基于微型逆變器的太陽(yáng)能系統優(yōu)化設計

對于優(yōu)化太陽(yáng)能系統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)能面板配備單獨的微型逆變器使得系統可以適應不斷變化的負荷和天氣條件，從而能夠為單塊面板和整個(gè)系統提供最佳轉換效率。

　　微型逆變器架構還可簡(jiǎn)化布線(xiàn)，這也就意味著(zhù)更低的安裝成本。通過(guò)使消費者的太陽(yáng)能發(fā)電系統更有效率，系統“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)電系統的關(guān)鍵電子組件。在商業(yè)應用中，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換成電池直流電壓、交流線(xiàn)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換成干凈的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

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

　　圖1：傳統電源轉換架構包含一個(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(xiàn)路電壓。

　　設計的主要目標是盡可能提高轉換效率。這是一個(gè)復雜且需反復的過(guò)程，它涉及最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)以及執行相關(guān)算法的實(shí)時(shí)控制器。

　　最大化電源轉換效率

　　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℃電池溫度下的傳統電流/電壓特性。虛線(xiàn)表示的是電壓(PV VOLTS)與功率(PV WATTS)之比。實(shí)線(xiàn)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(huà)說(shuō)，通過(guò)將光伏模塊強制工作在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)現最大輸出功率的電壓是17V。因此，MPPT算法的職責是使模塊工作在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電源轉換器將控制器輸入端的17V電壓轉換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉換器將電壓從17V降至12V，本例中，支持MPPT功能的系統內電池充電電流是：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE，或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

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

　　雖然本例假設逆變器處理的是來(lái)自單個(gè)太陽(yáng)能面板的能量，但傳統系統通常是一個(gè)逆變器連接多個(gè)面板。取決于應用的不同，這種拓撲既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。

　　MPPT算法

　　主要有三種類(lèi)型的MPPT算法：擾動(dòng)-觀(guān)察法、電導增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常稱(chēng)為“爬山”法，因為它們基于如下事實(shí)：在MPP的左側，曲線(xiàn)呈上升趨勢(dP/dV>0)，而在MPP右側，曲線(xiàn)下降(dP/dV 0)。

　　擾動(dòng)-觀(guān)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(zhù)MPP調整電壓。然后，它將一直朝這個(gè)方向調整電壓，直到dP/dV變負。

　　P＆O算法很容易實(shí)現，但在穩態(tài)運行中，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。

　　電導增量(INC)法使用光伏陣列的電導增量dI/dV來(lái)計算dP/dV的正負。INC能比P＆O更準確地跟蹤迅速變化的光輻照狀況。但與PO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，增加的復雜性會(huì )延長(cháng)計算時(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為0以測量陣列的開(kāi)路電壓。然后，再將陣列的工作電壓設置為該測定值的76％。但在陣列斷開(kāi)期間，可用能量被浪費掉了。人們還發(fā)現，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(mǎn)足所有常見(jiàn)的使用環(huán)境要求，許多設計工程師會(huì )讓系統先*估環(huán)境條件再選擇最適合當時(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。

　　對廉價(jià)控制器來(lái)說(shuō)，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡?，執行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(shí)時(shí)微控制器就適合于各種太陽(yáng)能應用。

　　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的效率，但這只是在一定程度上。根據應用的不同，單個(gè)逆變器拓撲的缺點(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)生的能量都浪費掉了。

　　即使逆變器工作正常，單逆變器拓撲也可能對系統效率產(chǎn)生負面影響。在大多數情況下，為達到最高效率，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度(接收到的太陽(yáng)原始能量)。

　　與整個(gè)系統使用一個(gè)逆變器相比，為系統內每個(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)系統的轉換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即便其中一個(gè)逆變器出現故障，能量轉換仍能進(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調整每個(gè)太陽(yáng)能板的轉換參數。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)面板配備獨有的微型逆變器就允許系統適應不斷變化的負載情況。這為各面板及整個(gè)系統都提供了最佳轉換效率。

　　微型逆變器架構要求每個(gè)面板都有一個(gè)專(zhuān)用MCU來(lái)管理能源轉換。不過(guò)，這些附加的MCU也可被用來(lái)改善系統和面板的監測。

　　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載平衡并允許系統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(guò)，為充分利用系統監測的好處，MCU必須集成片上通信外圍設備(CAN、SPI、UART等)以便簡(jiǎn)化與太陽(yáng)能陣列內其它微型逆變器的接口。