利用微型逆變器優(yōu)化太陽(yáng)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)廉價(jià)控制器來(lái)說(shuō)，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡?，執(zhí)行MPPT算法絕非易事，該算法需要這些控制器具有高超的計(jì)算能力。諸如德州儀器C2000平臺(tái)系列的先進(jìn)32位實(shí)時(shí)微控制器就適合于各種太陽(yáng)能應(yīng)用。

電源逆變器

使用單個(gè)逆變器有許多好處，其中最突出的是簡(jiǎn)單和低成本。采用MPPT算法和其它技術(shù)提高了單逆變器系統(tǒng)的效率，但這只是在一定程度上。根據(jù)應(yīng)用的不同，單個(gè)逆變器拓?fù)涞娜秉c(diǎn)會(huì)很明顯。最突出的是可靠性問(wèn)題：只要這個(gè)逆變器發(fā)生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有面板產(chǎn)生的能量都浪費(fèi)掉了。

即使逆變器工作正常，單逆變器拓?fù)湟部赡軐?duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在大多數(shù)情況下，為達(dá)到最高效率，每個(gè)太陽(yáng)能電池板都有不同的控制要求。決定各面板效率的因素有：面板內(nèi)所含光伏電池組件的制造差異、不同的環(huán)境溫度、陰影和方位造成的不同光照強(qiáng)度(接收到的太陽(yáng)原始能量)。

與整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)逆變器相比，為系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)太陽(yáng)能電池板都配備一個(gè)微型逆變器會(huì)再次提升整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓?fù)涞闹饕锰幨?，即便其中一個(gè)逆變器出現(xiàn)故障，能量轉(zhuǎn)換仍能進(jìn)行。

采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調(diào)整每個(gè)太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于云朵、陰影和背陰會(huì)改變每個(gè)面板的輸出，為每個(gè)面板配備獨(dú)有的微型逆變器就允許系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的負(fù)載情況。這為各面板及整個(gè)系統(tǒng)都提供了最佳轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器架構(gòu)要求每個(gè)面板都有一個(gè)專用MCU來(lái)管理能源轉(zhuǎn)換。不過(guò)，這些附加的MCU也可被用來(lái)改善系統(tǒng)和面板的監(jiān)測(cè)。

例如，大型的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)就受益于面板間的通信以幫助保持負(fù)載平衡并允許系統(tǒng)管理員事先計(jì)劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過(guò)，為充分利用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的好處，MCU必須集成片上通信外圍設(shè)備(CAN、SPI、UART等)以便簡(jiǎn)化與太陽(yáng)能陣列內(nèi)其它微型逆變器的接口。

在許多應(yīng)用中，使用微型逆變器拓?fù)淇梢燥@著提高系統(tǒng)整體效率。在面板級(jí)，效率有望提升30％。但由于各應(yīng)用差異很大，系統(tǒng)級(jí)改善的“平均”百分比并沒(méi)多大意義。

應(yīng)用分析

當(dāng)評(píng)估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價(jià)值時(shí)，應(yīng)從幾個(gè)方面考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在小型應(yīng)用中，各面板有可能面臨基本相同的光照、溫度和陰影等條件。因此，微型逆變器在提升效率方面作用有限。

為使各面板工作在不同電壓以獲得最高能效，要求采用DC/DC轉(zhuǎn)換器使各面板的輸出電壓統(tǒng)一于儲(chǔ)能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也可被整合進(jìn)該模塊。

太陽(yáng)能面板必須要互相通信，這會(huì)增加導(dǎo)線和復(fù)雜性。這是對(duì)在模塊中包含進(jìn)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽(yáng)能電池板的另一個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)。

每個(gè)逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來(lái)運(yùn)行多個(gè)MPPT算法以適應(yīng)不同的操作環(huán)境。

采用多個(gè)MCU會(huì)加大整體系統(tǒng)的材料成本。

每當(dāng)考慮改變架構(gòu)時(shí)都會(huì)關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價(jià)格目標(biāo)，為每個(gè)面板都配備一個(gè)控制器意味著該控制器的成本必須要有競(jìng)爭(zhēng)力、外形較小，但仍能同時(shí)處理所有的控制、通信和計(jì)算任務(wù)。

片上集成恰當(dāng)?shù)目刂仆庠O(shè)以及高模擬集成度是保證系統(tǒng)低成本的兩個(gè)基本要素。為執(zhí)行針對(duì)優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲(chǔ)各環(huán)節(jié)中的效率所開發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

使用除可滿足微型逆變器本身要求之外，還可處理包括AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/DC轉(zhuǎn)換以及面板間通訊等整個(gè)系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個(gè)MCU所導(dǎo)致的成本增加。MCU特性

仔細(xì)權(quán)衡這些高層次要求是確定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，當(dāng)并聯(lián)面板時(shí)需要負(fù)載平衡控制。所選MCU必須能檢測(cè)負(fù)載電流以及能通過(guò)開/關(guān)輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個(gè)高速片上ADC來(lái)采樣電壓和電流。

微型逆變器設(shè)計(jì)沒(méi)有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)計(jì)者必須有能力和創(chuàng)新精神采用新技巧、新技術(shù)，特別是在面板間和系統(tǒng)間的通信方面。最合適的MCU應(yīng)支持各種協(xié)議，包括一些平常不會(huì)想到的如電力線通訊(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線通訊，因不再需專門的通信線路，所以可降低系統(tǒng)成本。但這需要MCU內(nèi)置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

對(duì)于針對(duì)太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用所設(shè)計(jì)的MCU，一個(gè)意想不到但極具價(jià)值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時(shí)鐘故障檢測(cè)以提高可靠性。能夠同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)系