離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電源電子解決方案分析

圖3的左側(cè)用于確定能量存儲(chǔ)要求，圖3的右側(cè)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(fù)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(shè)定為在規(guī)定的充電時(shí)間內(nèi)使充電量滿足能量存儲(chǔ)要求，同時(shí)在該時(shí)間段內(nèi)支持平均負(fù)載輸出。下面的公式標(biāo)識(shí)了此高階關(guān)系。

太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲(chǔ)容量/充電時(shí)間+平均負(fù)載功率

我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲(chǔ)和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對(duì)估算值進(jìn)行精確的調(diào)整，還需了解一些內(nèi)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(yīng)用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預(yù)計(jì)太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應(yīng)用地點(diǎn)相對(duì)于太陽的位置就可以預(yù)計(jì)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(duì)系統(tǒng)預(yù)計(jì)接收的陽光照射量以及能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。應(yīng)該清楚這些外部因素將隨著應(yīng)用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。

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

電源電子裝置拓?fù)?/strong>

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(nèi)部因素，還需要更多細(xì)節(jié)。圖4更詳細(xì)地描述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。它也提出了會(huì)影響電源電子裝置策略的問題。

基于單片機(jī)的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應(yīng)用中使用標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)，同時(shí)仍然可以滿足應(yīng)用特定的需求并實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。它不僅可支持基本電源轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化。此外，還可以輕松實(shí)現(xiàn)通信和診斷等高級(jí)功能。專用的分立式電源轉(zhuǎn)換器則無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

在此實(shí)現(xiàn)方案中，最大的問題來自于負(fù)載;關(guān)鍵問題是負(fù)載的性質(zhì)是什幺，以及“負(fù)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(shè)定值需要精確到什幺程度?負(fù)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(fù)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(chǔ)設(shè)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(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)總覽

可能首先要做出的決策之一是應(yīng)該使用公共電源軌架構(gòu)還是分布式電源軌架構(gòu)。圖5展示了兩者的差別，負(fù)載特性很可能對(duì)選擇起決定作用。如果負(fù)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(fù)載控制器是一個(gè)簡單的繼電器或固態(tài)開關(guān)。太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器使公共軌保持在電壓設(shè)定值，電池充電器從母線汲取電力為能量存儲(chǔ)設(shè)備充電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均在于功率轉(zhuǎn)換步驟。考慮到85%的平均功率轉(zhuǎn)換效率，這意味著每次轉(zhuǎn)換有15%的損失。如果太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器能夠支持負(fù)載，那幺僅需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟。但要給電池充電，則需要兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟(太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器)，外加一次額外的轉(zhuǎn)換(雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌)才能支持負(fù)載。

如果僅在太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器不工作時(shí)(即夜晚)使用負(fù)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(zhuǎn)換器，并且可使用能量存儲(chǔ)設(shè)備上的雙向直流/直流轉(zhuǎn)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(fù)載供電。此時(shí)，能量僅需要經(jīng)過兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟(太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器，以及雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到負(fù)載)。

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

圖5：電源軌架構(gòu)

簡單示例

在從高階角度查看電源結(jié)構(gòu)后，我們現(xiàn)在來看一個(gè)簡單的低功耗示例。設(shè)想一個(gè)可經(jīng)常在施工桶或混凝土護(hù)欄頂部看到的“施工區(qū)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈”。從高階角度看，報(bào)警閃光燈僅在夜晚工作，電池將在所有其它時(shí)間充電。這種特性允許我們使用公共母線架構(gòu)，因?yàn)閳?bào)警閃光燈或者在充電，或者在閃爍，兩種操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行。我們可以將太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器、雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器和負(fù)載控制合并成一個(gè)單獨(dú)的雙向轉(zhuǎn)換器來進(jìn)一步簡化拓?fù)洹D6給出了建議的電路設(shè)計(jì)。