太陽(yáng)能系統效率和可靠性?xún)?yōu)化新方法

優(yōu)化太陽(yáng)能系統效率和可靠性的一種較新方法是使用連接至每個(gè)單獨太陽(yáng)能板的微型逆變器。為每個(gè)太陽(yáng)能板都安裝其自己的微型逆變器，讓系統可以適應其變化的負載和空氣環(huán)境，從而為單個(gè)太陽(yáng)能板和整個(gè)系統提供最佳的轉換效率。微型逆變器構架還實(shí)現了更簡(jiǎn)單的布線(xiàn)，從而實(shí)現更低的安裝成本。通過(guò)提高用戶(hù)太陽(yáng)能系統的效率可縮短系統的初始技術(shù)投入回報時(shí)間。

電源逆變器是太陽(yáng)能發(fā)電系統中關(guān)鍵的電子組件。在一些商業(yè)應用中，這些組件連接光伏(PV)板、存儲電荷的電池以及局域配電系統或公共電網(wǎng)。圖1顯示的是一款典型的太陽(yáng)能逆變器，它從PV陣列DC輸出獲得非常低的電壓，然后將其轉換成DC電池電壓、AC線(xiàn)壓和配電網(wǎng)電壓的某種組合。

在一個(gè)典型的太陽(yáng)能采集系統中，多塊太陽(yáng)能板以并聯(lián)方式連接到一個(gè)單逆變器，該逆變器將多個(gè)PV單元的可變DC輸出轉換成一種清潔的正弦曲線(xiàn)50Hz或60Hz電壓源。

主要設計目標是最大化轉換效率。這是一個(gè)復雜、反復的過(guò)程，涉及了算法(最大功率點(diǎn)追蹤算法，MPPT)以及執行這些算法的實(shí)時(shí)控制器。

電源轉換最大化

不使用MPPT算法的逆變器只是將模塊直接連接到電池，強制它們在電池電壓下工作。幾乎無(wú)一例外，電池電壓并非是采集最大化可用太陽(yáng)能的理想值。

實(shí)施MPPT算法后，情況大為不同。本例中，模塊達到最大功率時(shí)的電壓為17V。因此，MPPT算法的作用是讓模塊工作在17V電壓下，從而獲得滿(mǎn)75W功率，其與電池電壓無(wú)關(guān)。

高效DC/DC電源轉換器將控制器輸入端的17V模塊電壓轉換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉換器將17V電壓逐步降至12V，因此本例中MPPT系統的電池充電電流為：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE或(17V/12V)×4.45A = 6.30A。

假設DC/DC轉換器為100% 轉換效率，則1.85A充電電流增加，也即可達到42%。

盡管本例假定逆變器正處理來(lái)自一個(gè)單太陽(yáng)能板的能量，但傳統系統一般擁有許多連接至一個(gè)單逆變器的太陽(yáng)能板。這種拓撲結構在具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一些不足，具體情況取決于應用。

MPPT算法

MPPT算法主要有三種：擾動(dòng)觀(guān)察法、電導增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常被稱(chēng)作“爬山”法，因為它們利用這樣一個(gè)事實(shí)：MPP左側曲線(xiàn)不斷上升(dP/dV>0)而MPP右側曲線(xiàn)不斷下降(dP/dV0)。

擾動(dòng)觀(guān)察法(PO)最為常見(jiàn)。該算法以特定方向對工作電壓進(jìn)行微擾，然后對dP/dV進(jìn)行采樣。如果dP/dV為正，則算法知道其朝MPP方向調節了電壓。然后，繼續以該方向調節電壓，直到dP/dV為負。

PO算法很容易實(shí)施，但有時(shí)它們會(huì )導致穩定狀態(tài)運行的MPP周?chē)霈F振蕩。另外，在快速變化的空氣條件下，它們的響應時(shí)間較長(cháng)，甚至會(huì )在錯誤的方向追蹤。

電導增量(INC)法使用PV陣列的增量電導dI/dV來(lái)計算dP/dV的符號。相比PO，INC快速追蹤變化的光照條件更加準確。然而，與PO相同，它會(huì )產(chǎn)生振蕩，并會(huì )在快速變化的空氣條件影響下變得混亂不清。另一個(gè)缺點(diǎn)是，其高復雜性增加了計算時(shí)間，并降低了采樣頻率。第三種方法是恒定電壓法，其利用這樣一個(gè)事實(shí)：一般而言，VMPP/VOC的比約等于0.76。這種方法所出現的問(wèn)題在于它要求立刻設置 PV陣列電流為0來(lái)測量陣列的開(kāi)路電壓。這樣，陣列的工作電壓便被設置為這一測量值的76%。但是，在這期間，陣列被斷開(kāi)，浪費掉了有效能源。同時(shí)還發(fā)現，76%開(kāi)電路電壓是一個(gè)非常接近值的同時(shí)，它卻并非總是與MPP一致。

由于沒(méi)有一個(gè)能夠成功地滿(mǎn)足所有常用情景要求的MPPT算法，因此許多設計人員都會(huì )走一些彎路，它們對系統進(jìn)行環(huán)境條件評估然后選擇最佳的算法。實(shí)際上，有許多MPPT算法可以用，并且太陽(yáng)能板廠(chǎng)商提供其自己的算法也很常見(jiàn)。

對于一些廉價(jià)的控制器來(lái)說(shuō)，執行MPPT算法會(huì )是一項難以完成的任務(wù)。因為，除MCU的正?？刂乒δ芤酝?，算法還要求這些控制器擁有高性能的計算能力。先進(jìn)的32位實(shí)時(shí)微控制器(例如：TI C2000平臺中的一些微控制器)就適用于眾多太陽(yáng)能應用。

電源逆變器

使用單個(gè)逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的是簡(jiǎn)潔性和低成本。使用MPPT算法和其他技術(shù)可提高單逆變器系統的效率，但只是在一定程度上。單逆變器拓撲的下降趨勢明顯，但具體取決于應用。人們最為關(guān)心的是可靠性問(wèn)題：如果一個(gè)逆變器故障，便會(huì )損失所有太陽(yáng)板產(chǎn)生的能量，直到修復或者替換該逆變器為止。

即使在它完美運行時(shí)，單逆變器拓撲結構也會(huì )對系統效率產(chǎn)生負面影響。在大多數情況下，每個(gè)太陽(yáng)能板都有不同的達到最大效率控制要求。決定各太陽(yáng)能板效率的一些因素包括其組件PV單元的制造差異、環(huán)境溫度差異以及陽(yáng)光陰影和方向帶來(lái)的不同程度光照(從太陽(yáng)接收的原始能量)。

通過(guò)為每個(gè)單獨太陽(yáng)能板都安裝一個(gè)微型逆變器而不是整個(gè)系統使用一個(gè)單逆變器可以進(jìn)一步提高整體系統轉換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即使在一個(gè)逆變器故障的情況下能量也會(huì )不斷得到轉換。

微型逆變器方法的其他一些好處包括，可以使用高精度PWM對每塊太陽(yáng)能板的轉換參數進(jìn)行調節。由于云、陰影和遮擋都會(huì )改變單個(gè)太陽(yáng)能板的輸出，因此為每塊太陽(yáng)能板安裝微型逆變器讓系統可以適應不斷變化的負載。這樣做可以為單個(gè)太陽(yáng)能板以及整個(gè)系統提供最佳的轉換效率。

微型逆變器構架要求一種專(zhuān)用MCU，以使每塊太陽(yáng)能板都能管理能量轉換。但是，這些額外的MCU也可用于提高系統和太陽(yáng)能板監控能力。例如，大型太陽(yáng)能板發(fā)電廠(chǎng)受益于太陽(yáng)能板間通信，其有助于保持負載平衡，并讓系統管理員能夠提前規劃可以獲得的太陽(yáng)能大小——以及應該采取的措施。然而，要利用系統監控的這些好處，MCU必須集成片上通信外圍器件(CAN、SPI、UART等等)，以簡(jiǎn)化同太陽(yáng)能陣列中其他微型逆變器之間的連接。

許多應用中，使用微型逆變器拓撲可極大地提高總系統效率。在太陽(yáng)能板層面，有望獲得30%的效率提高。但由于應用差別很大，因此“平均”系統級提升百分比沒(méi)有多大意義。