離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統設計中的電源電子應用解決方案

確定太陽(yáng)能陣列的規模

更好地了解負載要求后，我們可以確定太陽(yáng)能陣列的規模。根據圖3，太陽(yáng)能陣列的規模必須設定為在規定的充電時(shí)間內使充電量滿(mǎn)足能量存儲要求，同時(shí)在該時(shí)間段內支持平均負載輸出。下面的公式標識了此高階關(guān)系。

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

我們可以通過(guò)簡(jiǎn)化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽(yáng)能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進(jìn)行精確的調整，還需了解一些內在和外在因素。從外部因素角度來(lái)看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預計太陽(yáng)照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應用地點(diǎn)相對于太陽(yáng)的位置就可以預計太陽(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)也可能對系統預計接收的陽(yáng)光照射量以及能量轉換效率產(chǎn)生不利影響。應該清楚這些外部因素將隨著(zhù)應用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。

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

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

基于單片機的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應用中使用標準參考設計，同時(shí)仍然可以滿(mǎn)足應用特定的需求并實(shí)現高級功能。它不僅可支持基本電源轉換，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)現優(yōu)化。此外，還可以輕松實(shí)現通信和診斷等高級功能。專(zhuān)用的分立式電源轉換器則無(wú)法實(shí)現這一點(diǎn)。

在此實(shí)現方案中，最大的問(wèn)題來(lái)自于負載;關(guān)鍵問(wèn)題是負載的性質(zhì)是什么，以及“負載控制”需要是什幺樣子的?需要電壓還是電流?電壓或電流設定值需要精確到什幺程度?負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)能為能量存儲設備充電。而且，如果系統允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤(MPPT)功能。

可能首先要做出的決策之一是應該使用公共電源軌架構還是分布式電源軌架構。圖5展示了兩者的差別，負載特性很可能對選擇起決定作用。如果負載需要恒定電壓，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/直流轉換器使公共軌保持在電壓設定值，電池充電器從母線(xiàn)汲取電力為能量存儲設備充電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均在于功率轉換步驟?？紤]到85%的平均功率轉換效率，這意味著(zhù)每次轉換有15%的損失。如果太陽(yáng)能直流/直流轉換器能夠支持負載，那幺僅需要一個(gè)電源轉換步驟。但要給電池充電，則需要兩個(gè)電源轉換步驟(太陽(yáng)能直流/直流轉換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉換器)，外加一次額外的轉換(雙向直流/直流轉換器到公共軌)才能支持負載。

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

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

簡(jiǎn)單示例

在從高階角度查看電源結構后，我們現在來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗示例。設想一個(gè)可經(jīng)常在施工桶或混凝土護欄頂部看到的“施工區危險報警閃光燈”。從高階角度看，報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(xiàn)架構，因為報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/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器和負載控制合并成一個(gè)單獨的雙向轉換器來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化拓撲。圖6給出了建議的電路設計。

圖6：建議的電路圖

建議的電路設計采用Microchip的PIC16F690單片機和兩個(gè)MC