木桶【tǒng】是【shì】由多【duō】块【kuài】木板箍成【chéng】的，盛水量也【yě】是【shì】由这些木板共【gòng】同决定【dìng】的。若其中一块木板很短，则此木【mù】桶的盛水量就被限制【zhì】，该短板就【jiù】成了【le】这个木桶盛水【shuǐ】量的【de】“限制因素”(或【huò】称“短板效应”)，如图6所示。若要使此木桶盛【shèng】水量【liàng】增加，只有换掉短板或将【jiāng】其加长【zhǎng】才行。
图6 木桶效应示意图
一个水桶无论有多高【gāo】，盛水量取决于其【qí】中最短的【de】那【nà】块木【mù】板【bǎn】，人【rén】们把这一规律【lǜ】总结为“木桶原理【lǐ】”或“木桶效应”，又称“短【duǎn】板理【lǐ】论”。其【qí】核心内容为：一只水桶盛水【shuǐ】的多【duō】少【shǎo】，并不取决于桶【tǒng】壁上最长的那块木块，而恰恰【qià】取决于桶【tǒng】壁上【shàng】最短的那块。根【gēn】据这【zhè】一核心内容，“木桶效应”还有【yǒu】两个推论：其一，只有桶壁上的【de】所有木板都足【zú】够高，那水桶【tǒng】才【cái】能盛满水。其二，只要这【zhè】个水桶里有一【yī】块不够高度【dù】，水桶里的水就不可能是满的【de】。
为了让水桶尽量多装水，必须要找出薄弱环节(短板)，并且【qiě】改【gǎi】进该环节把这【zhè】个【gè】短木板加长【zhǎng】。命苦不【bú】能怨政府，幸福【fú】的家庭【tíng】是相似的，而不幸的家庭各有各的不幸。很不幸【xìng】光【guāng】伏【fú】组【zǔ】件串【chuàn】联或【huò】内【nèi】部串【chuàn】联子串都存在木桶【tǒng】效应，甚至可【kě】以说木桶效应已充【chōng】满光伏发电系统中。
由于组【zǔ】件【jiàn】内部串联子【zǐ】串或组【zǔ】串中多个组件串【chuàn】联的本质【zhì】特性相似【sì】，以下【xià】以【yǐ】组串为例说明。如图7所示【shì】，由3个光伏组【zǔ】件【jiàn】串联构成一个【gè】组串【chuàn】，每个组件电流【liú】相同【tóng】时，构成组串的总【zǒng】电流【liú】也相同【tóng】，实际【jì】上组串总电流等于每个组件电流。这种工作状况下【xià】，每个组件【jiàn】的MPP完全一致，当然这是一种非常【cháng】理想而实际中并不存在的情形。
图7 组件MPP一致情况下的组串电气特性
理【lǐ】想很丰满，现实太骨【gǔ】感。实际上，组【zǔ】串中每【měi】个组件MPP不可能【néng】完全一致【zhì】，如图8所示的第【dì】3个【gè】组件(PV3)由【yóu】于种【zhǒng】种原因MPP发生变【biàn】化，而【ér】第1、2个组件(PV1、2)仍然可实现【xiàn】MPP。这【zhè】种情况下如果这【zhè】3个组件仍然串联构成一【yī】个组【zǔ】串时，组串的总电流【liú】不【bú】可【kě】能达到理想数值，也不可能继续最大功率输出。组串最大输出功率受逆变器的MPPT算法【fǎ】限制，既可能工作于受电流【liú】源串联物理【lǐ】原的【de】影响而电流限制在PV3的【de】小MPP电流，也可【kě】能【néng】工作【zuò】于PV1、2近似最大功率点而PV3旁路二【èr】极【jí】管导通的【de】状态(即图8所【suǒ】示)。
图8 组件MPP不一致情况下的组串电气特性
04
木桶效应导致组件失配
上一节【jiē】提到，当组串中组件PV3的MPP变【biàn】小时，组串最大输出功率受逆变【biàn】器的【de】MPPT算【suàn】法限制，既可能工作于受电流源串【chuàn】联【lián】物理原的【de】影响而电流限制在PV3的【de】MPP，此时的直观【guān】状态是组【zǔ】串电压【yā】高而功率【lǜ】小;也可能工作于【yú】PV1、2近似最【zuì】大功率点而PV3旁【páng】路二极管导通的【de】状态，此【cǐ】时的直观【guān】状态【tài】是组【zǔ】串电压低而功率大。
为了清楚解释这个问题，先得从光伏逆变器的内部构造说起【qǐ】。所有类型的光伏逆【nì】变器的功率回路由组【zǔ】件或组串【chuàn】、输【shū】入开关、EMI滤【lǜ】波【bō】、逆变【biàn】电路、交流滤波、及输出【chū】开关构成，而信【xìn】号回【huí】路【lù】由交直流采样、驱动电路、LCD显示、及控制【zhì】构【gòu】成，如图9所示。
图9 光伏逆变器的内部构造
除了【le】实【shí】现直【zhí】流-交流功率变【biàn】换和并网控制外，逆变器【qì】的【de】关键功【gōng】能之一是MPPT跟踪，其目【mù】的是【shì】通过组串电压扰动找到组串【chuàn】的最大功率点。具体【tǐ】控制策略【luè】主【zhǔ】要使用爬山法、导【dǎo】纳法、神经网络等，当前【qián】产品化主要使用爬山法。这些【xiē】MPPT算法可以寻找到【dào】光【guāng】伏组串的最大功率【lǜ】点，但是【shì】无法找到每个组件的最大功率点，下面以【yǐ】图10中两个【gè】组件【jiàn】串联为例说明。
图10 两个组件串联构成的一个组串
这个组串由【yóu】两个组件串联构成，两个组件分别为I、II，使用第1节【jiē】的组件等效模型和数学函数【shù】关系【xì】式，两【liǎng】个组件MPP一致【zhì】时，组串电压分别与组【zǔ】串功【gōng】率、电流的【de】函数曲线只有一个转折点，也就是最大功率【lǜ】点【diǎn】;但第I个组件由于种种【zhǒng】原因MPP发生变化，而第II个【gè】组【zǔ】件仍然可实【shí】现MPP时，组【zǔ】串MPP点出现了双峰，如【rú】图11所示的A、B点。山【shān】峰太多平时看起来很壮观【guān】、很漂亮，但是【shì】一旦出现在组串上，逆变器的【de】MPPT算法【fǎ】就会搞晕，既可能呆在A点、也可【kě】能【néng】留恋B点。A点的电压【yā】低而【ér】功【gōng】率大，实质上是【shì】组件I的旁路【lù】二极管导通了，不【bú】然组件I将承【chéng】受【shòu】反向电压而发生热斑【bān】效【xiào】应而挂掉【diào】，这样【yàng】损失了组件I的输出功【gōng】率，因为其或多【duō】或少还是有输出【chū】功率【lǜ】的。而B点的电压高而功率【lǜ】小，实【shí】质上是【shì】组串电流等于组件I电流【liú】，而组件【jiàn】I电流【liú】远小于组【zǔ】件II，这样损失了组件【jiàn】II的部分功率。
图11 两个组件串联构成的组串电气特性
光伏逆变器的常规【guī】MPPT算【suàn】法是【shì】从组【zǔ】串的开路电压开始跟踪组串最【zuì】大功率，因此最有【yǒu】可能的是【shì】可【kě】以找到【dào】B点。近年来国外有【yǒu】些【xiē】老牌厂商【shāng】也提出了MPPT的多峰算法，有【yǒu】可能可以找【zhǎo】到A点，但【dàn】是【shì】这种多峰算法【fǎ】实际中很少使用。为什么呢【ne】?只因为MPPT速度太慢，很可能由于使用这【zhè】个算法【fǎ】而【ér】导致【zhì】更【gèng】多的光伏能量损失。
光【guāng】伏组【zǔ】件MPP变【biàn】小【xiǎo】的直接原【yuán】因【yīn】是【shì】遮挡，也就是组件的光照强度下降。图12所示为【wéi】单个电池片遮挡对组件功【gōng】率【lǜ】影响的【de】实验数【shù】据，如果单个电【diàn】池片的【de】遮挡【dǎng】面【miàn】积为25%，组件功【gōng】率损失为8.3%;如果电池片遮挡面积达到93.5%，组件功率损失为87.3%。这个木桶效应【yīng】的影响非常【cháng】大，因为组件内部存在60、或72个电【diàn】池片，结果显【xiǎn】示某个电池片被遮【zhē】挡，光伏【fú】组件基本已经没有功率【lǜ】输出【chū】，而这个电池遮【zhē】挡【dǎng】面积仅占整个组件的1.55%!
图12 单个电池片遮挡对组件功率的影响
图13所示为单个组件遮挡对【duì】组【zǔ】串【chuàn】功率影响的实验数据，如果单【dān】个【gè】组件【jiàn】的遮挡面积为25%，组【zǔ】串功率损失为12.21%。这个【gè】木【mù】桶效应【yīng】的影响非【fēi】常大，因【yīn】为这【zhè】个组【zǔ】串由20个组件串联构成【chéng】，而这个组件遮挡面【miàn】积仅【jǐn】占整个组串的1%!
图13 单个组件遮挡对组串功率的影响
木桶【tǒng】效应是光伏电池【chí】串联必须导致的【de】结果，但是从经济【jì】性考虑，组件串联【lián】提高直流电【diàn】压后才可降低电缆、逆变器【qì】等造价【jià】。
当【dāng】然创新是无止【zhǐ】境的，国外【wài】也有厂【chǎng】商把晶硅组【zǔ】件采用了类【lèi】似碲【dì】化镉薄膜组件技术，把组件内部的电【diàn】池【chí】片做成【chéng】矩阵式结【jié】构，如图14所示。但【dàn】是这种电池【chí】片矩阵式结构虽然消除了电池片【piàn】级的木桶效应，但是并没有改【gǎi】变组【zǔ】件串【chuàn】联构【gòu】成组串的悲催现【xiàn】实，这样光伏组串【chuàn】仍然存在【zài】木桶效应而导致组件失配的能量【liàng】损失。除非【fēi】把组【zǔ】件串【chuàn】联改成并联结构，这样直【zhí】流母线电压将会【huì】很低，可以完全消除【chú】传统光伏系统【tǒng】的木桶效应问题，但会【huì】导致【zhì】电缆、逆变器的损【sǔn】耗增大、造价增【zēng】加【jiā】。在这里【lǐ】呼吁一下【xià】愿【yuàn】意制造这种矩阵式电池片的组件厂，茂【mào】硕电气配合研发【fā】低压逆变【biàn】器，我【wǒ】们在深圳等您【nín】。
另外，SNEC2017上看到有的【de】组件【jiàn】厂推出【chū】了半片技术，有的【de】也推出了【le】每个电池片反【fǎn】向【xiàng】并【bìng】联旁【páng】路二极管技术，半片技术、更多旁路【lù】二极管在一定程度上可以减轻木【mù】桶效应，只是要【yào】评估价格【gé】的增加【jiā】幅度。
图14 矩阵式电池片结构的组件并联系统
05
导致木桶效应的根本原因
导致木桶效应的根本原因基本上可以分为两类：
一个是因为组件本身原因
另一个是使用组件的外部环境
一般人比较关注光伏组【zǔ】件【jiàn】的衰减和【hé】老化及制造过程的离散性，比如很多【duō】组件厂承【chéng】诺头两年【nián】衰【shuāi】减【jiǎn】不超过2%，10年内不超过10%，25年不超过20%。但是据统计【jì】，头两【liǎng】年【nián】衰【shuāi】减在【zài】2%以【yǐ】内的光【guāng】伏组件基本很少。
另【lìng】外，标称功【gōng】率偏差也是光伏组件【jiàn】的一个重要参【cān】数，一【yī】般±3%以内是可以接受的，当【dāng】然大厂做得更好也【yě】更【gèng】有担当，只有正偏差而没负【fù】偏差。这个【gè】参【cān】数也说明，虽然组件的标称【chēng】参数相同【tóng】，但【dàn】实际上输出功率【lǜ】曲线却有差异【yì】。但是更重要的是，每个电池片、组件【jiàn】的衰【shuāi】减速度、老【lǎo】化程度及【jí】功率偏差不可能完【wán】全相同，因此【cǐ】这样的电池片串【chuàn】联构成组件、这样【yàng】的组件串联构成组【zǔ】串必【bì】然存在木桶效【xiào】应【yīng】。比如，60个电池片串联时，其中某个电池片提【tí】前老化了，那么就【jiù】会造成整个组件的功率失配损失;20个组件【jiàn】串联时，其中某个组件【jiàn】功率是负偏差【chà】，虽然其他【tā】组件功率【lǜ】都【dōu】是正偏差，这样也会造【zào】成整个组串的功率失配【pèi】损失。
与组件本身【shēn】原因相比【bǐ】较，使用组件的外部环【huán】境更加复【fù】杂，并且更容易导致木桶效应，而光伏电【diàn】池串联系统容易发【fā】生木桶效应【yīng】，其直接原因【yīn】是组件内部每个【gè】电池片、或【huò】组串【chuàn】内【nèi】部每个【gè】组件的光照不均匀导致的输出功率不相同。如图【tú】15所【suǒ】示，存【cún】在【zài】太多的外【wài】部环境容易【yì】使电池片【piàn】、或【huò】组件【jiàn】之【zhī】间【jiān】的光照不【bú】均匀，比如屋顶发电【diàn】的女儿【ér】墙对电池片、组件的部分遮【zhē】挡;地【dì】面电站【zhàn】前后排组串的阴影【yǐng】;光伏【fú】组件表【biǎo】面的灰尘、积【jī】雪、脏污【wū】不一致;地面电【diàn】站组件旁边的杂草;光【guāng】伏【fú】组件的倾角不一致;组件老化不均匀;同一处【chù】光【guāng】伏电站所使用【yòng】的组件温【wēn】度还有可能【néng】不一【yī】样;当然天上的朵朵白云也导【dǎo】致组件光照不一致【zhì】。
图15 导致木桶效应的外部环境
因此【cǐ】，导致木桶【tǒng】效应的部分【fèn】原因是可以解决的【de】，比如阴影、杂草【cǎo】遮挡等，甚【shèn】至现在【zài】组【zǔ】件出厂【chǎng】时还可以分级筛选，把性能相近的【de】组件归到【dào】同一组串，但是这种措施没考【kǎo】虑到几年后组件的不【bú】均匀老【lǎo】化问题。但是，更多导【dǎo】致木桶效应的原因【yīn】却难【nán】以解决，比如人们还控制不了【le】云彩，也不可能【néng】让灰尘【chén】和【hé】积雪完全一致【zhì】，更关键的是无法达【dá】到相同的组【zǔ】件【jiàn】衰减率。
06
总结
为什【shí】么一再旗帜鲜明地不看好当前1500Vdc光伏系统【tǒng】呢【ne】，原因是没改变组件内部的电【diàn】池片串联结构，主要【yào】是【shì】1500Vdc组串中组件串联的【de】数量【liàng】更多了，进一步提【tí】高了【le】木桶效应【yīng】出现【xiàn】的机率，并且组串【chuàn】MPP点出现【xiàn】山峰更多，从而木【mù】桶效应变得更【gèng】加【jiā】严重。
汇总全文内容，其实归根结底就是以下几句话：
1)、光伏组件由多个电池片串联构成，组件内部存在木桶效应;
2)、光伏组串由多个组件串联构成，组串内部存在木桶效应;
3)、造成【chéng】光【guāng】伏木桶【tǒng】效的根因部分容易【yì】处理，而更多的外部因【yīn】素无法解决;
4)、矩阵【zhèn】化电【diàn】池片的组件并联技【jì】术【shù】可消除木桶效应，但需评估效【xiào】率和成【chéng】本;
5)、电池半片、更【gèng】多旁【páng】路二极管可减轻木桶效【xiào】应，但需评估成本和工艺;
木桶效应所导致的组【zǔ】件失配会造【zào】成发电收益【yì】降【jiàng】低，并【bìng】且【qiě】降低的【de】幅度高达18~24%。本来组件【jiàn】的光【guāng】电转换【huàn】效率已经够低了，就这么低【dī】的直流电【diàn】力还不能实现全【quán】部的并【bìng】网发电，即使逆变器转换效率高达98、99%也是枉然。
从根本【běn】上说，木桶效【xiào】应【yīng】的本质是低的组【zǔ】件利用【yòng】率，而组件【jiàn】利用率既【jì】不是组件厂的技术【shù】范畴，传【chuán】统逆变器公【gōng】司也是【shì】无能【néng】为【wéi】力，可以说还是一个空白区。为【wéi】了提高组【zǔ】件利用率、消除木桶效率，优【yōu】化器、微逆是其中切实可行的改进措施，并且【qiě】这个是咱【zán】们电力电子人可以做的事【shì】情，也是【shì】本系列【liè】后续重【chóng】点讨论的内容【róng】。
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