提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)
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由于燃燒化石燃料引起的全球變暖環(huán)境問(wèn)題、不斷上漲的原油和天然氣價(jià)格、對(duì)原油依賴(lài)導(dǎo)致的政治困境,這些問(wèn)題促使人們不斷努力提高能源效率。
對(duì)于那些能源無(wú)法自給的國(guó)家,太陽(yáng)能和其他替代能源擁有無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì),可幫助他們達(dá)到減少化石燃料消耗和實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立的目的。用替代能源系統(tǒng)取代化石燃料能源,將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)生活產(chǎn)生重大影響。但問(wèn)題是,用替代能源發(fā)電的成本要與化石燃料發(fā)電的成本相近或更少,這樣才能真正減少原油的消耗。
在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能技術(shù)的過(guò)程中,人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個(gè)不能忽略的重要問(wèn)題是,如何設(shè)計(jì)將電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競(jìng)爭(zhēng),設(shè)計(jì)師為提高逆變器每一個(gè)百分點(diǎn)的效率的努力都是非常重要的。
一些太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)制造商把逆變器的轉(zhuǎn)換效率從92%提高到了96%,這樣他們?cè)谑袌?chǎng)上成功的機(jī)會(huì)就會(huì)大增。有一種辦法是設(shè)計(jì)沒(méi)有變壓器的 DC/DC轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中,由變壓器導(dǎo)致的能量損失大約是2%~3%。因此就要使用更高電壓的晶體管,這種晶體管已經(jīng)可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到了。
逆變器的設(shè)計(jì)
在基于光電流的系統(tǒng)中,電源逆變器控制著太陽(yáng)能板和電池,以及負(fù)載之間的電流,將太陽(yáng)能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉(zhuǎn)換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流,輸出給負(fù)載或回饋到電網(wǎng)中去。圖1顯示了逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電中的重要作用。
圖1 逆變器在提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用
由于太陽(yáng)能板的輸出電壓是變化的,要保持發(fā)電時(shí)盡可能的高效率是非常復(fù)雜的。完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵是檢測(cè)最大功率點(diǎn)(maximum power point,MPP)。圖2顯示了最大功率點(diǎn)是如何隨天氣和電壓而變的。
圖2 太陽(yáng)能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變
MPP跟蹤技術(shù)可用來(lái)探測(cè)MPP,并調(diào)整DC/DC的輸出電壓轉(zhuǎn)換,以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽(yáng)能電池系統(tǒng)在冬天的整體效率提高1/3或更多,而這時(shí)也正是電力需求最高的時(shí)候。
控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓,并檢測(cè)輸出。算法要在MPP點(diǎn)周?chē)舫鲆粋€(gè)足夠大的振蕩范圍,避免當(dāng)天空掠過(guò)云彩時(shí)控制器對(duì)本地電源發(fā)出錯(cuò)誤的擾動(dòng)。
電池的算法
擾動(dòng)和檢測(cè)算法的效率并不高,這是由于在每個(gè)周期內(nèi)輸出點(diǎn)都會(huì)偏離MPP。可以采用增量感應(yīng)算法做為替代,這種方法可以很好地解決由于振蕩導(dǎo)致的低效率,但又會(huì)設(shè)定一個(gè)本地峰值而不是真實(shí)的MPP,從而引發(fā)其他問(wèn)題。將這兩種算法結(jié)合起來(lái),可以保持增量感應(yīng)算法的高效率,同時(shí)又可以以一定間隔在很大范圍內(nèi)掃描,避免選擇本地的峰值。
顯然,這會(huì)給控制逆變器的控制器帶來(lái)很大的計(jì)算負(fù)荷,控制器必須滿(mǎn)足一些實(shí)時(shí)處理的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在的數(shù)字信號(hào)控制器可以提供實(shí)時(shí)控制算法所需的高速運(yùn)算能力。A/D轉(zhuǎn)換器、PWM等集成外設(shè)使控制器可以直接檢測(cè)輸入信號(hào),控制功率MOSFET,片上的flash閃存可用于編程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),通信端口簡(jiǎn)化了電能表和其他逆變器的組網(wǎng)過(guò)程。
在太陽(yáng)能逆變器中的DSP控制器的高效率已經(jīng)得到證實(shí),可以把轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失減少最多50%。National Renewable Energy Laboratory對(duì)分布式電源技術(shù)LLC的研究表明,基于DSP的逆變器可以將1個(gè)10kW逆變器的制造和人工成本減少56%,同時(shí)還減少了逆變器的尺寸和重量。
德州儀器公司的TMS320F28x數(shù)字信號(hào)控制器就是一個(gè)非常好的例子,它的性能高達(dá)150MIPS,可以用1個(gè)DSP控制逆變器中的多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí),而且還有富裕的處理能力,可用來(lái)執(zhí)行MPP跟蹤算法、電池充電監(jiān)控、浪涌保護(hù)、記錄數(shù)據(jù)和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)的框圖。
圖3 TMS320F28x可控制多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)
控制器具有非??焖俚?2位16通道的A/D轉(zhuǎn)換器,可以高精度地檢測(cè)電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦波。為進(jìn)行安全監(jiān)控,A/D轉(zhuǎn)換器還提供了電流檢測(cè)功能。
此外,芯片上12個(gè)獨(dú)立控制的增強(qiáng)型PWM通道具有可變的占空比,為轉(zhuǎn)換器橋和電池充電電路提供了高速開(kāi)關(guān)。
每個(gè)增強(qiáng)型PWM都有自己的定時(shí)器和相位寄存器,可對(duì)相延遲進(jìn)行編程設(shè)定。可以對(duì)所有的增強(qiáng)型PWM進(jìn)行同步,來(lái)驅(qū)動(dòng)同樣頻率上的多個(gè)級(jí)。多個(gè)定時(shí)器提供了所需的時(shí)鐘和快速的中斷管理,支持額外的控制任務(wù)。包括CAN總線在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信端口為其他組件和系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)便易用的接口。