阳能系统效率和可靠性优化新方法

优化太阳能系统效率和可靠性的一种较新方法是使用连接至每个单独太阳能板的微型逆变器。为每个太阳能板都安装其自己的微型逆变器，让系统可以适应其变化的负载和空气环境，从而为单个太阳能板和整个系统提供最佳的转换效率。微型逆变器构架还实现了更简单的布线，从而实现更低的安装成本。通过提高用户太阳能系统的效率可缩短系统的初始技术投入回报时间。

电源逆变器是太阳能发电系统中关键的电子组件。在一些商业应用中，这些组件连接光伏(PV)板、存储电荷的电池以及局域配电系统或公共电网。图1显示的是一款典型的太阳能逆变器，它从PV阵列DC输出获得非常低的电压，然后将其转换成DC电池电压、AC线压和配电网电压的某种组合。

在一个典型的太阳能采集系统中，多块太阳能板以并联方式连接到一个单逆变器，该逆变器将多个PV单元的可变DC输出转换成一种清洁的正弦曲线50Hz或60Hz电压源。

主要设计目标是最大化转换效率。这是一个复杂、反复的过程，涉及了算法(最大功率点追踪算法，MPPT)以及执行这些算法的实时控制器。
 

电源转换最大化
 

不使用MPPT算法的逆变器只是将模块直接连接到电池，强制它们在电池电压下工作。几乎无一例外，电池电压并非是采集最大化可用太阳能的理想值。
 

实施MPPT算法后，情况大为不同。本例中，模块达到最大功率时的电压为17V。因此，MPPT算法的作用是让模块工作在17V电压下，从而获得满75W功率，其与电池电压无关。
 

高效DC/DC电源转换器将控制器输入端的17V模块电压转换为输出端的电池电压。由于DC/DC转换器将17V电压逐步降至12V，因此本例中MPPT系统的电池充电电流为：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE或(17V/12V)×4.45A = 6.30A。
 

假设DC/DC转换器为100% 转换效率，则1.85A充电电流增加，也即可达到42%。
 

尽管本例假定逆变器正处理来自一个单太阳能板的能量，但传统系统一般拥有许多连接至一个单逆变器的太阳能板。这种拓扑结构在具有很多优点的同时也存在一些不足，具体情况取决于应用。

MPPT算法
 

MPPT算法主要有三种：扰动观察法、电导增量法和恒定电压法。前两种方法通常被称作“爬山”法，因为它们利用这样一个事实：MPP左侧曲线不断上升(dP/dV>0)而MPP右侧曲线不断下降(dP/dV<0)。
 

扰动观察法(P&O)最为常见。该算法以特定方向对工作电压进行微扰，然后对dP/dV进行采样。如果dP/dV为正，则算法知道其朝MPP方向调节了电压。然后，继续以该方向调节电压，直到dP/dV为负。
 

P&O算法很容易实施，但有时它们会导致稳定状态运行的MPP周围出现振荡。另外，在快速变化的空气条件下，它们的响应时间较长，甚至会在错误的方向追踪。
 

电导增量(INC)法使用PV阵列的增量电导dI/dV来计算dP/dV的符号。相比P&O，INC快速追踪变化的光照条件更加准确。然而，与P&O相同，它会产生振荡，并会在快速变化的空气条件影响下变得混乱不清。另一个缺点是，其高复杂性增加了计算时间，并降低了采样频率。第三种方法是恒定电压法，其利用这样一个事实：一般而言，VMPP/VOC的比约等于0.76。这种方法所出现的问题在于它要求立刻设置 PV阵列电流为0来测量阵列的开路电压。这样，阵列的工作电压便被设置为这一测量值的76%。但是，在这期间，阵列被断开，浪费掉了有效能源。同时还发现，76%开电路电压是一个非常接近值的同时，它却并非总是与MPP一致。
 

由于没有一个能够成功地满足所有常用情景要求的MPPT算法，因此许多设计人员都会走一些弯路，它们对系统进行环境条件评估然后选择最佳的算法。实际上，有许多MPPT算法可以用，并且太阳能板厂商提供其自己的算法也很常见。
 

对于一些廉价的控制器来说，执行MPPT算法会是一项难以完成的任务。因为，除MCU的正常控制功能以外，算法还要求这些控制器拥有高性能的计算能力。先进的32位实时微控制器(例如：TI C2000平台中的一些微控制器)就适用于众多太阳能应用。
 

电源逆变器
 

使用单个逆变器具有诸多优点，其中最突出的是简洁性和低成本。使用MPPT算法和其他技术可提高单逆变器系统的效率，但只是在一定程度上。单逆变器拓扑的下降趋势明显，但具体取决于应用。人们最为关心的是可靠性问题：如果一个逆变器故障，便会损失所有太阳板产生的能量，直到修复或者替换该逆变器为止。
 

即使在它完美运行时，单逆变器拓扑结构也会对系统效率产生负面影响。在大多数情况下，每个太阳能板都有不同的达到最大效率控制要求。决定各太阳能板效率的一些因素包括其组件PV单元的制造差异、环境温度差异以及阳光阴影和方向带来的不同程度光照(从太阳接收的原始能量)。
 

通过为每个单独太阳能板都安装一个微型逆变器而不是整个系统使用一个单逆变器可以进一步提高整体系统转换效率。微型逆变器拓扑的主要好处是，即使在一个逆变器故障的情况下能量也会不断得到转换。
 

微型逆变器方法的其他一些好处包括，可以使用高精度PWM对每块太阳能板的转换参数进行调节。由于云、阴影和遮挡都会改变单个太阳能板的输出，因此为每块太阳能板安装微型逆变器让系统可以适应不断变化的负载。这样做可以为单个太阳能板以及整个系统提供最佳的转换效率。
 

微型逆变器构架要求一种专用MCU，以使每块太阳能板都能管理能量转换。但是，这些额外的MCU也可用于提高系统和太阳能板监控能力。例如，大型太阳能板发电厂受益于太阳能板间通信，其有助于保持负载平衡，并让系统管理员能够提前规划可以获得的太阳能大小——以及应该采取的措施。然而，要利用系统监控的这些好处，MCU必须集成片上通信外围器件(CAN、SPI、UART等等)，以简化同太阳能阵列中其他微型逆变器之间的连接。

许多应用中，使用微型逆变器拓扑可极大地提高总系统效率。在太阳能板层面，有望获得30%的效率提高。但由于应用差别很大，因此“平均”系统级提升百分比没有多大意义。

应用分析
 

在评估某个应用的微型逆变器值时，应考虑拓扑结构的数个方面。在一些小型安装中，太阳能板可能会接受几乎相同的光照、温度和阴影条件。这样，微型逆变器可能就只具有很小的效率优势。让太阳能板工作在不同电压下来最大化每块太阳能板的效率要求通过DC/DC转换器将每个输出电压都标准化为蓄电池电压。为了最小化制造成本，DC/DC转换器和逆变器会集成到一个单模块中。用于本地线路电源或进入配电网的DC/AC转换器也会成为该模块的组成部分。
 

太阳能板必须相互通信，其增加了布线和复杂性。这是创建一个同时包含逆变器、DC/DC转换器和太阳能板的模块的另一个争议之处。每个逆变器的MCU功能都仍然必须足够的强大，以运行多个MPPT算法来适应不同的工作条件。拥有多个MCU会增加总系统材料清单成本。只要考虑构架变化，成本就是一个问题。要达到系统成本目标，为每块太阳能板安装一个控制器就意味着芯片必须具备有竞争力的成本，拥有相对较小的尺寸，并且仍然能够同时处理所有的控制、通信和计算任务。
 

集成正混片上控制外围器件以及高度模拟集成是保持系统低成本的基本因素。高性能进行算法也很关键，这些算法是针对执行优化转换、系统监控和存储过程每个步骤的效率优化而开发的。通过选择一种能够满足大多数总系统要求的MCU，可以降低使用多MCU的高成本。除微型逆变器自身的一些需求以外，这些要求还包括AC/DC转换、DC/DC转换以及太阳能板之间的通信。
 

MCU特性
 

仔细研究这些高级要求是确定需要什么功能的MCU的最佳方法。例如，太阳能板并联时需要负载平衡控制。MCU必须能够探测到负载电流，然后通过关闭输出MOSFET来升高或者降低输出电压。这需要一种快速片上ADC来对电压和电流采样。
 

不存在微型逆变器的“饼干模”(通用)设计。这也就是说，设计人员必须发挥聪明才智，创新地找出一些新的技巧和方法，特别是在太阳能板间和系统间通信方面。所选MCU应该支持各种协议，包括一些特殊协议，例如：电力线通信(PLC)和控制器局域网(CAN)等。特别是电力线通信可以通过去除通信专用线来减少系统成本。然而，这要求集成到MCU中的高性能PWM功能、快速ADC和高性能CPU。
 

太阳能逆变器应用专用MCU中一种意料之外却是高价值的特性是双片上振荡器，其可用于增强可靠性的时钟故障检测。同时运行两个系统时钟的能力也有助于减少太阳能板安装期间的问题。由于太阳能微型逆变器设计注定会出现如此多的创新，或许对MCU而言最重要的特性是软件可编程性。这种特性为电源电路设计和控制带来最大程度的灵活性。
 

由于拥有一个能够有效处理算法计算的先进数字运算内核以及一些功率转换控制的片上外围器件组合，C2000微控制器已经广泛地用于许多传统太阳能板逆变器拓扑。一种更为低成本的选择是Piccolo系列C2000微控制器。它拥有最少38引脚的封装尺寸、功能构架改进以及增强型外围器件，以将32位实时控制优势带到如微型逆变器等要求更低总系统成本的应用中。
 

另外，Piccolo MCU系列的各种产品都集成了用于时钟比较的双片上10MHz振荡器、具有上电复位功能和击穿保护的片上VREG、多个高精度150-ps PWM、一个12位及4.6兆采样/秒 ADC，以及一些用于I2C (PMBus)、CAN、SPI和UART通信协议的接口。图3显示了一个与基于微型逆变器的PV系统一起工作的计算机系统配置。
 

对于微型逆变器来说，性能是一个关键特性。尽管相比其他C2000 MCU产品，Piccolo器件更便宜且具有更小的尺寸，但这种器件却拥有许多改进之处，例如：可编程浮点控制律加速器(CLA)设计旨在缓解复杂的高速控制算法，从而让CPU能够分配资源用于处理I/O和反馈环路指标测定，从而在一些闭环应用中获得最多达5倍的性能提升。
 

PV挑战
 

太阳能发电系统的缺点之一是转换效率。太阳能板从每100mm2PV单元采集约1mW的平均功率。一般效率大约为 10%。发电利用率PV源(即，平均产生功率与太阳始终照射情况下能够产生的功率大小之比)约为15%到20%。产生这种结果的原因有很多，其中包括阳光自身的变化无常，即在晚上全部消失，而在白天又通常会受阴影和天气状况影响而减弱。
 

PV转换将更多变量引入效率方程式中，包括太阳能板温度及其理论峰值效率。对于设计工程师们来说，另一个问题是PV单元会产生约0.5V不规律变化的电压。在选择功率转换拓扑时，这种变化会带来严重的影响。例如，较差的功率转换技术实施可能会消耗大量的已采集PV电能。
 

为了适应太阳并非一天24小时照射这种情况，太阳能系统包括了一些电池，以及高效地对这些电池充电所需的复杂电子元件。电池被整合到系统以后，必须为电池充电增加额外的DC/DC转换，同时还要求电池管理和监控。
 

许多太阳能系统还连接电网，从而要求相位同步和功率因数校正。另外，还有几种要求复杂控制的使用情形。例如，必须内建故障预测，以防止公共电网出现如限制用电和停电等事件。这只是一些设计工程师们必须要考虑的重要问题。