離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)設計中的電源電子解決方案分析

圖3的左側用于確定能量存儲要求，圖3的右側用于確定太陽能陣列的規(guī)模。

確定太陽能陣列的規(guī)模

更好地了解負載要求后，我們可以確定太陽能陣列的規(guī)模。根據(jù)圖3，太陽能陣列的規(guī)模必須設定為在規(guī)定的充電時間內使充電量滿足能量存儲要求，同時在該時間段內支持平均負載輸出。下面的公式標識了此高階關系。

太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲容量/充電時間+平均負載功率

我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進行精確的調整，還需了解一些內在和外在因素。從外部因素角度來看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應用的地點，尤其是緯度。僅憑這一點就可以預計太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應用地點相對于太陽的位置就可以預計太陽照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素(包括云層覆蓋和環(huán)境溫度)也可能對系統(tǒng)預計接收的陽光照射量以及能量轉換效率產生不利影響。應該清楚這些外部因素將隨著應用和地點的不同而發(fā)生變化。

此外，系統(tǒng)架構(尤其是設備的連接方式)等內部因素也會影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實現(xiàn)100%的轉換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲和太陽能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計算需要產生的功率，需要考慮電源電子裝置。

電源電子裝置拓撲

盡管圖1中的系統(tǒng)框圖有助于了解能量平衡，但要考慮影響組件尺寸的內部因素，還需要更多細節(jié)。圖4更詳細地描述了系統(tǒng)實現(xiàn)。它也提出了會影響電源電子裝置策略的問題。

基于單片機的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應用中使用標準參考設計，同時仍然可以滿足應用特定的需求并實現(xiàn)高級功能。它不僅可支持基本電源轉換，還在選擇核心組件方面提供了靈活性，支持各種工作條件下的變化并實現(xiàn)優(yōu)化。此外，還可以輕松實現(xiàn)通信和診斷等高級功能。專用的分立式電源轉換器則無法實現(xiàn)這一點。

在此實現(xiàn)方案中，最大的問題來自于負載;關鍵問題是負載的性質是什幺，以及“負載控制”需要是什幺樣子的?需要電壓還是電流?電壓或電流設定值需要精確到什幺程度?負載控制可能像繼電器一樣簡單，也可能像3相逆變器一樣復雜。不管怎樣，它都需要充電器功能(即電源電子裝置)，使用太陽能為能量存儲設備充電。而且，如果系統(tǒng)允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤(MPPT)功能。

圖4：詳細的系統(tǒng)架構總覽

可能首先要做出的決策之一是應該使用公共電源軌架構還是分布式電源軌架構。圖5展示了兩者的差別，負載特性很可能對選擇起決定作用。如果負載需要恒定電壓，則圖5a中顯示的公共軌可能是最佳選擇。在這種情況下，負載控制器是一個簡單的繼電器或固態(tài)開關。太陽能直流/直流轉換器使公共軌保持在電壓設定值，電池充電器從母線汲取電力為能量存儲設備充電。這種方法的優(yōu)點和缺點均在于功率轉換步驟?？紤]到85%的平均功率轉換效率，這意味著每次轉換有15%的損失。如果太陽能直流/直流轉換器能夠支持負載，那幺僅需要一個電源轉換步驟。但要給電池充電，則需要兩個電源轉換步驟(太陽能直流/直流轉換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉換器)，外加一次額外的轉換(雙向直流/直流轉換器到公共軌)才能支持負載。

如果僅在太陽能直流/直流轉換器不工作時(即夜晚)使用負載，則也可以使用公共軌。在這種情況下，可去掉太陽能直流/直流轉換器，并且可使用能量存儲設備上的雙向直流/直流轉換器通過太陽能陣列為電池充電;也可以使用替代方案為負載供電。此時，能量僅需要經過兩個電源轉換步驟(太陽能直流/直流轉換器到雙向直流/直流轉換器，以及雙向直流/直流轉換器到負載)。

圖6中的分布式架構更靈活，可支持不斷變化的負載需求。在這種情況下，可使用太陽能直流/直流轉換器支持能量存儲軌(即充電)，直流/直流轉換器可支持負載需求。這種方法的缺點是始終有兩次電源轉換。但總的來說，如果預計太陽能陣列和負載同時工作，則這是最優(yōu)的解決方案。

圖5：電源軌架構

簡單示例

在從高階角度查看電源結構后，我們現(xiàn)在來看一個簡單的低功耗示例。設想一個可經常在施工桶或混凝土護欄頂部看到的“施工區(qū)危險報警閃光燈”。從高階角度看，報警閃光燈僅在夜晚工作，電池將在所有其它時間充電。這種特性允許我們使用公共母線架構，因為報警閃光燈或者在充電，或者在閃爍，兩種操作不會同時進行。我們可以將太陽能直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器和負載控制合并成一個單獨的雙向轉換器來進一步簡化拓撲。圖6給出了建議的電路設計。