基于微型逆變器的太陽(yáng)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于優(yōu)化太陽(yáng)能系統(tǒng)的效率和可靠性而言，一種較新的手段是采用連接到每個(gè)太陽(yáng)能板上的微型逆變器(micro-inverter)。為每塊太陽(yáng)能面板配備單獨(dú)的微型逆變器使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷和天氣條件，從而能夠?yàn)閱螇K面板和整個(gè)系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。

　　微型逆變器架構(gòu)還可簡(jiǎn)化布線，這也就意味著更低的安裝成本。通過(guò)使消費(fèi)者的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)更有效率，系統(tǒng)“收回”采用太陽(yáng)能技術(shù)的最初投資所需的時(shí)間會(huì)縮短。

　　電源逆變器是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵電子組件。在商業(yè)應(yīng)用中，這些組件連接光伏(PV)面板、儲(chǔ)存電能的電池以及本地電力分配系統(tǒng)或公用事業(yè)電網(wǎng)。圖1顯示的是一個(gè)典型的太陽(yáng)能逆變器，它把來(lái)自光伏陣列輸出的極低的直流電壓轉(zhuǎn)換成電池直流電壓、交流線路電壓和配電網(wǎng)電壓等若干種電壓。

　　在一個(gè)典型的太陽(yáng)能采集系統(tǒng)中，多個(gè)太陽(yáng)能板并聯(lián)到一個(gè)逆變器，該逆變器將來(lái)自多個(gè)光伏電池的可變直流輸出轉(zhuǎn)換成干凈的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

　　此外，還應(yīng)該指出的是，圖1中的微控制器(MCU)模塊TMS320C2000或MSP430通常包含諸如脈寬調(diào)制(PWM)模塊和A/D轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵的片上外設(shè)。

　　圖1：傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)包含一個(gè)太陽(yáng)能逆變器，它從PV陣列接收低DC輸出電壓并產(chǎn)生AC線路電壓。

　　設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是盡可能提高轉(zhuǎn)換效率。這是一個(gè)復(fù)雜且需反復(fù)的過(guò)程，它涉及最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)以及執(zhí)行相關(guān)算法的實(shí)時(shí)控制器。

　　最大化電源轉(zhuǎn)換效率

　　未采用MPPT算法的逆變器簡(jiǎn)單地將光伏模塊與電池直接連接起來(lái)，迫使光伏模塊工作在電池電壓。幾乎無(wú)一例外的是，電池電壓不是采集最多可用太陽(yáng)能的理想值。

　　圖2說(shuō)明了典型的75W光伏模塊在25℃電池溫度下的傳統(tǒng)電流/電壓特性。虛線表示的是電壓(PV VOLTS)與功率(PV WATTS)之比。實(shí)線表示的是電壓與電流(PV AMPS)之比。如圖2所示，在12V時(shí)，輸出功率大約為53W。換句話說(shuō)，通過(guò)將光伏模塊強(qiáng)制工作在12V，輸出功率被限制在約53W。

　　但采用MPPT算法后，情況發(fā)生了根本變化。在本例中，模塊能實(shí)現(xiàn)最大輸出功率的電壓是17V。因此，MPPT算法的職責(zé)是使模塊工作在17V，這樣一來(lái)，無(wú)論電池電壓是多少，都能從模塊獲取全部75W的功率。

　　高效DC/DC電源轉(zhuǎn)換器將控制器輸入端的17V電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器將電壓從17V降至12V，本例中，支持MPPT功能的系統(tǒng)內(nèi)電池充電電流是：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE，或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

　　假設(shè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率是100％，則充電電流將增加1.85A(或42％)。

　　雖然本例假設(shè)逆變器處理的是來(lái)自單個(gè)太陽(yáng)能面板的能量，但傳統(tǒng)系統(tǒng)通常是一個(gè)逆變器連接多個(gè)面板。取決于應(yīng)用的不同，這種拓?fù)浼扔袃?yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。

　　MPPT算法

　　主要有三種類型的MPPT算法：擾動(dòng)-觀察法、電導(dǎo)增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常稱為“爬山”法，因?yàn)樗鼈兓谌缦率聦?shí)：在MPP的左側(cè)，曲線呈上升趨勢(shì)(dP/dV>0)，而在MPP右側(cè)，曲線下降(dP/dV <0)。

　　擾動(dòng)-觀察(P＆O)法是最常用的。該算法按給定方向擾動(dòng)工作電壓并采樣dP/dV。如果dP/dV為正，算法就“明白”它剛才是在朝著MPP調(diào)整電壓。然后，它將一直朝這個(gè)方向調(diào)整電壓，直到dP/dV變負(fù)。

　　P＆O算法很容易實(shí)現(xiàn)，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，它們有時(shí)會(huì)在MPP附近產(chǎn)生振蕩。而且它們的響應(yīng)速度也慢，甚至在迅速變化的氣候條件下還有可能把方向搞反。

　　電導(dǎo)增量(INC)法使用光伏陣列的電導(dǎo)增量dI/dV來(lái)計(jì)算dP/dV的正負(fù)。INC能比P＆O更準(zhǔn)確地跟蹤迅速變化的光輻照狀況。但與P&O一樣，它也可能產(chǎn)生振蕩并被迅速變化的大氣條件所“蒙騙”。其另一個(gè)缺點(diǎn)是，增加的復(fù)雜性會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間并降低采樣頻率。

　　第三種方法“恒壓法”則基于如下事實(shí)：一般來(lái)說(shuō)，VMPP/VOC≈0.76。該方法的問(wèn)題來(lái)源于它需要瞬間把光伏陣列的電流調(diào)為0以測(cè)量陣列的開(kāi)路電壓。然后，再將陣列的工作電壓設(shè)置為該測(cè)定值的76％。但在陣列斷開(kāi)期間，可用能量被浪費(fèi)掉了。人們還發(fā)現(xiàn)，雖然開(kāi)路電壓的76％是個(gè)很好的近似值，但也并非總是與MPP一致。

　　由于沒(méi)有一個(gè)MPPT算法可以成功地滿足所有常見(jiàn)的使用環(huán)境要求，許多設(shè)計(jì)工程師會(huì)讓系統(tǒng)先*估環(huán)境條件再選擇最適合當(dāng)時(shí)環(huán)境條件的算法。事實(shí)上，有許多MPPT算法可用，太陽(yáng)能面板制造商提供他們自己算法的情況也屢見(jiàn)不鮮。

　　對(duì)廉價(jià)控制器來(lái)說(shuō)，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡猓瑘?zhí)行MPPT算法絕非易事，該算法需要這些控制器具有高超的計(jì)算能力。諸如德州儀器C2000平臺(tái)系列的先進(jìn)32位實(shí)時(shí)微控制器就適合于各種太陽(yáng)能應(yīng)用。

　　電源逆變器

　　使用單個(gè)逆變器有許多好處，其中最突出的是簡(jiǎn)單和低成本。采用MPPT算法和其它技術(shù)提高了單逆變器系統(tǒng)的效率，但這只是在一定程度上。根據(jù)應(yīng)用的不同，單個(gè)逆變器拓?fù)涞娜秉c(diǎn)會(huì)很明顯。最突出的是可靠性問(wèn)題：只要這個(gè)逆變器發(fā)生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有面板產(chǎn)生的能量都浪費(fèi)掉了。

　　即使逆變器工作正常，單逆變器拓?fù)湟部赡軐?duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在大多數(shù)情況下，為達(dá)到最高效率，每個(gè)太陽(yáng)能電池板都有不同的控制要求。決定各面板效率的因素有：面板內(nèi)所含光伏電池組件的制造差異、不同的環(huán)境溫度、陰影和方位造成的不同光照強(qiáng)度(接收到的太陽(yáng)原始能量)。

　　與整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)逆變器相比，為系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)太陽(yáng)能電池板都配備一個(gè)微型逆變器會(huì)再次提升整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓?fù)涞闹饕锰幨?，即便其中一個(gè)逆變器出現(xiàn)故障，能量轉(zhuǎn)換仍能進(jìn)行。

　　采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調(diào)整每個(gè)太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于云朵、陰影和背陰會(huì)改變每個(gè)面板的輸出，為每個(gè)面板配備獨(dú)有的微型逆變器就允許系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的負(fù)載情況。這為各面板及整個(gè)系統(tǒng)都提供了最佳轉(zhuǎn)換效率。

　　微型逆變器架構(gòu)要求每個(gè)面板都有一個(gè)專用MCU來(lái)管理能源轉(zhuǎn)換。不過(guò)，這些附加的MCU也可被用來(lái)改善系統(tǒng)和面板的監(jiān)測(cè)。

　　例如，大型的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)就受益于面板間的通信以幫助保持負(fù)載平衡并允許系統(tǒng)管理員事先計(jì)劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過(guò)，為充分利用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的好處，MCU必須集成片上通信外圍設(shè)備(CAN、SPI、UART等)以便簡(jiǎn)化與太陽(yáng)能陣列內(nèi)其它微型逆變器的接口。[!--empirenews.page--]
在許多應(yīng)用中，使用微型逆變器拓?fù)淇梢燥@著提高系統(tǒng)整體效率。在面板級(jí)，效率有望提升30％。但由于各應(yīng)用差異很大，系統(tǒng)級(jí)改善的“平均”百分比并沒(méi)多大意義。

　　應(yīng)用分析

　　當(dāng)*估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價(jià)值時(shí)，應(yīng)從幾個(gè)方面考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在小型應(yīng)用中，各面板有可能面臨基本相同的光照、溫度和陰影等條件。因此，微型逆變器在提升效率方面作用有限。

　　為使各面板工作在不同電壓以獲得最高能效，要求采用DC/DC轉(zhuǎn)換器使各面板的輸出電壓統(tǒng)一于儲(chǔ)能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也可被整合進(jìn)該模塊。

　　太陽(yáng)能面板必須要互相通信，這會(huì)增加導(dǎo)線和復(fù)雜性。這是對(duì)在模塊中包含進(jìn)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽(yáng)能電池板的另一個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)。

　　每個(gè)逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來(lái)運(yùn)行多個(gè)MPPT算法以適應(yīng)不同的操作環(huán)境。

　　采用多個(gè)MCU會(huì)加大整體系統(tǒng)的材料成本。

　　每當(dāng)考慮改變架構(gòu)時(shí)都會(huì)關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價(jià)格目標(biāo)，為每個(gè)面板都配備一個(gè)控制器意味著該控制器的成本必須要有競(jìng)爭(zhēng)力、外形較小，但仍能同時(shí)處理所有的控制、通信和計(jì)算任務(wù)。

　　片上集成恰當(dāng)?shù)目刂仆庠O(shè)以及高模擬集成度是保證系統(tǒng)低成本的兩個(gè)基本要素。為執(zhí)行針對(duì)優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲(chǔ)各環(huán)節(jié)中的效率所開(kāi)發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

　　使用除可滿足微型逆變器本身要求之外，還可處理包括AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/DC轉(zhuǎn)換以及面板間通訊等整個(gè)系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個(gè)MCU所導(dǎo)致的成本增加。

　　MCU特性

　　仔細(xì)權(quán)衡這些高層次要求是確定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，當(dāng)并聯(lián)面板時(shí)需要負(fù)載平衡控制。所選MCU必須能檢測(cè)負(fù)載電流以及能通過(guò)開(kāi)/關(guān)輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個(gè)高速片上ADC來(lái)采樣電壓和電流。

　　微型逆變器設(shè)計(jì)沒(méi)有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)計(jì)者必須有能力和創(chuàng)新精神采用新技巧、新技術(shù)，特別是在面板間和系統(tǒng)間的通信方面。最合適的MCU應(yīng)支持各種協(xié)議，包括一些平常不會(huì)想到的如電力線通訊(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線通訊，因不再需專門(mén)的通信線路，所以可降低系統(tǒng)成本。但這需要MCU內(nèi)置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

　　對(duì)于針對(duì)太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用所設(shè)計(jì)的MCU，一個(gè)意想不到但極具價(jià)值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時(shí)鐘故障檢測(cè)以提高可靠性。能夠同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的能力也有助于減少太陽(yáng)能電池板安裝時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。

　　由于在太陽(yáng)能微型逆變器設(shè)計(jì)中凝聚了如此多的創(chuàng)新，對(duì)MCU來(lái)說(shuō)，其最重要的特性也許就是軟件編程能力了。該特性使得在電源電路設(shè)計(jì)和控制中擁有最高的靈活性。

　　C2000微控制器配備了可高效處理算法運(yùn)算的先進(jìn)數(shù)字運(yùn)算處理內(nèi)核以及用于能量轉(zhuǎn)換控制的片上外設(shè)集，已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板逆變器拓?fù)渲小Ｐ峦瞥龅腜iccolo系列C2000系列微控制器是經(jīng)濟(jì)款，該系列的最小封裝只有38個(gè)引腳，但其架構(gòu)更先進(jìn)、外設(shè)也得到增強(qiáng)，從而可把32位實(shí)時(shí)控制的好處帶給要求低總體系統(tǒng)成本的微型逆變器等應(yīng)用。

　　此外，Piccolo MCU系列的各款產(chǎn)品都集成了兩個(gè)用于時(shí)鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復(fù)位和掉電保護(hù)的片上VREG、多個(gè)高分辨率150ps的PWM、一個(gè)12位4.6兆次采樣/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信協(xié)議接口。圖3顯示了一個(gè)與基于微型逆變器的光伏系統(tǒng)一起使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。

　　圖3：面向基于微逆變器PV的系統(tǒng)的MCU系統(tǒng)包含CPU、存儲(chǔ)器、電源及時(shí)鐘、外設(shè)。

　　性能是微型逆變器的關(guān)鍵特性。盡管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU產(chǎn)品尺寸更小、價(jià)格更低，但其功能卻有提升，例如它具有可為CPU分擔(dān)處理復(fù)雜高速控制算法的可編程浮點(diǎn)控制律加速器(CLA)，從而使CPU無(wú)需處理I/O和反饋回路，在閉環(huán)應(yīng)用中，可使性能提高5倍。

　　光伏電池的挑戰(zhàn)

　　基于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能電池板能從每100mm2的光伏電池獲取約1mW的平均電能。典型效率約為10％。光伏電源的功率系數(shù)(即在陽(yáng)光一直照射的條件下，太陽(yáng)能電池實(shí)際產(chǎn)生的平均電能與理論上可產(chǎn)生的電能之比)約為15％至20％。有多種原因?qū)е逻@一結(jié)果，包括陽(yáng)光本身的變化，如夜間完全消失，以及即使在白天，陰影和天氣條件也常常導(dǎo)致光照減少。

　　光電轉(zhuǎn)換為效率計(jì)算引入了更多變數(shù)，包括太陽(yáng)能電池板的溫度及其理論峰值效率。對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，另一個(gè)問(wèn)題是光伏電池產(chǎn)生的電壓約有0.5V不規(guī)則變化。當(dāng)選擇能量轉(zhuǎn)換拓?fù)鋾r(shí)，這種變化會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。例如，對(duì)低效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)說(shuō)，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏電能。

　　為適應(yīng)太陽(yáng)不是全天24小時(shí)都照射這一事實(shí)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)要包含電池以及給電池高效充電所需的復(fù)雜電子器件。當(dāng)電池被集成到系統(tǒng)中時(shí)，電池充電需要額外的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)還需要電池管理和監(jiān)控。

　　許多由太陽(yáng)能供電的系統(tǒng)還與電網(wǎng)對(duì)接，從而要求相位同步和功率因數(shù)校正。還有許多需要復(fù)雜控制的使用環(huán)境。例如，必須內(nèi)置故障預(yù)警機(jī)制以防范公共電網(wǎng)的停掉電等事件。這些僅僅是設(shè)計(jì)工程師必須要考慮的頭等大事。