一种四端子叠层光伏组件及其功率智控器、光伏系统及功率智控方法与流程

本发明涉及光伏发电，尤其涉及一种四端子叠层光伏组件及其功率智控器、光伏系统及功率智控方法。

背景技术：

1、钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池通过宽带隙顶电池与窄带隙底电池的光谱互补特性，可突破单结晶硅电池26.1%的理论效率极限，目前实验室认证效率已突破33%，是下一代光伏技术的核心产业化路线。

2、四端子结构是钙钛矿/晶硅叠层电池的主流产业化结构之一，其将顶电池与底电池在电学上完全解耦，各自拥有独立的电流回路与输出端子，无需子电池间电流严格匹配，工艺兼容性强、量产良率高，更适合规模化推广应用。

3、但现有四端子钙钛矿/晶硅叠层光伏系统存在无法解决的核心痛点：每个四端子组件具有4个输出端子，现有工程应用方案主要分为两类：

4、第一类是采用双路mppt逆变器，每个组件的顶电池、底电池输出分别接入逆变器的两路独立mppt通道，该方案导致逆变器功率变换通道、直流线缆、连接器数量翻倍，系统初始成本大幅提升，现场接线与后期运维复杂度显著增加；

5、第二类是将所有组件的顶电池串联为第一组串、底电池串联为第二组串，分别接入两台独立的单路mppt逆变器，该方案不仅线缆与功率设备成本翻倍，还存在顶、底电池组串间辐照、温度失配导致的大幅发电量损失，且无法实现组件级的子电池mppt优化，无法发挥四端子结构的核心优势。

6、此外，由于底电池经多片电池片串联后的典型最大功率点电压（vmpp）为30v~50v，而顶电池可通过宽带隙设计与多子电池串联结构，其vmpp范围可达50v~250v，二者工作电压差异显著，顶电池电压最高可超出晶硅底电池5倍以上，若将两组输出直接并联会产生严重的电压失配，导致80%以上的功率损失，无法直接应用于常规光伏系统。

7、目前现有技术尚未提出有效的解决方案，如何在保留四端子结构子电池独立mppt核心优势的前提下，将四端子组件转换为完全兼容常规光伏系统的两端子组件，实现单路组串输出，大幅降低系统复杂度与成本，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种四端子叠层光伏组件及其功率智控器、光伏系统及功率智控方法，解决现有技术中四端子结构叠层光伏组件系统成本高、接线复杂、电压失配严重、无法兼容常规光伏系统的问题，同时保留子电池独立mppt的核心优势，优化叠层光伏组件输出功率。

2、为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供一种技术方案，如下：一种用于四端子叠层光伏组件的功率智控器，包括：升压型功率变换单元，其输入端用于与所述光伏组件的底电池连接，内置第一mppt控制单元，用于独立跟踪所述底电池的最大功率点并执行升压变换；降压型功率变换单元，其输入端用于与所述光伏组件的顶电池连接，内置第二mppt控制单元，用于独立跟踪所述顶电池的最大功率点并执行降压变换；所述升压型功率变换单元的输出端与所述降压型功率变换单元的输出端并联，形成所述功率智控器的总输出端；所述升压型功率变换单元与所述降压型功率变换单元的输出电压工作范围存在连续重叠区间；所述功率智控器运行时，所述升压型功率变换单元和降压型功率变换单元分别对各自输入侧执行mppt控制，输出侧采用电压跟随模式，使输出电压在所述重叠区间内随外部串联回路的工作电压自适应调整。

3、进一步，所述升压型功率变换单元采用boost拓扑，所述降压型功率变换单元采用buck拓扑。

4、进一步，所述升压型功率变换单元的输出正极串联有第一防反二极管，所述降压型功率变换单元的输出正极串联有第二防反二极管； 所述第一防反二极管的阴极与所述第二防反二极管的阴极并联，形成所述功率智控器的总输出端的正极。

5、进一步，所述升压型功率变换单元的输出负极与所述降压型功率变换单元的输出负极并联，形成所述总输出端的负极。

6、进一步，所述第一防反二极管、第二防反二极管为肖特基二极管、碳化硅肖特基二极管、理想二极管中的任一种。

7、进一步，所述升压型功率变换单元的输出电压工作范围为30v~170v，所述降压型功率变换单元的输出电压工作范围为30v~170v。

8、为解决上述技术问题，本发明还提供一种四端子叠层光伏组件，包括：顶电池，具有独立的第一正极和第一负极；底电池，具有独立的第二正极和第二负极；以及如权利要求1至6中任一项所述的功率智控器；所述底电池的最大功率点电压低于所述顶电池的最大功率点电压；所述功率智控器的升压型功率变换单元的输入端与所述第二正极、第二负极电连接，所述功率智控器的降压型功率变换单元的输入端与所述第一正极、第一负极电连接；所述功率智控器的总输出端的正极和总输出端的负极作为所述光伏组件的两个外接端子。

9、进一步，在所述总输出端的正极与总输出端的负极之间并联有旁路二极管，所述旁路二极管的阴极与总输出端的正极连接，阳极与总输出端的负极连接。

10、进一步，所述功率智控器集成于所述四端子叠层光伏组件的接线盒内，所述接线盒仅引出所述总输出端的正极和总输出端的负极对应的两个外接端子。

11、为解决上述技术问题，一种叠层光伏系统，包括多个如上所述的四端子叠层光伏组件，多个所述叠层光伏组件通过所述两个外接端子依次串联，构成光伏组串；组串式逆变器，其直流输入端与所述光伏组串的两端电连接，所述组串式逆变器内置组串级mppt控制单元。

12、为解决上述技术问题，一种叠层光伏功率智控方法，应用于包含多个四端子叠层光伏组件串联形成的系统，每个所述四端子叠层光伏组件均具有底电池和顶电池，且所述底电池的最大功率点电压低于所述顶电池的最大功率点电压，包括：通过升压型变换器对所述底电池的输出进行升压变换，并独立执行最大功率点跟踪；通过降压型变换器对所述顶电池的输出进行降压变换，并独立执行最大功率点跟踪；将所述升压型变换器的输出端与所述降压型变换器的输出端并联，形成单路两端子直流输出；控制所述升压型变换器和降压型变换器的输出侧均处于电压跟随模式，使其输出电压在预设的连续重叠区间内随所述多个四端子叠层光伏组件串联回路的工作电压自适应调整。

13、进一步，所述升压型功率变换器和降压型功率变换器均以各自输入端的电压、电流采样信号作为最大功率点追踪控制环路的反馈输入，其输出端的电压不参与控制环路运算。

14、本发明所提供的四端子叠层光伏组件及其功率智控器、光伏系统及功率智控方法，相对于现有技术而言，针对叠层光伏组件底电池（如晶硅底电池）和顶电池（如钙钛矿顶电池）中电压差异较大的固有特性，通过升压型功率变换单元和降压型变换单元的设置，输出电压连续重叠区间工作范围的设置，以及在输入层执行mppt算法，在输出侧执行电压跟随的设置，使原本无法直接并联的两路输出具备并联条件，从而有效克服了现有技术中因电压不匹配而损失输出功率的缺陷；两路功率变换单元各自只对输入侧执行mppt跟踪，同时输出侧采用电压跟随，不主动设定电压，自适应串联回路浮动电压，使得顶电池和底电池在宽辐照度、宽温度范围、局部遮挡等复杂工况下均可独立工作在各自绝对最大功率点，有效提升了系统的稳定性以及光电转换效率；功率智控器通过内部并联将两路输出合并为单路总输出，配合输出侧电压的重叠区间与电压跟随，使得该功率智控器控制的光伏组件在电气特性上等同于常规两端子光伏器件，可直接替代现有电站中的常规组件，无需更换逆变器、线缆和连接器，大幅降低系统改造成本。特别是，通过两路功率变换单元的输出正极各串联防反二极管后阴极并联，功率变换单元的负极直接并联的设置，利用防反二极管单向导电性，可避免两路功率智控器因输出电压瞬时差异产生的环流，提升并联输出的可靠性。通过四端子叠层光伏组件中功率智控器的总输出端的正极与总输出端的负极之间并联旁路二极管的设计，当顶电池或者底电池因局部遮挡、故障等原因导致输出能力下降时，旁路二极管可为四端子叠层光伏组件电流提供低损耗导通路径，避免异常顶电池或底电池被反向击穿，同时保证四端子叠层光伏组件其余部件正常工作，提升系统的安全性和可用率。