基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

　　應(yīng)用分析

　　當(dāng)*估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價值時，應(yīng)從幾個方面考慮拓撲結(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)計成一個模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也可被整合進該模塊。

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

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

　　采用多個MCU會加大整體系統(tǒng)的材料成本。

　　每當(dāng)考慮改變架構(gòu)時都會關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價格目標(biāo)，為每個面板都配備一個控制器意味著該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時處理所有的控制、通信和計算任務(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)低成本的兩個基本要素。為執(zhí)行針對優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲各環(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系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個MCU所導(dǎo)致的成本增加。

　　MCU特性

　　仔細權(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開/關(guān)輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

　　微型逆變器設(shè)計沒有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)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(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。

　　對于針對太陽能逆變器應(yīng)用所設(shè)計的MCU，一個意想不到但極具價值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時運行兩個系統(tǒng)時鐘的能力也有助于減少太陽能電池板安裝時出現(xiàn)的問題。

　　由于在太陽能微型逆變器設(shè)計中凝聚了如此多的創(chuàng)新，對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數(shù)字運算處理內(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個引腳，但其架構(gòu)更先進、外設(shè)也得到增強，從而可把32位實時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)品都集成了兩個用于時鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復(fù)位和掉電保護的片上VREG、多個高分辨率150ps的PWM、一個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顯示了一個與基于微型逆變器的光伏系統(tǒng)一起使用的計算機系統(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、存儲器、電源及時鐘、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。對設(shè)計工程師來說，另一個問題是光伏電池產(chǎn)生的電壓約有0.5V不規(guī)則變化。當(dāng)選擇能量轉(zhuǎn)換拓撲時，這種變化會帶來嚴(yán)重影響。例如，對低效的能量轉(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小時都照射這一事實，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，電池充電需要額外的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，同時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)警機制以防范公共電網(wǎng)的停掉電等事件。這些僅僅是設(shè)計工程師必須要考慮的頭等大事。