太陽能系統(tǒng)效率和可靠性優(yōu)化新方法

優(yōu)化太陽能系統(tǒng)效率和可靠性的一種較新方法是使用連接至每個單獨太陽能板的微型逆變器。為每個太陽能板都安裝其自己的微型逆變器，讓系統(tǒng)可以適應(yīng)其變化的負載和空氣環(huán)境，從而為單個太陽能板和整個系統(tǒng)提供最佳的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器構(gòu)架還實現(xiàn)了更簡單的布線，從而實現(xiàn)更低的安裝成本。通過提高用戶太陽能系統(tǒng)的效率可縮短系統(tǒng)的初始技術(shù)投入回報時間。

電源逆變器是太陽能發(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線壓和配電網(wǎng)電壓的某種組合。

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

主要設(shè)計目標(biāo)是最大化轉(zhuǎn)換效率。這是一個復(fù)雜、反復(fù)的過程，涉及了算法(最大功率點追蹤算法，MPPT)以及執(zhí)行這些算法的實時控制器。

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，強制它們在電池電壓下工作。幾乎無一例外，電池電壓并非是采集最大化可用太陽能的理想值。

實施MPPT算法后，情況大為不同。本例中，模塊達到最大功率時的電壓為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75W功率，其與電池電壓無關(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，也即可達到42%。

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

MPPT算法

MPPT算法主要有三種：擾動觀察法、電導(dǎo)增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常被稱作“爬山”法，因為它們利用這樣一個事實：MPP左側(cè)曲線不斷上升(dP/dV>0)而MPP右側(cè)曲線不斷下降(dP/dV0)。

擾動觀察法(PO)最為常見。該算法以特定方向?qū)ぷ麟妷哼M行微擾，然后對dP/dV進行采樣。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。

PO算法很容易實施，但有時它們會導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)運行的MPP周圍出現(xiàn)振蕩。另外，在快速變化的空氣條件下，它們的響應(yīng)時間較長，甚至?xí)阱e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來計算dP/dV的符號。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，它會產(chǎn)生振蕩，并會在快速變化的空氣條件影響下變得混亂不清。另一個缺點是，其高復(fù)雜性增加了計算時間，并降低了采樣頻率。第三種方法是恒定電壓法，其利用這樣一個事實：一般而言，VMPP/VOC的比約等于0.76。這種方法所出現(xiàn)的問題在于它要求立刻設(shè)置 PV陣列電流為0來測量陣列的開路電壓。這樣，陣列的工作電壓便被設(shè)置為這一測量值的76%。但是，在這期間，陣列被斷開，浪費掉了有效能源。同時還發(fā)現(xiàn)，76%開電路電壓是一個非常接近值的同時，它卻并非總是與MPP一致。

由于沒有一個能夠成功地滿足所有常用情景要求的MPPT算法，因此許多設(shè)計人員都會走一些彎路，它們對系統(tǒng)進行環(huán)境條件評估然后選擇最佳的算法。實際上，有許多MPPT算法可以用，并且太陽能板廠商提供其自己的算法也很常見。

對于一些廉價的控制器來說，執(zhí)行MPPT算法會是一項難以完成的任務(wù)。因為，除MCU的正?？刂乒δ芤酝猓惴ㄟ€要求這些控制器擁有高性能的計算能力。先進的32位實時微控制器(例如：TI C2000平臺中的一些微控制器)就適用于眾多太陽能應(yīng)用。

電源逆變器

使用單個逆變器具有諸多優(yōu)點，其中最突出的是簡潔性和低成本。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。單逆變器拓撲的下降趨勢明顯，但具體取決于應(yīng)用。人們最為關(guān)心的是可靠性問題：如果一個逆變器故障，便會損失所有太陽板產(chǎn)生的能量，直到修復(fù)或者替換該逆變器為止。

即使在它完美運行時，單逆變器拓撲結(jié)構(gòu)也會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生負面影響。在大多數(shù)情況下，每個太陽能板都有不同的達到最大效率控制要求。決定各太陽能板效率的一些因素包括其組件PV單元的制造差異、環(huán)境溫度差異以及陽光陰影和方向帶來的不同程度光照(從太陽接收的原始能量)。

通過為每個單獨太陽能板都安裝一個微型逆變器而不是整個系統(tǒng)使用一個單逆變器可以進一步提高整體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即使在一個逆變器故障的情況下能量也會不斷得到轉(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對每塊太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行調(diào)節(jié)。由于云、陰影和遮擋都會改變單個太陽能板的輸出，因此為每塊太陽能板安裝微型逆變器讓系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負載。這樣做可以為單個太陽能板以及整個系統(tǒng)提供最佳的轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器構(gòu)架要求一種專用MCU，以使每塊太陽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)和太陽能板監(jiān)控能力。例如，大型太陽能板發(fā)電廠受益于太陽能板間通信，其有助于保持負載平衡，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)，以簡化同太陽能陣列中其他微型逆變器之間的連接。

許多應(yīng)用中，使用微型逆變器拓撲可極大地提高總系統(tǒng)效率。在太陽能板層面，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)級提升百分比沒有多大意義。