基于微型逆變器的太陽(yáng)能系統優(yōu)化設計

　　應用分析

　　當*估微型變頻器在具體應用中的價(jià)值時(shí)，應從幾個(gè)方面考慮拓撲結構。

　　在小型應用中，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轉換器使各面板的輸出電壓統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轉換器和逆變器設計成一個(gè)模塊。用于本地電源線(xiàn)路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉換器也可被整合進(jìn)該模塊。

　　太陽(yáng)能面板必須要互相通信，這會(huì )增加導線(xiàn)和復雜性。這是對在模塊中包含進(jìn)逆變器、DC/DC轉換器和太陽(yáng)能電池板的另一個(gè)爭論點(diǎn)。

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

　　采用多個(gè)MCU會(huì )加大整體系統的材料成本。

　　每當考慮改變架構時(shí)都會(huì )關(guān)注其成本。為滿(mǎn)足系統的價(jià)格目標，為每個(gè)面板都配備一個(gè)控制器意味著(zhù)該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時(shí)處理所有的控制、通信和計算任務(wù)。

　　片上集成恰當的控制外設以及高模擬集成度是保證系統低成本的兩個(gè)基本要素。為執行針對優(yōu)化轉換、系統監控和能量存儲各環(huán)節中的效率所開(kāi)發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

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

　　MCU特性

　　仔細權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，當并聯(lián)面板時(shí)需要負載平衡控制。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過(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。

　　微型逆變器設計沒(méi)有“一成不變”的模式。這意味著(zhù)設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間的通信方面。最合適的MCU應支持各種協(xié)議，包括一些平常不會(huì )想到的如電力線(xiàn)通訊(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線(xiàn)通訊，因不再需專(zhuān)門(mén)的通信線(xiàn)路，所以可降低系統成本。但這需要MCU內置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

　　對于針對太陽(yáng)能逆變器應用所設計的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)鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時(shí)運行兩個(gè)系統時(shí)鐘的能力也有助于減少太陽(yáng)能電池板安裝時(shí)出現的問(wèn)題。

　　由于在太陽(yáng)能微型逆變器設計中凝聚了如此多的創(chuàng )新，對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算的先進(jìn)數字運算處理內核以及用于能量轉換控制的片上外設集，已廣泛應用于傳統的太陽(yáng)能電池板逆變器拓撲中。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是經(jīng)濟款，該系列的最小封裝只有38個(gè)引腳，但其架構更先進(jìn)、外設也得到增強，從而可把32位實(shí)時(shí)控制的好處帶給要求低總體系統成本的微型逆變器等應用。

　　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，以及帶上電復位和掉電保護的片上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一起使用的計算機系統配置。

　　圖3：面向基于微逆變器PV的系統的MCU系統包含CPU、存儲器、電源及時(shí)鐘、外設。

　　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分擔處理復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)應用中，可使性能提高5倍。

　　光伏電池的挑戰

　　基于太陽(yáng)能發(fā)電系統的缺點(diǎn)之一是轉換效率。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(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％。有多種原因導致這一結果，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致光照減少。

　　光電轉換為效率計算引入了更多變數，包括太陽(yáng)能電池板的溫度及其理論峰值效率。對設計工程師來(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不規則變化。當選擇能量轉換拓撲時(shí)，這種變化會(huì )帶來(lái)嚴重影響。例如，對低效的能量轉換技術(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)能供電系統要包含電池以及給電池高效充電所需的復雜電子器件。當電池被集成到系統中時(shí)，電池充電需要額外的DC/DC轉換電路，同時(shí)還需要電池管理和監控。

　　許多由太陽(yáng)能供電的系統還與電網(wǎng)對接，從而要求相位同步和功率因數校正。還有許多需要復雜控制的使用環(huán)境。例如，必須內置故障預警機制以防范公共電網(wǎng)的停掉電等事件。這些僅僅是設計工程師必須要考慮的頭等大事。