基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

對于優(yōu)化太陽能系統(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太陽能板上的微型逆變器(micro-inverter)。為每塊太陽能面板配備單獨(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，從而能夠為單塊面板和整個系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。

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

　　電源逆變器是太陽能發(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顯示的是一個典型的太陽能逆變器，它把來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。

　　在一個典型的太陽能采集系統(tǒng)中，多個太陽能板并聯(lián)到一個逆變器，該逆變器將來自多個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)包含一個太陽能逆變器，它從PV陣列接收低DC輸出電壓并產(chǎn)生AC線路電壓。

　　設(shè)計的主要目標(biāo)是盡可能提高轉(zhuǎn)換效率。這是一個復(fù)雜且需反復(fù)的過程，它涉及最大功率點跟蹤算法(MPPT)以及執(zhí)行相關(guān)算法的實時控制器。

　　最大化電源轉(zhuǎn)換效率

　　未采用MPPT算法的逆變器簡單地將光伏模塊與電池直接連接起來，迫使光伏模塊工作在電池電壓。幾乎無一例外的是，電池電壓不是采集最多可用太陽能的理想值。

　　圖2說明了典型的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。實線表示的是電壓與電流(PV AMPS)之比。如圖2所示，在12V時，輸出功率大約為53W。換句話說，通過將光伏模塊強(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，無論電池電壓是多少，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)逆變器處理的是來自單個太陽能面板的能量，但傳統(tǒng)系統(tǒng)通常是一個逆變器連接多個面板。取決于應(yīng)用的不同，這種拓?fù)浼扔袃?yōu)點又有缺點。

　　MPPT算法

　　主要有三種類型的MPPT算法：擾動-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，因為它們基于如下事實：在MPP的左側(cè)，曲線呈上升趨勢(dP/dV>0)，而在MPP右側(cè)，曲線下降(dP/dV <0)。

　　擾動-觀察(P＆O)法是最常用的。該算法按給定方向擾動工作電壓并采樣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，它將一直朝這個方向調(diào)整電壓，直到dP/dV變負(fù)。

　　P＆O算法很容易實現(xiàn)，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，它們有時會在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來計算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”。其另一個缺點是，增加的復(fù)雜性會延長計算時間并降低采樣頻率。

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

　　由于沒有一個MPPT算法可以成功地滿足所有常見的使用環(huán)境要求，許多設(shè)計工程師會讓系統(tǒng)先*估環(huán)境條件再選擇最適合當(dāng)時環(huán)境條件的算法。事實上，有許多MPPT算法可用，太陽能面板制造商提供他們自己算法的情況也屢見不鮮。

　　對廉價控制器來說，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算能力。諸如德州儀器C2000平臺系列的先進(jìn)32位實時微控制器就適合于各種太陽能應(yīng)用。

　　電源逆變器

　　使用單個逆變器有許多好處，其中最突出的是簡單和低成本。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，單個逆變器拓?fù)涞娜秉c會很明顯。最突出的是可靠性問題：只要這個逆變器發(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ο到y(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，每個太陽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(接收到的太陽原始能量)。

　　與整個系統(tǒng)使用一個逆變器相比，為系統(tǒng)內(nèi)每個太陽能電池板都配備一個微型逆變器會再次提升整個系統(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)整每個太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于云朵、陰影和背陰會改變每個面板的輸出，為每個面板配備獨(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)要求每個面板都有一個專用MCU來管理能源轉(zhuǎn)換。不過，這些附加的MCU也可被用來改善系統(tǒng)和面板的監(jiān)測。

　　例如，大型的太陽能發(fā)電場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)管理員事先計劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過，為充分利用系統(tǒng)監(jiān)測的好處，MCU必須集成片上通信外圍設(shè)備(CAN、SPI、UART等)以便簡化與太陽能陣列內(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，效率有望提升30％。但由于各應(yīng)用差異很大，系統(tǒng)級改善的“平均”百分比并沒多大意義。

　　應(yīng)用分析

　　當(dāng)*估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價值時，應(yīng)從幾個方面考慮拓?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)計成一個模塊。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。

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

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

　　采用多個MCU會加大整體系統(tǒng)的材料成本。

　　每當(dāng)考慮改變架構(gòu)時都會關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價格目標(biāo)，為每個面板都配備一個控制器意味著該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時處理所有的控制、通信和計算任務(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)低成本的兩個基本要素。為執(zhí)行針對優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲各環(huán)節(jié)中的效率所開發(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系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個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)面板時需要負(fù)載平衡控制。所選MCU必須能檢測負(fù)載電流以及能通過開/關(guān)輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

　　微型逆變器設(shè)計沒有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)計者必須有能力和創(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。

　　對于針對太陽能逆變器應(yīng)用所設(shè)計的MCU，一個意想不到但極具價值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時運(yùn)行兩個系統(tǒng)時鐘的能力也有助于減少太陽能電池板安裝時出現(xiàn)的問題。

　　由于在太陽能微型逆變器設(shè)計中凝聚了如此多的創(chuàng)新，對MCU來說，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位實時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)品都集成了兩個用于時鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復(fù)位和掉電保護(hù)的片上VREG、多個高分辨率150ps的PWM、一個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顯示了一個與基于微型逆變器的光伏系統(tǒng)一起使用的計算機(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、存儲器、電源及時鐘、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控制律加速器(CLA)，從而使CPU無需處理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)

　　基于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池板能從每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)(即在陽光一直照射的條件下，太陽能電池實際產(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)換為效率計算引入了更多變數(shù)，包括太陽能電池板的溫度及其理論峰值效率。對設(shè)計工程師來說，另一個問題是光伏電池產(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，這種變化會帶來嚴(yán)重影響。例如，對低效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來說，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)太陽不是全天24小時都照射這一事實，太陽能供電系統(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，電池充電需要額外的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，同時還需要電池管理和監(jiān)控。

　　許多由太陽能供電的系統(tǒng)還與電網(wǎng)對接，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)計工程師必須要考慮的頭等大事。