優(yōu)化太陽能系統(tǒng)新招：利用微型逆變器連接太陽能板

圖1：傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器構(gòu)架包括一個(gè)太陽能逆變器，其從一個(gè)PV陣列接收低DC輸出電壓，然后產(chǎn)生AC線壓。

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(chǔ)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(gè)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(gè)單逆變器，該逆變器將多個(gè)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。

另外，應(yīng)該注意的是，圖1中微型控制器(MCU)模塊、TMS320C2000或MSP430微型控制器一般包括脈寬調(diào)制(PWM)模塊和A/D轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵片上外圍器件。

主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化轉(zhuǎn)換效率。這是一個(gè)復(fù)雜、反復(fù)的過程，涉及了算法(最大功率點(diǎn)追蹤算法，MPPT)以及執(zhí)行這些算法的實(shí)時(shí)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(qiáng)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。

圖2：相比非MPPT系統(tǒng)的53W，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)算法實(shí)現(xiàn)了75W PV輸出。

圖2相比非MPPT系統(tǒng)的53W，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)算法實(shí)現(xiàn)了75W PV輸出。

圖2描述了一個(gè)典型75W模塊和25°C電池溫度的傳統(tǒng)電流/電壓特性。虛線代表電壓(PV伏特)與功率(PV瓦特)的關(guān)系。實(shí)線表示電壓與電流(PV安培)的關(guān)系。正如圖2所示，12V條件下，輸出功率約為53W。換句話說，強(qiáng)制PV模塊在12V下工作后，功率被限定在約53W。

實(shí)施MPPT算法后，情況大為不同。本例中，模塊達(dá)到最大功率時(shí)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(dá)到42%。

盡管本例假定逆變器正處理來自一個(gè)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(gè)單逆變器的太陽能板。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)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(dòng)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?yàn)樗鼈兝眠@樣一個(gè)事實(shí)：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(dòng)觀察法(PO)最為常見。該算法以特定方向?qū)ぷ麟妷哼M(jìn)行微擾，然后對(duì)dP/dV進(jìn)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(fù)。

PO算法很容易實(shí)施，但有時(shí)它們會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)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(shí)間較長，甚至?xí)阱e(cuò)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(jì)算dP/dV的符號(hào)。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(huì)產(chǎn)生振蕩，并會(huì)在快速變化的空氣條件影響下變得混亂不清。另一個(gè)缺點(diǎn)是，其高復(fù)雜性增加了計(jì)算時(shí)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(gè)事實(shí)：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(fèi)掉了有效能源。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，76%開電路電壓是一個(gè)非常接近值的同時(shí)，它卻并非總是與MPP一致。

由于沒有一個(gè)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(jì)人員都會(huì)走一些彎路，它們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境條件評(píng)估然后選擇最佳的算法。實(shí)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(duì)于一些廉價(jià)的控制器來說，執(zhí)行MPPT算法會(huì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。因?yàn)?，除MCU的正常控制功能以外，算法還要求這些控制器擁有高性能的計(jì)算能力。先進(jìn)的32位實(shí)時(shí)微控制器(例如：TI C2000平臺(tái)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(gè)逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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?fù)涞南陆第厔菝黠@，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(gè)逆變器故障，便會(huì)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(yùn)行時(shí)，單逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在大多數(shù)情況下，每個(gè)太陽能板都有不同的達(dá)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(gè)單獨(dú)太陽能板都安裝一個(gè)微型逆變器而不是整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)單逆變器可以進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓?fù)涞闹饕锰幨?，即使在一個(gè)逆變器故障的情況下能量也會(huì)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(duì)每塊太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于云、陰影和遮擋都會(huì)改變單個(gè)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(fù)載。這樣做可以為單個(gè)太陽能板以及整個(gè)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(fù)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?fù)淇蓸O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(jí)提升百分比沒有多大意義。

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。

讓太陽能板工作在不同電壓下來最大化每塊太陽能板的效率要求通過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)換器和太陽能板的模塊的另一個(gè)爭議之處。

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)問題。要達(dá)到系統(tǒng)成本目標(biāo)，為每塊太陽能板安裝一個(gè)控制器就意味著芯片必須具備有競爭力的成本，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)過程每個(gè)步驟的效率優(yōu)化而開發(fā)的。

通過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，太陽能板并聯(lián)時(shí)需要負(fù)載平衡控制。MCU必須能夠探測到負(fù)載電流，然后通過關(guān)閉輸出MOSFET來升高或者降低輸出電壓。這需要一種快速片上ADC來對(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，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去除通信專用線來減少系統(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。

太陽能逆變器應(yīng)用專用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。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能板安裝期間的問題。

由于太陽能微型逆變器設(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)太陽能板逆變器拓?fù)洹Ｒ环N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)勢帶到如微型逆變器等要求更低總系統(tǒng)成本的應(yīng)用中。

圖3：基于微型逆變器的PV系統(tǒng)的MCU系統(tǒng)配置包括CPU、內(nèi)存、電源及時(shí)鐘和一些外圍器件。

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)于微型逆變器來說，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)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)換效率。太陽能板從每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，其中包括陽光自身的變化無常，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，包括太陽能板溫度及其理論峰值效率。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師們來說，另一個(gè)問題是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)太陽并非一天24小時(shí)照射這種情況，太陽能系統(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，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題。

作者：Yu, Z.
Ogboenyira, K.
德州儀器(TI)公司