太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)新機(jī)會(huì)

　　太陽(yáng)能和其它可再生能源將逐漸替代石油、煤炭等化石能源。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年各種一次性能源在世界能源消費(fèi)構(gòu)成中所占的比例將為：天然氣13%、煤20%、核能10%、水電5%、可再生能源(含太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)50%。太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量的“無(wú)限性”、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性、安全性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，將成為人類理想的替代能源。

　　根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)(EPIA)的數(shù)據(jù)顯示，2010年太陽(yáng)能發(fā)電量的增幅可達(dá)4倍，達(dá) 5550 兆瓦。如圖1所示，為歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)。

圖1  歐洲光伏行業(yè)學(xué)會(huì)對(duì)全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)

　　在中國(guó)，據(jù)報(bào)道2010年以前太陽(yáng)能電池多數(shù)是用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，從2011年到2020年，光伏發(fā)電市場(chǎng)主流將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。未來(lái)15年內(nèi)，中國(guó)將投資2000多億元，充分利用西部地區(qū)和沿海地區(qū)太陽(yáng)日照時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，興建太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)、太陽(yáng)能光熱應(yīng)用示范工程和大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，大力發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)到2015年，中國(guó)的光伏產(chǎn)量將達(dá)到1GWp，位居世界先進(jìn)水平，2020年將達(dá)到35GWp。

　　因此，市場(chǎng)上有望出現(xiàn)并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)高潮，本文首先介紹太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的基本概念，并結(jié)合具體電路說(shuō)明用于并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器智能控制技術(shù)，從而說(shuō)明太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)的新機(jī)遇。

　　太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：概念和發(fā)展方向

　　太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：

　　1. 太陽(yáng)能電池組件是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

　　2. 太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。

　　3. 蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池組件所供出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。

　　4. 逆變器：由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽(yáng)能供電系統(tǒng)所供出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此，需要使用DC-AC逆變器。

　　隨著全球能源需求的增長(zhǎng)，大型和超大型并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)在全球如火如荼地展開(kāi)，它們發(fā)出的電能直接并入高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，并可參與電力的輸送和調(diào)配，因此，是世界各國(guó)未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電的重要發(fā)展方向。圖2所示為Navigant Consulting對(duì)未來(lái)幾年全球光伏市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，其中可見(jiàn)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的增長(zhǎng)最快。

圖2  未來(lái)幾年全球光伏市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)

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　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，除了防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放、防反充電等的控制器之外。逆變器也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的另一個(gè)關(guān)鍵部件，光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器對(duì)可靠性和逆變效率有很高的要求，其中，如何提高逆變器的DC/AC轉(zhuǎn)換效率是業(yè)內(nèi)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器：半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇

　　逆變器電路的基本框圖如圖3所示，首先，由DC/DC轉(zhuǎn)換(圖中沒(méi)有顯示DC/DC轉(zhuǎn)換和調(diào)整部分)提升或降低輸入的電壓，調(diào)節(jié)其輸出以實(shí)現(xiàn)最大的效率。在經(jīng)過(guò)一些附加的電壓緩沖之后，左側(cè)電橋中的MOSFET通常由18~20KHz的開(kāi)關(guān)頻率，把DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓。一般來(lái)說(shuō)，單相H橋是DC/AC級(jí)的常見(jiàn)配置，但是，也可以采用三相和其它配置。最后，低通濾波器平滑由開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的交變電壓，從而產(chǎn)生用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的正弦交流電輸出。

圖3  逆變器電路的基本方框圖

　　一般來(lái)說(shuō)，輸入直流電壓要比交流輸出電壓的電平要高，但是，由太陽(yáng)能電池板提供的輸入源電壓通常沒(méi)有那么高，因此，系統(tǒng)可以在交流輸出一側(cè)采用變壓器提升電壓，或在DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)提升直流電壓。

　　在變壓器方案中，雖然它增加重量和逆變器的體積，并增加成本及造成轉(zhuǎn)換效率的降低，但是，通過(guò)隔離變壓器兩側(cè)的電路，它們提高了電路保護(hù)和人的安全性，防止直流電流到交流電一側(cè)，而交流電的漏電流也不會(huì)造成光伏電池板與地之間的潛在問(wèn)題。

　　在不采用變壓器的系統(tǒng)中，為了防止負(fù)載切換時(shí)或者當(dāng)外電路有嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)燒毀MOSFET，在設(shè)計(jì)中要采用一種剩余電路保護(hù)器件(RCD)來(lái)監(jiān)測(cè)各相的電流，如果電流超過(guò)某個(gè)數(shù)值，該器件就會(huì)觸發(fā)保護(hù)繼電器斷路，從而保護(hù)轉(zhuǎn)換和充電電路部分，使之免受電網(wǎng)上電壓浪涌的破壞。

　　此外，如果電力線受到破壞或被迫關(guān)閉，逆變器就要停止向用電設(shè)備或電網(wǎng)供電。如果電力線電壓偏低或欠壓、或出現(xiàn)巨大的擾動(dòng)時(shí)，要采用一種用于“非孤島”逆變器的傳感器來(lái)感測(cè)這種情況。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，逆變器將自動(dòng)地關(guān)閉向電網(wǎng)供電，或把電力傳輸?shù)狡渌胤?，從而防止它成為電力發(fā)電的“孤島”。

　　正如DC/AC轉(zhuǎn)換的效率取決于輸入電壓一樣，電池充電的效率也取決于輸入電壓。光伏板由于受到季節(jié)、云層覆蓋及日照時(shí)間的影響，電池的充電狀態(tài)也會(huì)不斷地變化。

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　　有時(shí)候，降低給電池的電壓而提高電流會(huì)提高總功率并加速充電;在另一些時(shí)候，可能有必要犧牲一些電流以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，從而實(shí)現(xiàn)完全地充電。如圖4所示，對(duì)電池的最大輸出功率出現(xiàn)在電壓和電流積的峰值處。

圖4  當(dāng)電壓和電流之積為峰值時(shí)，對(duì)電池的輸出功率為最大

　　最大功率點(diǎn)輸出跟蹤(MPPT)被設(shè)計(jì)為確定這個(gè)峰值并調(diào)節(jié)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換，以最大化充電輸出。在冬季里，MPPT能夠把太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率提高1/3。確定MPP的一種方式就是在每一個(gè)MPPT周期中，由控制器調(diào)節(jié)PV板的工作電壓，并觀察其輸出電壓。

　　為了確定真正的MPP點(diǎn)，MPPT算法在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)振蕩，以避免因云層覆蓋或平靜的微風(fēng)導(dǎo)致錯(cuò)誤地選擇功率曲線上的局部峰值作為MPP點(diǎn)。但是，這種方法的不足之處在于：在每一個(gè)周期中，它都偏離MPP點(diǎn)振蕩，跟蹤的效率低下。

　　作為一種替代解決方案，人們提出了一種增量自感算法，通過(guò)定義一個(gè)峰值，然后，求解功率曲線的微分，從而得出MPP點(diǎn)。雖然這種方法沒(méi)有因?qū)挿秶袷幰鸬牡托蕟?wèn)題，但是，它存在把本地峰值誤設(shè)為MPP點(diǎn)的可能。

　　把上述兩種方法結(jié)合起來(lái)，既能夠在較寬的范圍內(nèi)掃描，避免把局部峰值作為MPP點(diǎn)，同時(shí)，又能夠提高最大功率點(diǎn)輸出跟蹤的效率，但是，這就需要采用性能最強(qiáng)的控制器。

　　用于逆變器的數(shù)字信號(hào)控制器必須滿足若干實(shí)時(shí)處理的需要，以有效地執(zhí)行精密的算法，從而提高DC/AC轉(zhuǎn)換的效率并實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)的功能。例如，德州儀器(TI)不久前宣布推出業(yè)界首款浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)—TMS320F2833x，在世界環(huán)境日之際以創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)工業(yè)應(yīng)用的環(huán)保發(fā)展。新型 TMS320F2833x 能夠以150MHz頻率提供每秒3億次浮點(diǎn)運(yùn)算(MFLOPS)，同時(shí)還能降低定點(diǎn)處理器的相關(guān)成本。該浮點(diǎn)處理器可幫助工業(yè)控制設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)系統(tǒng)性能，提高節(jié)能效率，因此，能夠使太陽(yáng)能逆變器提高太陽(yáng)能板的能量轉(zhuǎn)換效率，改善變速交流(AC)驅(qū)動(dòng)的功率與性能。

　　目前，全球領(lǐng)先的太陽(yáng)能逆變器制造商大都采用TI的DSC，以最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法以及不同負(fù)載情況下(如陰天、光照不強(qiáng)等)的動(dòng)態(tài)算法調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化系統(tǒng)峰值效率。

　　此外， 近來(lái)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，SiC器件具有優(yōu)于GaAs和Si器件數(shù)倍的熱傳導(dǎo)率和電場(chǎng)擊穿電壓，因其效率高，性能好，制成的肖特基二極管成為了太陽(yáng)能系統(tǒng)的理想解決方案，同樣值得關(guān)注。

　　結(jié)語(yǔ)

　　中國(guó)政府在《可再生能源長(zhǎng)期規(guī)劃》提出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量到2010年將發(fā)展到450MWp，而2005年全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H為6.5MWp，這就意味著中國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)高達(dá)38%以上。了解目前太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)，把握太陽(yáng)能光伏行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。

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