太陽(yáng)能系統(tǒng)效率和可靠性?xún)?yōu)化新方法

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(guò)去除通信專(zhuān)用線來(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)?。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(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。

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。