基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用分析

　　當(dāng)*估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價(jià)值時(shí)，應(yīng)從幾個(gè)方面考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在小型應(yīng)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(zhuǎn)換器使各面板的輸出電壓統(tǒng)一于儲(chǔ)能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也可被整合進(jìn)該模塊。

　　太陽能面板必須要互相通信，這會(huì)增加導(dǎo)線和復(fù)雜性。這是對(duì)在模塊中包含進(jìn)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽能電池板的另一個(gè)爭論點(diǎn)。

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

　　采用多個(gè)MCU會(huì)加大整體系統(tǒng)的材料成本。

　　每當(dāng)考慮改變架構(gòu)時(shí)都會(huì)關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價(jià)格目標(biāo)，為每個(gè)面板都配備一個(gè)控制器意味著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(jì)算任務(wù)。

　　片上集成恰當(dāng)?shù)目刂仆庠O(shè)以及高模擬集成度是保證系統(tǒng)低成本的兩個(gè)基本要素。為執(zhí)行針對(duì)優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲(chǔ)各環(huán)節(jié)中的效率所開發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

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

　　MCU特性

　　仔細(xì)權(quán)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(dāng)并聯(lián)面板時(shí)需要負(fù)載平衡控制。所選MCU必須能檢測負(fù)載電流以及能通過開/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來采樣電壓和電流。

　　微型逆變器設(shè)計(jì)沒有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)計(jì)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(tǒng)間的通信方面。最合適的MCU應(yīng)支持各種協(xié)議，包括一些平常不會(huì)想到的如電力線通訊(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線通訊，因不再需專門的通信線路，所以可降低系統(tǒng)成本。但這需要MCU內(nèi)置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

　　對(duì)于針對(duì)太陽能逆變器應(yīng)用所設(shè)計(jì)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(yùn)行兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的能力也有助于減少太陽能電池板安裝時(shí)出現(xiàn)的問題。

　　由于在太陽能微型逆變器設(shè)計(jì)中凝聚了如此多的創(chuàng)新，對(duì)MCU來說，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(shè)計(jì)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(yùn)算的先進(jìn)數(shù)字運(yùn)算處理內(nèi)核以及用于能量轉(zhuǎn)換控制的片上外設(shè)集，已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的太陽能電池板逆變器拓?fù)渲?。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是經(jīng)濟(jì)款，該系列的最小封裝只有38個(gè)引腳，但其架構(gòu)更先進(jìn)、外設(shè)也得到增強(qiáng)，從而可把32位實(shí)時(shí)控制的好處帶給要求低總體系統(tǒng)成本的微型逆變器等應(yīng)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(fù)位和掉電保護(hù)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(tǒng)一起使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。

　　圖3：面向基于微逆變器PV的系統(tǒng)的MCU系統(tǒng)包含CPU、存儲(chǔ)器、電源及時(shí)鐘、外設(shè)。

　　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(dān)處理復(fù)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無需處理I/O和反饋回路，在閉環(huán)應(yīng)用中，可使性能提高5倍。

　　光伏電池的挑戰(zhàn)

　　基于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池板能從每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(shù)(即在陽光一直照射的條件下，太陽能電池實(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?qū)е逻@一結(jié)果，包括陽光本身的變化，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(dǎo)致光照減少。

　　光電轉(zhuǎn)換為效率計(jì)算引入了更多變數(shù)，包括太陽能電池板的溫度及其理論峰值效率。對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說，另一個(gè)問題是光伏電池產(chǎn)生的電壓約有0.5V不規(guī)則變化。當(dāng)選擇能量轉(zhuǎn)換拓?fù)鋾r(shí)，這種變化會(huì)帶來嚴(yán)重影響。例如，對(duì)低效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來說，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏電能。

　　為適應(yīng)太陽不是全天24小時(shí)都照射這一事實(shí)，太陽能供電系統(tǒng)要包含電池以及給電池高效充電所需的復(fù)雜電子器件。當(dāng)電池被集成到系統(tǒng)中時(shí)，電池充電需要額外的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)還需要電池管理和監(jiān)控。

　　許多由太陽能供電的系統(tǒng)還與電網(wǎng)對(duì)接，從而要求相位同步和功率因數(shù)校正。還有許多需要復(fù)雜控制的使用環(huán)境。例如，必須內(nèi)置故障預(yù)警機(jī)制以防范公共電網(wǎng)的停掉電等事件。這些僅僅是設(shè)計(jì)工程師必須要考慮的頭等大事。