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。所有类型的光伏逆变器的功率回路由组件或组串、输入开关、EMI滤波、逆变电路、交流滤波、及输出开关构成，而信号回路由交直流采样、驱动电路、LCD显示、及控制构成，如图9所示。

除了实现直流－交流功率变换和并网控制外，逆变器的关键功能之一是MPPT跟踪，其目的是通过组串电压扰动找到组串的最大功率点。具体控制策略主要使用爬山法、导纳法、神经网络等，当前产品化主要使用爬山法。这些MPPT算法可以寻找到光伏组串的最大功率点，但是无法找到每个组件的最大功率点，下面以图10中两个组件串联为例说明。

图10 两个组件串联构成的一个组串

这个组串由两个组件串联构成，两个组件分别为I、II，使用第1节的组件等效模型和数学函数关系式，两个组件MPP一致时，组串电压分别与组串功率、电流的函数曲线只有一个转折点，也就是最大功率点；但第I个组件由于种种原因MPP发生变化，而第II个组件仍然可实现MPP时，组串MPP点出现了双峰，如图11所示的A、B点。山峰太多平时看起来很壮观、很漂亮，但是一旦出现在组串上，逆变器的MPPT算法就会搞晕，既可能呆在A点、也可能留恋B点。A点的电压低而功率大，实质上是组件I的旁路二极管导通了，不然组件I将承受反向电压而发生热斑效应而挂掉，这样损失了组件I的输出功率，因为其或多或少还是有输出功率的。而B点的电压高而功率小，实质上是组串电流等于组件I电流，而组件I电流远小于组件II，这样损失了组件II的部分功率。

光伏逆变器的常规MPPT算法是从组串的开路电压开始跟踪组串最大功率，因此最有可能的是可以找到B点。近年来国外有些老牌厂商也提出了MPPT的多峰算法，有可能可以找到A点，但是这种多峰算法实际中很少使用。为什么呢？只因为MPPT速度太慢，很可能由于使用这个算法而导致更多的光伏能量损失。

光伏组件MPP变小的直接原因是遮挡，也就是组件的光照强度下降。图12所示为单个电池片遮挡对组件功率影响的实验数据，如果单个电池片的遮挡面积为25％，组件功率损失为8．3％；如果电池片遮挡面积达到93．5％，组件功率损失为87．3％。这个木桶效应的影响非常大，因为组件内部存在60、或72个电池片，结果显示某个电池片被遮挡，光伏组件基本已经没有功率输出，而这个电池遮挡面积仅占整个组件的1．55％！

图13所示为单个组件遮挡对组串功率影响的实验数据，如果单个组件的遮挡面积为25％，组串功率损失为12．21％。这个木桶效应的影响非常大，因为这个组串由20个组件串联构成，而这个组件遮挡面积仅占整个组串的1％！

木桶效应是光伏电池串联必须导致的结果，但是从经济性考虑，组件串联提高直流电压后才可降低电缆、逆变器等造价。

当然创新是无止境的，国外也有厂商把晶硅组件采用了类似碲化镉薄膜组件技术，把组件内部的电池片做成矩阵式结构，如图14所示。但是这种电池片矩阵式结构虽然消除了电池片级的木桶效应，但是并没有改变组件串联构成组串的悲催现实，这样光伏组串仍然存在木桶效应而导致组件失配的能量损失。除非把组件串联改成并联结构，这样直流母线电压将会很低，可以完全消除传统光伏系统的木桶效应问题，但会导致电缆、逆变器的损耗增大、造价增加。在这里呼吁一下愿意制造这种矩阵式电池片的组件厂，茂硕电气配合研发低压逆变器，我们在深圳等您。

另外，SNEC2017上看到有的组件厂推出了半片技术，有的也推出了每个电池片反向并联旁路二极管技术，半片技术、更多旁路二极管在一定程度上可以减轻木桶效应，只是要评估价格的增加幅度。

5、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件的衰减和老化及制造过程的离散性，比如很多组件厂承诺头两年衰减不超过2％，10年内不超过10％，25年不超过20％。但是据统计，头两年衰减在2％以内的光伏组件基本很少。

另外，标称功率偏差也是光伏组件的一个重要参数，一般±3％以内是可以接受的，当然大厂做得更好也更有担当，只有正偏差而没负偏差。这个参数也说明，虽然组件的标称参数相同，但实际上输出功率曲线却有差异。但是更重要的是，每个电池片、组件的衰减速度、老化程度及功率偏差不可能完全相同，因此这样的电池片串联构成组件、这样的组件串联构成组串必然存在木桶效应。比如，60个电池片串联时，其中某个电池片提前老化了，那么就会造成整个组件的功率失配损失；20个组件串联时，其中某个组件功率是负偏差，虽然其他组件功率都是正偏差，这样也会造成整个组串的功率失配损失。

与组件本身原因相比较，使用组件的外部环境更加复杂，并且更容易导致木桶效应，而光伏电池串联系统容易发生木桶效应，其直接原因是组件内部每个电池片、或组串内部每个组件的光照不均匀导致的输出功率不相同。如图15所示，存在太多的外部环境容易使电池片、或组件之间的光照不均匀，比如屋顶发电的女儿墙对电池片、组件的部分遮挡；地面电站前后排组串的阴影；光伏组件表面的灰尘、积雪、脏污不一致；地面电站组件旁边的杂草；光伏组件的倾角不一致；组件老化不均匀；同一处光伏电站所使用的组件温度还有可能不一样；当然天上的朵朵白云也导致组件光照不一致。

因此，导致木桶效应的部分原因是可以解决的，比如阴影、杂草遮挡等，甚至现在组件出厂时还可以分级筛选，把性能相近的组件归到同一组串，但是这种措施没考虑到几年后组件的不均匀老化问题。但是，更多导致木桶效应的原因却难以解决，比如人们还控制不了云彩，也不可能让灰尘和积雪完全一致，更关键的是无法达到相同的组件衰减率。

6、总结

为什么一再旗帜鲜明地不看好当前1500Vdc光伏系统呢，原因是没改变组件内部的电池片串联结构，主要是1500Vdc组串中组件串联的数量更多了，进一步提高了木桶效应出现的机率，并且组串MPP点出现山峰更多，从而木桶效应变得更加严重。

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）造成光伏木桶效的根因部分容易处理，而更多的外部因素无法解决；

（4）矩阵化电池片的组件并联技术可消除木桶效应，但需评估效率和成本；

（5）电池半片、更多旁路二极管可减轻木桶效应，但需评估成本和工艺；

木桶效应所导致的组件失配会造成发电收益降低，并且降低的幅度高达18～24％。本来组件的光电转换效率已经够低了，就这么低的直流电力还不能实现全部的并网发电，即使逆变器转换效率高达98、99％也是枉然。

从根本上说，木桶效应的本质是低的组件利用率，而组件利用率既不是组件厂的技术范畴，传统逆变器公司也是无能为力，可以说还是一个空白区。为了提高组件利用率、消除木桶效率，优化器、微逆是其中切实可行的改进措施，并且这个是咱们电力电子人可以做的事情，也是本系列后续重点讨论的内容。

作者：胡炎申