有效利用微型逆變器來優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的效率和可靠性而言，一種較新的手段是采用連接到每個太陽能板上的微型逆變器（micro-inverter）。為每塊太陽能面板配備單獨(dú)的微型逆變器使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷和天氣條件，從而能夠?yàn)閱螇K面板和整個系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器架構(gòu)還可簡化布線，這也就意味著更低的安裝成本。通過使消費(fèi)者的太陽能發(fā)電系統(tǒng)更有效率，系統(tǒng)“收回”采用太陽能技術(shù)的最初投資所需的時間會縮短。

電源逆變器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵電子組件。在商業(yè)應(yīng)用中，這些組件連接光伏（PV）面板、儲存電能的電池以及本地電力分配系統(tǒng)或公用事業(yè)電網(wǎng)。圖1顯示的是一個典型的太陽能逆變器，它把來自光伏陣列輸出的極低的直流電壓轉(zhuǎn)換成電池直流電壓、交流線路電壓和配電網(wǎng)電壓等若干種電壓。

圖1：傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)包含一個太陽能逆變器，它從PV陣列接收低DC輸出電壓并產(chǎn)生AC線路電壓

在一個典型的太陽能采集系統(tǒng)中，多個太陽能板并聯(lián)到一個逆變器，該逆變器將來自多個光伏電池的可變直流輸出轉(zhuǎn)換成干凈的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

此外，還應(yīng)該指出的是，圖1中的微控制器（MCU）模塊TMS320 C2000或MSP430通常包含諸如脈寬調(diào)制（PWM）模塊和A/D轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵的片上外設(shè)。

設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是盡可能提高轉(zhuǎn)換效率。這是一個復(fù)雜且需反復(fù)的過程，它涉及最大功率點(diǎn)跟蹤算法（MPPT）以及執(zhí)行相關(guān)算法的實(shí)時控制器。最大化電源轉(zhuǎn)換效率

未采用MPPT算法的逆變器簡單地將光伏模塊與電池直接連接起來，迫使光伏模塊工作在電池電壓。幾乎無一例外的是，電池電壓不是采集最多可用太陽能的理想值。

圖2說明了典型的75W光伏模塊在25℃電池溫度下的傳統(tǒng)電流/電壓特性。虛線表示的是電壓（PV VOLTS）與功率（PV WATTS）之比。實(shí)線表示的是電壓與電流（PV AMPS）之比。如圖2所示，在12V時，輸出功率大約為53W.換句話說，通過將光伏模塊強(qiáng)制工作在12V，輸出功率被限制在約53W.

但采用MPPT算法后，情況發(fā)生了根本變化。在本例中，模塊能實(shí)現(xiàn)最大輸出功率的電壓是17V.因此，MPPT算法的職責(zé)是使模塊工作在17V，這樣一來，無論電池電壓是多少，都能從模塊獲取全部75W的功率。

高效DC/DC電源轉(zhuǎn)換器將控制器輸入端的17V電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器將電壓從17V降至12V，本例中，支持MPPT功能的系統(tǒng)內(nèi)電池充電電流是：（VMODULE/VBATTERY）×IMODULE，或（17V/12V）×4.45A =6.30A.

假設(shè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率是100%，則充電電流將增加1.85A（或42%）。

雖然本例假設(shè)逆變器處理的是來自單個太陽能面板的能量，但傳統(tǒng)系統(tǒng)通常是一個逆變器連接多個面板。取決于應(yīng)用的不同，這種拓?fù)浼扔袃?yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。

MPPT算法

主要有三種類型的MPPT算法：擾動-觀察法、電導(dǎo)增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常稱為“爬山”法，因?yàn)樗鼈兓谌缦率聦?shí)：在MPP的左側(cè)，曲線呈上升趨勢(dP/dV>0)，而在MPP右側(cè)，曲線下降(dP/dV 0)。

擾動-觀察(PO)法是最常用的。該算法按給定方向擾動工作電壓并采樣dP/dV。如果dP/dV為正，算法就“明白”它剛才是在朝著MPP調(diào)整電壓。然后，它將一直朝這個方向調(diào)整電壓，直到dP/dV變負(fù)。

PO算法很容易實(shí)現(xiàn)，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，它們有時會在MPP附近產(chǎn)生振蕩。而且它們的響應(yīng)速度也慢，甚至在迅速變化的氣候條件下還有可能把方向搞反。

電導(dǎo)增量(INC)法使用光伏陣列的電導(dǎo)增量dI/dV來計(jì)算dP/dV的正負(fù)。INC能比PO更準(zhǔn)確地跟蹤迅速變化的光輻照狀況。但與PO一樣，它也可能產(chǎn)生振蕩并被迅速變化的大氣條件所“蒙騙”。其另一個缺點(diǎn)是，增加的復(fù)雜性會延長計(jì)算時間并降低采樣頻率。

第三種方法“恒壓法”則基于如下事實(shí)：一般來說，VMPP/VOC≈0.76。該方法的問題來源于它需要瞬間把光伏陣列的電流調(diào)為0以測量陣列的開路電壓。然后，再將陣列的工作電壓設(shè)置為該測定值的76%。但在陣列斷開期間，可用能量被浪費(fèi)掉了。人們還發(fā)現(xiàn)，雖然開路電壓的76%是個很好的近似值，但也并非總是與MPP一致。

由于沒有一個MPPT算法可以成功地滿足所有常見的使用環(huán)境要求，許多設(shè)計(jì)工程師會讓系統(tǒng)先評估環(huán)境條件再選擇最適合當(dāng)時環(huán)境條件的算法。事實(shí)上，有許多MPPT算法可用，太陽能面板制造商提供他們自己算法的情況也屢見不鮮。

對廉價控制器來說，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡猓瑘?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平臺系列的先進(jìn)32位實(shí)時微控制器就適合于各種太陽能應(yīng)用。