太陽能系統(tǒng)效率和可靠性優(yōu)化新方法

應(yīng)用分析

在評估某個應(yīng)用的微型逆變器值時，應(yīng)考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)個方面。在一些小型安裝中，太陽能板可能會接受幾乎相同的光照、溫度和陰影條件。這樣，微型逆變器可能就只具有很小的效率優(yōu)勢。讓太陽能板工作在不同電壓下來最大化每塊太陽能板的效率要求通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將每個輸出電壓都標(biāo)準(zhǔn)化為蓄電池電壓。為了最小化制造成本，DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器會集成到一個單模塊中。用于本地線路電源或進入配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也會成為該模塊的組成部分。

太陽能板必須相互通信，其增加了布線和復(fù)雜性。這是創(chuàng)建一個同時包含逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽能板的模塊的另一個爭議之處。每個逆變器的MCU功能都仍然必須足夠的強大，以運行多個MPPT算法來適應(yīng)不同的工作條件。擁有多個MCU會增加總系統(tǒng)材料清單成本。只要考慮構(gòu)架變化，成本就是一個問題。要達到系統(tǒng)成本目標(biāo)，為每塊太陽能板安裝一個控制器就意味著芯片必須具備有競爭力的成本，擁有相對較小的尺寸，并且仍然能夠同時處理所有的控制、通信和計算任務(wù)。

集成正混片上控制外圍器件以及高度模擬集成是保持系統(tǒng)低成本的基本因素。高性能進行算法也很關(guān)鍵，這些算法是針對執(zhí)行優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和存儲過程每個步驟的效率優(yōu)化而開發(fā)的。通過選擇一種能夠滿足大多數(shù)總系統(tǒng)要求的MCU，可以降低使用多MCU的高成本。除微型逆變器自身的一些需求以外，這些要求還包括AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/DC轉(zhuǎn)換以及太陽能板之間的通信。

MCU特性

仔細(xì)研究這些高級要求是確定需要什么功能的MCU的最佳方法。例如，太陽能板并聯(lián)時需要負(fù)載平衡控制。MCU必須能夠探測到負(fù)載電流，然后通過關(guān)閉輸出MOSFET來升高或者降低輸出電壓。這需要一種快速片上ADC來對電壓和電流采樣。

不存在微型逆變器的“餅干模”(通用)設(shè)計。這也就是說，設(shè)計人員必須發(fā)揮聰明才智，創(chuàng)新地找出一些新的技巧和方法，特別是在太陽能板間和系統(tǒng)間通信方面。所選MCU應(yīng)該支持各種協(xié)議，包括一些特殊協(xié)議，例如：電力線通信(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線通信可以通過去除通信專用線來減少系統(tǒng)成本。然而，這要求集成到MCU中的高性能PWM功能、快速ADC和高性能CPU。

太陽能逆變器應(yīng)用專用MCU中一種意料之外卻是高價值的特性是雙片上振蕩器，其可用于增強可靠性的時鐘故障檢測。同時運行兩個系統(tǒng)時鐘的能力也有助于減少太陽能板安裝期間的問題。由于太陽能微型逆變器設(shè)計注定會出現(xiàn)如此多的創(chuàng)新，或許對MCU而言最重要的特性是軟件可編程性。這種特性為電源電路設(shè)計和控制帶來最大程度的靈活性。

由于擁有一個能夠有效處理算法計算的先進數(shù)字運算內(nèi)核以及一些功率轉(zhuǎn)換控制的片上外圍器件組合，C2000微控制器已經(jīng)廣泛地用于許多傳統(tǒng)太陽能板逆變器拓?fù)?。一種更為低成本的選擇是Piccolo系列C2000微控制器。它擁有最少38引腳的封裝尺寸、功能構(gòu)架改進以及增強型外圍器件，以將32位實時控制優(yōu)勢帶到如微型逆變器等要求更低總系統(tǒng)成本的應(yīng)用中。

另外，Piccolo MCU系列的各種產(chǎn)品都集成了用于時鐘比較的雙片上10MHz振蕩器、具有上電復(fù)位功能和擊穿保護的片上VREG、多個高精度150-ps PWM、一個12位及4.6兆采樣/秒 ADC，以及一些用于I2C (PMBus)、CAN、SPI和UART通信協(xié)議的接口。圖3顯示了一個與基于微型逆變器的PV系統(tǒng)一起工作的計算機系統(tǒng)配置。

對于微型逆變器來說，性能是一個關(guān)鍵特性。盡管相比其他C2000 MCU產(chǎn)品，Piccolo器件更便宜且具有更小的尺寸，但這種器件卻擁有許多改進之處，例如：可編程浮點控制律加速器(CLA)設(shè)計旨在緩解復(fù)雜的高速控制算法，從而讓CPU能夠分配資源用于處理I/O和反饋環(huán)路指標(biāo)測定，從而在一些閉環(huán)應(yīng)用中獲得最多達5倍的性能提升。

PV挑戰(zhàn)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽能板從每100mm2PV單元采集約1mW的平均功率。一般效率大約為 10%。發(fā)電利用率PV源(即，平均產(chǎn)生功率與太陽始終照射情況下能夠產(chǎn)生的功率大小之比)約為15%到20%。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因有很多，其中包括陽光自身的變化無常，即在晚上全部消失，而在白天又通常會受陰影和天氣狀況影響而減弱。

PV轉(zhuǎn)換將更多變量引入效率方程式中，包括太陽能板溫度及其理論峰值效率。對于設(shè)計工程師們來說，另一個問題是PV單元會產(chǎn)生約0.5V不規(guī)律變化的電壓。在選擇功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋾r，這種變化會帶來嚴(yán)重的影響。例如，較差的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)實施可能會消耗大量的已采集PV電能。

為了適應(yīng)太陽并非一天24小時照射這種情況，太陽能系統(tǒng)包括了一些電池，以及高效地對這些電池充電所需的復(fù)雜電子元件。電池被整合到系統(tǒng)以后，必須為電池充電增加額外的DC/DC轉(zhuǎn)換，同時還要求電池管理和監(jiān)控。

許多太陽能系統(tǒng)還連接電網(wǎng)，從而要求相位同步和功率因數(shù)校正。另外，還有幾種要求復(fù)雜控制的使用情形。例如，必須內(nèi)建故障預(yù)測，以防止公共電網(wǎng)出現(xiàn)如限制用電和停電等事件。這只是一些設(shè)計工程師們必須要考慮的重要問題。