優(yōu)化太陽(yáng)能系統(tǒng)新招：利用微型逆變器連接太陽(yáng)能板

圖1：傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器構(gòu)架包括一個(gè)太陽(yáng)能逆變器，其從一個(gè)PV陣列接收低DC輸出電壓，然后產(chǎn)生AC線(xiàn)壓。

電源逆變器是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的電子組件。在一些商業(yè)應(yīng)用中，這些組件連接光伏(PV)板、存儲(chǔ)電荷的電池以及局域配電系統(tǒng)或公共電網(wǎng)。圖1顯示的是一款典型的太陽(yáng)能逆變器，它從PV陣列DC輸出獲得非常低的電壓，然后將其轉(zhuǎn)換成DC電池電壓、AC線(xiàn)壓和配電網(wǎng)電壓的某種組合。

在一個(gè)典型的太陽(yáng)能采集系統(tǒng)中，多塊太陽(yáng)能板以并聯(lián)方式連接到一個(gè)單逆變器，該逆變器將多個(gè)PV單元的可變DC輸出轉(zhuǎn)換成一種清潔的正弦曲線(xiàn)50Hz或60Hz電壓源。

另外，應(yīng)該注意的是，圖1中微型控制器(MCU)模塊、TMS320C2000或MSP430微型控制器一般包括脈寬調(diào)制(PWM)模塊和A/D轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵片上外圍器件。

主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化轉(zhuǎn)換效率。這是一個(gè)復(fù)雜、反復(fù)的過(guò)程，涉及了算法(最大功率點(diǎn)追蹤算法，MPPT)以及執(zhí)行這些算法的實(shí)時(shí)控制器。

電源轉(zhuǎn)換最大化

不使用MPPT算法的逆變器只是將模塊直接連接到電池，強(qiáng)制它們?cè)陔姵仉妷合鹿ぷ?。幾乎無(wú)一例外，電池電壓并非是采集最大化可用太陽(yáng)能的理想值。

圖2：相比非MPPT系統(tǒng)的53W，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)算法實(shí)現(xiàn)了75W PV輸出。

圖2相比非MPPT系統(tǒng)的53W，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)算法實(shí)現(xiàn)了75W PV輸出。

圖2描述了一個(gè)典型75W模塊和25°C電池溫度的傳統(tǒng)電流/電壓特性。虛線(xiàn)代表電壓(PV伏特)與功率(PV瓦特)的關(guān)系。實(shí)線(xiàn)表示電壓與電流(PV安培)的關(guān)系。正如圖2所示，12V條件下，輸出功率約為53W。換句話(huà)說(shuō)，強(qiáng)制PV模塊在12V下工作后，功率被限定在約53W。

實(shí)施MPPT算法后，情況大為不同。本例中，模塊達(dá)到最大功率時(shí)的電壓為17V。因此，MPPT算法的作用是讓模塊工作在17V電壓下，從而獲得滿(mǎn)75W功率，其與電池電壓無(wú)關(guān)。

高效DC/DC電源轉(zhuǎn)換器將控制器輸入端的17V模塊電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器將17V電壓逐步降至12V，因此本例中MPPT系統(tǒng)的電池充電電流為：

(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE或(17V/12V)×4.45A = 6.30A。

假設(shè)DC/DC轉(zhuǎn)換器為100% 轉(zhuǎn)換效率，則1.85A充電電流增加，也即可達(dá)到42%。

盡管本例假定逆變器正處理來(lái)自一個(gè)單太陽(yáng)能板的能量，但傳統(tǒng)系統(tǒng)一般擁有許多連接至一個(gè)單逆變器的太陽(yáng)能板。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一些不足，具體情況取決于應(yīng)用。

MPPT算法

MPPT算法主要有三種：擾動(dòng)觀(guān)察法、電導(dǎo)增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常被稱(chēng)作“爬山”法，因?yàn)樗鼈兝眠@樣一個(gè)事實(shí)：MPP左側(cè)曲線(xiàn)不斷上升(dP/dV>0)而MPP右側(cè)曲線(xiàn)不斷下降(dP/dV0)。

擾動(dòng)觀(guān)察法(PO)最為常見(jiàn)。該算法以特定方向?qū)ぷ麟妷哼M(jìn)行微擾，然后對(duì)dP/dV進(jìn)行采樣。如果dP/dV為正，則算法知道其朝MPP方向調(diào)節(jié)了電壓。然后，繼續(xù)以該方向調(diào)節(jié)電壓，直到dP/dV為負(fù)。

PO算法很容易實(shí)施，但有時(shí)它們會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的MPP周?chē)霈F(xiàn)振蕩。另外，在快速變化的空氣條件下，它們的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至?xí)阱e(cuò)誤的方向追蹤。

電導(dǎo)增量(INC)法使用PV陣列的增量電導(dǎo)dI/dV來(lái)計(jì)算dP/dV的符號(hào)。相比PO，INC快速追蹤變化的光照條件更加準(zhǔn)確。然而，與PO相同，它會(huì)產(chǎn)生振蕩，并會(huì)在快速變化的空氣條件影響下變得混亂不清。另一個(gè)缺點(diǎn)是，其高復(fù)雜性增加了計(jì)算時(shí)間，并降低了采樣頻率。

第三種方法是恒定電壓法，其利用這樣一個(gè)事實(shí)：一般而言，VMPP/VOC的比約等于0.76。這種方法所出現(xiàn)的問(wèn)題在于它要求立刻設(shè)置PV陣列電流為0來(lái)測(cè)量陣列的開(kāi)路電壓。這樣，陣列的工作電壓便被設(shè)置為這一測(cè)量值的76%。但是，在這期間，陣列被斷開(kāi)，浪費(fèi)掉了有效能源。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，76%開(kāi)電路電壓是一個(gè)非常接近值的同時(shí)，它卻并非總是與MPP一致。

由于沒(méi)有一個(gè)能夠成功地滿(mǎn)足所有常用情景要求的MPPT算法，因此許多設(shè)計(jì)人員都會(huì)走一些彎路，它們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境條件評(píng)估然后選擇最佳的算法。實(shí)際上，有許多MPPT算法可以用，并且太陽(yáng)能板廠(chǎng)商提供其自己的算法也很常見(jiàn)。

對(duì)于一些廉價(jià)的控制器來(lái)說(shuō)，執(zhí)行MPPT算法會(huì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。因?yàn)?，除MCU的正?？刂乒δ芤酝?，算法還要求這些控制器擁有高性能的計(jì)算能力。先進(jìn)的32位實(shí)時(shí)微控制器(例如：TI C2000平臺(tái)中的一些微控制器)就適用于眾多太陽(yáng)能應(yīng)用。

電源逆變器

使用單個(gè)逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的是簡(jiǎn)潔性和低成本。使用MPPT算法和其他技術(shù)可提高單逆變器系統(tǒng)的效率，但只是在一定程度上。單逆變器拓?fù)涞南陆第厔?shì)明顯，但具體取決于應(yīng)用。人們最為關(guān)心的是可靠性問(wèn)題：如果一個(gè)逆變器故障，便會(huì)損失所有太陽(yáng)板產(chǎn)生的能量，直到修復(fù)或者替換該逆變器為止。

即使在它完美運(yùn)行時(shí)，單逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在大多數(shù)情況下，每個(gè)太陽(yáng)能板都有不同的達(dá)到最大效率控制要求。決定各太陽(yáng)能板效率的一些因素包括其組件PV單元的制造差異、環(huán)境溫度差異以及陽(yáng)光陰影和方向帶來(lái)的不同程度光照(從太陽(yáng)接收的原始能量)。

通過(guò)為每個(gè)單獨(dú)太陽(yáng)能板都安裝一個(gè)微型逆變器而不是整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)單逆變器可以進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓?fù)涞闹饕锰幨?，即使在一個(gè)逆變器故障的情況下能量也會(huì)不斷得到轉(zhuǎn)換。

微型逆變器方法的其他一些好處包括，可以使用高精度PWM對(duì)每塊太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于云、陰影和遮擋都會(huì)改變單個(gè)太陽(yáng)能板的輸出，因此為每塊太陽(yáng)能板安裝微型逆變器讓系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)載。這樣做可以為單個(gè)太陽(yáng)能板以及整個(gè)系統(tǒng)提供最佳的轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器構(gòu)架要求一種專(zhuān)用MCU，以使每塊太陽(yáng)能板都能管理能量轉(zhuǎn)換。但是，這些額外的MCU也可用于提高系統(tǒng)和太陽(yáng)能板監(jiān)控能力。例如，大型太陽(yáng)能板發(fā)電廠(chǎng)受益于太陽(yáng)能板間通信，其有助于保持負(fù)載平衡，并讓系統(tǒng)管理員能夠提前規(guī)劃可以獲得的太陽(yáng)能大小——以及應(yīng)該采取的措施。然而，要利用系統(tǒng)監(jiān)控的這些好處，MCU必須集成片上通信外圍器件(CAN、SPI、UART等等)，以簡(jiǎn)化同太陽(yáng)能陣列中其他微型逆變器之間的連接。

許多應(yīng)用中，使用微型逆變器拓?fù)淇蓸O大地提高總系統(tǒng)效率。在太陽(yáng)能板層面，有望獲得30%的效率提高。但由于應(yīng)用差別很大，因此“平均”系統(tǒng)級(jí)提升百分比沒(méi)有多大意義。

應(yīng)用分析

在評(píng)估某個(gè)應(yīng)用的微型逆變器值時(shí)，應(yīng)考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)個(gè)方面。

在一些小型安裝中，太陽(yáng)能板可能會(huì)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(shì)。

讓太陽(yáng)能板工作在不同電壓下來(lái)最大化每塊太陽(yáng)能板的效率要求通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器將每個(gè)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(huì)集成到一個(gè)單模塊中。用于本地線(xiàn)路電源或進(jìn)入配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也會(huì)成為該模塊的組成部分。

太陽(yáng)能板必須相互通信，其增加了布線(xiàn)和復(fù)雜性。這是創(chuàng)建一個(gè)同時(shí)包含逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽(yáng)能板的模塊的另一個(gè)爭(zhēng)議之處。

每個(gè)逆變器的MCU功能都仍然必須足夠的強(qiáng)大，以運(yùn)行多個(gè)MPPT算法來(lái)適應(yīng)不同的工作條件。

擁有多個(gè)MCU會(huì)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(gè)問(wèn)題。要達(dá)到系統(tǒng)成本目標(biāo)，為每塊太陽(yáng)能板安裝一個(gè)控制器就意味著芯片必須具備有競(jìng)爭(zhēng)力的成本，擁有相對(duì)較小的尺寸，并且仍然能夠同時(shí)處理所有的控制、通信和計(jì)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(jìn)行算法也很關(guān)鍵，這些算法是針對(duì)執(zhí)行優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和存儲(chǔ)過(guò)程每個(gè)步驟的效率優(yōu)化而開(kāi)發(fā)的。

通過(guò)選擇一種能夠滿(mǎn)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(yáng)能板之間的通信。

MCU特性

仔細(xì)研究這些高級(jí)要求是確定需要什么功能的MCU的最佳方法。例如，太陽(yáng)能板并聯(lián)時(shí)需要負(fù)載平衡控制。MCU必須能夠探測(cè)到負(fù)載電流，然后通過(guò)關(guān)閉輸出MOSFET來(lái)升高或者降低輸出電壓。這需要一種快速片上ADC來(lái)對(duì)電壓和電流采樣。

不存在微型逆變器的“餅干模”(通用)設(shè)計(jì)。這也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)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(yáng)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(xiàn)通信(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線(xiàn)通信可以通過(guò)去除通信專(zhuān)用線(xiàn)來(lái)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(yáng)能逆變器應(yīng)用專(zhuān)用MCU中一種意料之外卻是高價(jià)值的特性是雙片上振蕩器，其可用于增強(qiáng)可靠性的時(shí)鐘故障檢測(cè)。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(yáng)能板安裝期間的問(wèn)題。

由于太陽(yáng)能微型逆變器設(shè)計(jì)注定會(huì)出現(xiàn)如此多的創(chuàng)新，或許對(duì)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(jì)和控制帶來(lái)最大程度的靈活性。

由于擁有一個(gè)能夠有效處理算法計(jì)算的先進(jìn)數(shù)字運(yùn)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(yáng)能板逆變器拓?fù)洹Ｒ环N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(jìn)以及增強(qiáng)型外圍器件，以將32位實(shí)時(shí)控制優(yōu)勢(shì)帶到如微型逆變器等要求更低總系統(tǒng)成本的應(yīng)用中。

圖3：基于微型逆變器的PV系統(tǒng)的MCU系統(tǒng)配置包括CPU、內(nèi)存、電源及時(shí)鐘和一些外圍器件。

另外，Piccolo MCU系列的各種產(chǎn)品都集成了用于時(shí)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(hù)的片上VREG、多個(gè)高精度150-ps PWM、一個(gè)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(gè)與基于微型逆變器的PV系統(tǒng)一起工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。

對(duì)于微型逆變器來(lái)說(shuō)，性能是一個(gè)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(jìn)之處，例如：可編程浮點(diǎn)控制律加速器(CLA)設(shè)計(jì)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(cè)定，從而在一些閉環(huán)應(yīng)用中獲得最多達(dá)5倍的性能提升。

PV挑戰(zhàn)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光自身的變化無(wú)常，即在晚上全部消失，而在白天又通常會(huì)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(yáng)能板溫度及其理論峰值效率。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師們來(lái)說(shuō)，另一個(gè)問(wèn)題是PV單元會(huì)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(shí)，這種變化會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。例如，較差的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)施可能會(huì)消耗大量的已采集PV電能。

為了適應(yīng)太陽(yáng)并非一天24小時(shí)照射這種情況，太陽(yáng)能系統(tǒng)包括了一些電池，以及高效地對(duì)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(shí)還要求電池管理和監(jiān)控。

許多太陽(yáng)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(cè)，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(jì)工程師們必須要考慮的重要問(wèn)題。

作者：Yu, Z.
Ogboenyira, K.
德州儀器(TI)公司