離網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電源電子解決方案

光伏太陽(yáng)能安裝成本的迅速下降使此技術(shù)逐漸成為支持離網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際解決方案。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在2010年計(jì)算的太陽(yáng)能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價(jià)正向每千瓦時(shí)15.50美元發(fā)展。這是整個(gè)系統(tǒng)的定價(jià)，包括太陽(yáng)能電池、能量存儲(chǔ)設(shè)備以及充電器和逆變器電源電子裝置。

從便攜式公路施工標(biāo)志和閃光指示燈，到偏遠(yuǎn)的泵站和通信網(wǎng)絡(luò)，離網(wǎng)應(yīng)用看起來(lái)有無(wú)盡的機(jī)遇。成本過(guò)高正是此類(lèi)項(xiàng)目實(shí)施的主要障礙，而不斷降低的價(jià)格正逐步打破這樣的屏障，使項(xiàng)目的實(shí)施變得切實(shí)可行。

本文將著重介紹電源電子系統(tǒng)，以及在設(shè)計(jì)離網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)時(shí)需要牢記的一些關(guān)鍵機(jī)遇和權(quán)衡利弊。在解決大多數(shù)系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題時(shí)，最簡(jiǎn)單的方式通常是從最終應(yīng)用要求開(kāi)始，然后回過(guò)頭來(lái)確定和定義整個(gè)系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)的規(guī)模。

負(fù)載

負(fù)載幾乎可以是任何設(shè)備，但離網(wǎng)應(yīng)用之所以離網(wǎng)是有原因的。應(yīng)用可能需要是便攜式的，如施工信息標(biāo)志或簡(jiǎn)單的危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈?？紤]到其便攜性，將每個(gè)負(fù)載都接入電網(wǎng)明顯不可行?；蛘?，也許應(yīng)用位于偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，如蜂窩通信塔或偏遠(yuǎn)泵站。

我們首先應(yīng)該確定在開(kāi)發(fā)離網(wǎng)太陽(yáng)能解決方案時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵因素。圖1給出了高階系統(tǒng)框圖。使用能量平衡方法時(shí)，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類(lèi)型和隨時(shí)間表現(xiàn)出的特性。

圖1:高階系統(tǒng)框圖

首先要確定負(fù)載類(lèi)型和所有特殊要求。是恒定負(fù)載還是可變負(fù)載?是僅在白天使用還是僅在夜晚使用?是間斷使用還是持續(xù)使用?了解負(fù)載類(lèi)型及其特性有助于確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。例如，施工危險(xiǎn)報(bào)警閃光器通常是恒定脈動(dòng)負(fù)載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應(yīng)該在白天對(duì)這些負(fù)載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運(yùn)行這些負(fù)載。信息標(biāo)志可能是脈動(dòng)負(fù)載，但在白天和夜晚都需要運(yùn)行。在這種情況下，系統(tǒng)需要確定為在白天支持恒定負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)對(duì)電池組充電以支持整晚連續(xù)運(yùn)行。同樣，泵負(fù)載需要日夜工作，而且不一定是恒定負(fù)載。這里，系統(tǒng)需要能應(yīng)對(duì)最壞情況，或者需要備用系統(tǒng)來(lái)解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網(wǎng)太陽(yáng)能應(yīng)用，因?yàn)橄掠陼r(shí)沒(méi)有多少陽(yáng)光可對(duì)電池充電。很明顯，能采用的負(fù)載類(lèi)型幾乎無(wú)窮無(wú)盡，圖2僅列舉了上面討論過(guò)的一些負(fù)載類(lèi)型。

圖2:常見(jiàn)負(fù)載類(lèi)型

在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關(guān)鍵是了解平均日負(fù)載。當(dāng)充分了解負(fù)載和工作條件之后，指定能量存儲(chǔ)要求就變得簡(jiǎn)單直接了。

確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模

由于太陽(yáng)每天都升起和落下，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的24小時(shí)能量平衡法來(lái)計(jì)算基本的能量存儲(chǔ)要求。注意圖3,圖中標(biāo)識(shí)了工作情況。很明顯，確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模時(shí)必須支持圖左側(cè)的情況。

圖3:工作狀態(tài)

技術(shù)資料出處:spacewind

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因本網(wǎng)站內(nèi)容較多，未能及時(shí)聯(lián)系上的作

負(fù)載可能有明確的量，如若干個(gè)施工危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應(yīng)用。處理變化的負(fù)載時(shí)，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正常”情況，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲(chǔ)組件應(yīng)該在白天充電，其容量應(yīng)設(shè)定為足以在其余的夜晚時(shí)間驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過(guò)百分之95的情況(即，泵在黃昏開(kāi)始工作，然后整夜?jié)M載運(yùn)行)。

下面的公式通過(guò)將未進(jìn)行充電的時(shí)間段內(nèi)的每小時(shí)最大負(fù)載功率合并在一起，來(lái)捕獲最壞情況的能量存儲(chǔ)要求。

還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無(wú)太陽(yáng)光時(shí)，電池組尚未完全充電?？紤]的重點(diǎn)是故障成本(即不閃光或不抽吸)。如果泵不抽吸，成本可能非?？捎^。最顯而易見(jiàn)的解決辦法是增加能量存儲(chǔ)組件的容量。但是，總會(huì)有更壞的情況。在不容許出現(xiàn)故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個(gè)備用系統(tǒng)(如柴油發(fā)電機(jī))并將系統(tǒng)其余部分的規(guī)模調(diào)整為僅適用于正常情況是最合理的。

圖3的左側(cè)用于確定能量存儲(chǔ)要求，圖3的右側(cè)用于確定太陽(yáng)能陣列的規(guī)模。

確定太陽(yáng)能陣列的規(guī)模

更好地了解負(fù)載要求后，我們可以確定太陽(yáng)能陣列的規(guī)模。根據(jù)圖3,太陽(yáng)能陣列的規(guī)模必須設(shè)定為在規(guī)定的充電時(shí)間內(nèi)使充電量滿(mǎn)足能量存儲(chǔ)要求，同時(shí)在該時(shí)間段內(nèi)支持平均負(fù)載輸出。下面的公式標(biāo)識(shí)了此高階關(guān)系。

太陽(yáng)能陣列輸出功率 = 能量存儲(chǔ)容量/充電時(shí)間+平均負(fù)載功率

我們可以通過(guò)簡(jiǎn)化的能量平衡方法估算能量存儲(chǔ)和太陽(yáng)能陣列組件的尺寸。但是，要對(duì)估算值進(jìn)行精確的調(diào)整，還需了解一些內(nèi)在和外在因素。從外部因素角度來(lái)看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應(yīng)用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預(yù)計(jì)太陽(yáng)照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應(yīng)用地點(diǎn)相對(duì)于太陽(yáng)的位置就可以預(yù)計(jì)太陽(yáng)照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素(包括云層覆蓋和環(huán)境溫度)也可能對(duì)系統(tǒng)預(yù)計(jì)接收的陽(yáng)光照射量以及能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。應(yīng)該清楚這些外部因素將隨著應(yīng)用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。

此外，系統(tǒng)架構(gòu)(尤其是設(shè)備的連接方式)等內(nèi)部因素也會(huì)影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實(shí)現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲(chǔ)和太陽(yáng)能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計(jì)算需要產(chǎn)生的功率，需要考慮電源電子裝置。

電源電子裝置拓?fù)?/p>

盡管圖1中的系統(tǒng)框圖有助于了解能量平衡，但要考慮影響組件尺寸的內(nèi)部因素，還需要更多細(xì)節(jié)。圖4更詳細(xì)地描述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。它也提出了會(huì)影響電源電子裝置策略的問(wèn)題。

基于單片機(jī)的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應(yīng)用中使用標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)，同時(shí)仍然可以滿(mǎn)足應(yīng)用特定的需求并實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。它不僅可支持基本電源轉(zhuǎn)換，還在選擇核心組件方面提供了靈活性，支持各種工作條件下的變化并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。此外，還可以輕松實(shí)現(xiàn)通信和診斷等高級(jí)功能。專(zhuān)用的分立式電源轉(zhuǎn)換器則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

在此實(shí)現(xiàn)方案中，最大的問(wèn)題來(lái)自于負(fù)載;關(guān)鍵問(wèn)題是負(fù)載的性質(zhì)是什幺，以及“負(fù)載控制”需要是什幺樣子的?需要電壓還是電流?電壓或電流設(shè)定值需要精確到什幺程度?負(fù)載控制可能像繼電器一樣簡(jiǎn)單，也可能像3相逆變器一樣復(fù)雜。不管怎樣，它都需要充電器功能(即電源電子裝置)，使用太陽(yáng)能為能量存儲(chǔ)設(shè)備充電。而且，如果系統(tǒng)允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤(MPPT)功能。

圖4:詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)總覽[!--empirenews.page--]

可能首先要做出的決策之一是應(yīng)該使用公共電源軌架構(gòu)還是分布式電源軌架構(gòu)。圖5展示了兩者的差別，負(fù)載特性很可能對(duì)選擇起決定作用。如果負(fù)載需要恒定電壓，則圖5a中顯示的公共軌可能是最佳選擇。在這種情況下，負(fù)載控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單的繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)。太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器使公共軌保持在電壓設(shè)定值，電池充電器從母線汲取電力為能量存儲(chǔ)設(shè)備充電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均在于功率轉(zhuǎn)換步驟?？紤]到85%的平均功率轉(zhuǎn)換效率，這意味著每次轉(zhuǎn)換有15%的損失。如果太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器能夠支持負(fù)載，那幺僅需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟。但要給電池充電，則需要兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟(太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器)，外加一次額外的轉(zhuǎn)換(雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌)才能支持負(fù)載。

如果僅在太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器不工作時(shí)(即夜晚)使用負(fù)載，則也可以使用公共軌。在這種情況下，可去掉太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器，并且可使用能量存儲(chǔ)設(shè)備上的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器通過(guò)太陽(yáng)能陣列為電池充電;也可以使用替代方案為負(fù)載供電。此時(shí)，能量?jī)H需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟(太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器，以及雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到負(fù)載)。

圖6中的分布式架構(gòu)更靈活，可支持不斷變化的負(fù)載需求。在這種情況下，可使用太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器支持能量存儲(chǔ)軌(即充電)，直流/直流轉(zhuǎn)換器可支持負(fù)載需求。這種方法的缺點(diǎn)是始終有兩次電源轉(zhuǎn)換。但總的來(lái)說(shuō)，如果預(yù)計(jì)太陽(yáng)能陣列和負(fù)載同時(shí)工作，則這是最優(yōu)的解決方案。

圖5:電源軌架構(gòu)

簡(jiǎn)單示例

在從高階角度查看電源結(jié)構(gòu)后，我們現(xiàn)在來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗示例。設(shè)想一個(gè)可經(jīng)常在施工桶或混凝土護(hù)欄頂部看到的“施工區(qū)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈”.從高階角度看，報(bào)警閃光燈僅在夜晚工作，電池將在所有其它時(shí)間充電。這種特性允許我們使用公共母線架構(gòu)，因?yàn)閳?bào)警閃光燈或者在充電，或者在閃爍，兩種操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行。我們可以將太陽(yáng)能直流/直流轉(zhuǎn)換器、雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器和負(fù)載控制合并成一個(gè)單獨(dú)的雙向轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化拓?fù)?。圖6給出了建議的電路設(shè)計(jì)。

圖6:建議的電路圖

建議的電路設(shè)計(jì)采用Microchip的PIC16F690單片機(jī)和兩個(gè)MCP1630模擬PWM控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向反激式轉(zhuǎn)換器。在白天，此配置使用太陽(yáng)能作為輸入并對(duì)電池充電。在夜晚，由于在太陽(yáng)能陣列上檢測(cè)到的能量低到可忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)換器開(kāi)始按照編程的“閃爍”模式為L(zhǎng)ED燈供電。表1列出了這些假設(shè)和計(jì)算結(jié)果。

表1:應(yīng)用假設(shè)和結(jié)果

結(jié)論

分布式應(yīng)用將繼續(xù)利用太陽(yáng)能安裝成本不斷降低這一趨勢(shì)。最終應(yīng)用需求將對(duì)系統(tǒng)拓?fù)淦饹Q定作用并突出關(guān)鍵的性能權(quán)衡問(wèn)題?；趩纹瑱C(jī)的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)在支持各種最終應(yīng)用以及支持光伏太陽(yáng)能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展方面具有極大的靈活性。這種靈活性意味著當(dāng)前的設(shè)計(jì)在未來(lái)仍有可用性。