太陽(yáng)能系統的中心議題：

• 如何優(yōu)化太陽(yáng)能系統
• 最大化電源轉換效率的方法

太陽(yáng)能系統的解決方案：

• 為每塊太陽(yáng)能面板配備單獨的微型逆變器

對于優(yōu)化太陽(yáng)能系統的效率和可靠性而言，一種較新的手段是采用連接到每個(gè)太陽(yáng)能板上的微型逆變器(micro-inverter)。為每塊太陽(yáng)能面板配備單獨的微型逆變器使得系統可以適應不斷變化的負荷和天氣條件，從而能夠為單塊面板和整個(gè)系統提供最佳轉換效率微型逆變器架構還可簡(jiǎn)化布線(xiàn)，這也就意味著(zhù)更低的安裝成本。通過(guò)使消費者的太陽(yáng)能發(fā)電系統更有效率，系統“收回”采用太陽(yáng)能技術(shù)的最初投資所需的時(shí)間會(huì )縮短。

電源逆變器是太陽(yáng)能發(fā)電系統的關(guān)鍵電子組件。在商業(yè)應用中，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或公用事業(yè)電網(wǎng)。圖1顯示的是一個(gè)典型的太陽(yáng)能逆變器，它把來(lái)自光伏陣列輸出的極低的直流電壓轉換成電池直流電壓、交流線(xiàn)路電壓和配電網(wǎng)電壓等若干種電壓。

在一個(gè)典型的太陽(yáng)能采集系統中，多個(gè)太陽(yáng)能板并聯(lián)到一個(gè)逆變器，該逆變器將來(lái)自多個(gè)光伏電池的可變直流輸出轉換成干凈的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

此外，還應該指出的是，圖1中的微控制器(MCU)模塊TMS320C2000或MSP430通常包含諸如脈寬調制(PWM)模塊和A/D轉換器等關(guān)鍵的片上外設。


設計的主要目標是盡可能提高轉換效率。這是一個(gè)復雜且需反復的過(guò)程，它涉及最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)以及執行相關(guān)算法的實(shí)時(shí)控制器。

最大化電源轉換效率
未采用MPPT算法的逆變器簡(jiǎn)單地將光伏模塊與電池直接連接起來(lái)，迫使光伏模塊工作在電池電壓。幾乎無(wú)一例外的是，電池電壓不是采集最多可用太陽(yáng)能的理想值。

虛線(xiàn)表示的是電壓(PV VOLTS)與功率(PV WATTS)之比。實(shí)線(xiàn)表示的是電壓與電流(PV AMPS)之比。如圖2所示，在12V時(shí)，輸出功率大約為53W。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)將光伏模塊強制工作在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)現最大輸出功率的電壓是17V。因此，MPPT算法的職責是使模塊工作在17V，這樣一來(lái)，無(wú)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電源轉換器將控制器輸入端的17V電壓轉換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉換器將電壓從17V降至12V，本例中，支持 MPPT功能的系統內電池充電電流是：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE，或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

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

雖然本例假設逆變器處理的是來(lái)自單個(gè)太陽(yáng)能面板的能量，但傳統系統通常是一個(gè)逆變器連接多個(gè)面板。取決于應用的不同，這種拓撲既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。[page]

MPPT算法
主要有三種類(lèi)型的MPPT算法：擾動(dòng)-觀(guān)察法、電導增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常稱(chēng)為“爬山”法，因為它們基于如下事實(shí)：在MPP的左側，曲線(xiàn)呈上升趨勢(dP/dV>0)，而在MPP右側，曲線(xiàn)下降(dP/dV <0)。

擾動(dòng)-觀(guān)察(P＆O)法是最常用的。該算法按給定方向擾動(dòng)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(zhù)MPP調整電壓。然后，它將一直朝這個(gè)方向調整電壓，直到dP/dV變負。

P＆O算法很容易實(shí)現，但在穩態(tài)運行中，它們有時(shí)會(huì )在MPP附近產(chǎn)生振蕩。而且它們的響應速度也慢，甚至在迅速變化的氣候條件下還有可能把方向搞反。

電導增量(INC)法使用光伏陣列的電導增量dI/dV來(lái)計算dP/dV的正負。INC能比P＆O更準確地跟蹤迅速變化的光輻照狀況。但與 P&O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(gè)缺點(diǎn)是，增加的復雜性會(huì )延長(cháng)計算時(shí)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(lái)說(shuō)，VMPP/VOC≈0.76。該方法的問(wèn)題來(lái)源于它需要瞬間把光伏陣列的電流調為0以測量陣列的開(kāi)路電壓。然后，再將陣列的工作電壓設置為該測定值的76％。但在陣列斷開(kāi)期間，可用能量被浪費掉了。人們還發(fā)現，雖然開(kāi)路電壓的76％是個(gè)很好的近似值，但也并非總是與MPP一致。

由于沒(méi)有一個(gè)MPPT算法可以成功地滿(mǎn)足所有常見(jiàn)的使用環(huán)境要求，許多設計工程師會(huì )讓系統先*估環(huán)境條件再選擇最適合當時(shí)環(huán)境條件的算法。事實(shí)上，有許多MPPT算法可用，太陽(yáng)能面板制造商提供他們自己算法的情況也屢見(jiàn)不鮮。

對廉價(jià)控制器來(lái)說(shuō)，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡?，執行MPPT算法絕非易事，該算法需要這些控制器具有高超的計算能力。諸如德州儀器C2000平臺系列的先進(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的效率，但這只是在一定程度上。根據應用的不同，單個(gè)逆變器拓撲的缺點(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)生的能量都浪費掉了。

即使逆變器工作正常，單逆變器拓撲也可能對系統效率產(chǎn)生負面影響。在大多數情況下，為達到最高效率，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度(接收到的太陽(yáng)原始能量)。

與整個(gè)系統使用一個(gè)逆變器相比，為系統內每個(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)系統的轉換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即便其中一個(gè)逆變器出現故障，能量轉換仍能進(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調整每個(gè)太陽(yáng)能板的轉換參數。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)面板配備獨有的微型逆變器就允許系統適應不斷變化的負載情況。這為各面板及整個(gè)系統都提供了最佳轉換效率。

微型逆變器架構要求每個(gè)面板都有一個(gè)專(zhuān)用MCU來(lái)管理能源轉換。不過(guò)，這些附加的MCU也可被用來(lái)改善系統和面板的監測。

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載平衡并允許系統管理員事先計劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過(guò)，為充分利用系統監測的好處，MCU必須集成片上通信外圍設備(CAN、SPI、UART等)以便簡(jiǎn)化與太陽(yáng)能陣列內其它微型逆變器的接口。

在許多應用中，使用微型逆變器拓撲可以顯著(zhù)提高系統整體效率。在面板級，效率有望提升30％。但由于各應用差異很大，系統級改善的“平均”百分比并沒(méi)多大意義。

應用分析
當*估微型變頻器在具體應用中的價(jià)值時(shí)，應從幾個(gè)方面考慮拓撲結構。

在小型應用中，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轉換器使各面板的輸出電壓統一于儲能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉換器和逆變器設計成一個(gè)模塊。用于本地電源線(xiàn)路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉換器也可被整合進(jìn)該模塊。

太陽(yáng)能面板必須要互相通信，這會(huì )增加導線(xiàn)和復雜性。這是對在模塊中包含進(jìn)逆變器、DC/DC轉換器和太陽(yáng)能電池板的另一個(gè)爭論點(diǎn)。

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

采用多個(gè)MCU會(huì )加大整體系統的材料成本。

每當考慮改變架構時(shí)都會(huì )關(guān)注其成本。為滿(mǎn)足系統的價(jià)格目標，為每個(gè)面板都配備一個(gè)控制器意味著(zhù)該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時(shí)處理所有的控制、通信和計算任務(wù)。

片上集成恰當的控制外設以及高模擬集成度是保證系統低成本的兩個(gè)基本要素。為執行針對優(yōu)化轉換、系統監控和能量存儲各環(huán)節中的效率所開(kāi)發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

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

MCU特性
仔細權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，當并聯(lián)面板時(shí)需要負載平衡控制。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過(guò)開(kāi)/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。

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

對于針對太陽(yáng)能逆變器應用所設計的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)鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時(shí)運行兩個(gè)系統時(shí)鐘的能力也有助于減少太陽(yáng)能電池板安裝時(shí)出現的問(wèn)題。

由于在太陽(yáng)能微型逆變器設計中凝聚了如此多的創(chuàng )新，對MCU來(lái)說(shuō)，其最重要的特性也許就是軟件編程能力了。該特性使得在電源電路設計和控制中擁有最高的靈活性。

C2000微控制器配備了可高效處理算法運算的先進(jìn)數字運算處理內核以及用于能量轉換控制的片上外設集，已廣泛應用于傳統的太陽(yáng)能電池板逆變器拓撲中。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是經(jīng)濟款，該系列的最小封裝只有38個(gè)引腳，但其架構更先進(jìn)、外設也得到增強，從而可把32位實(shí)時(shí)控制的好處帶給要求低總體系統成本的微型逆變器等應用。

此外，Piccolo MCU系列的各款產(chǎn)品都集成了兩個(gè)用于時(shí)鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復位和掉電保護的片上VREG、多個(gè)高分辨率150ps的PWM、一個(gè) 12位4.6兆次采樣/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信協(xié)議接口。圖3顯示了一個(gè)與基于微型逆變器的光伏系統一起使用的計算機系統配置。

性能是微型逆變器的關(guān)鍵特性。盡管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU產(chǎn)品尺寸更小、價(jià)格更低，但其功能卻有提升，例如它具有可為CPU分擔處理復雜高速控制算法的可編程浮點(diǎn)控制律加速器(CLA)，從而使CPU無(wú)需處理I/O和反饋回路，在閉環(huán)應用中，可使性能提高5倍。

光伏電池的挑戰
基于太陽(yáng)能發(fā)電系統的缺點(diǎn)之一是轉換效率。太陽(yáng)能電池板能從每100mm2的光伏電池獲取約1mW的平均電能。典型效率約為10％。光伏電源的功率系數(即在陽(yáng)光一直照射的條件下，太陽(yáng)能電池實(shí)際產(chǎn)生的平均電能與理論上可產(chǎn)生的電能之比)約為15％至20％。有多種原因導致這一結果，包括陽(yáng)光本身的變化，如夜間完全消失，以及即使在白天，陰影和天氣條件也常常導致光照減少。

光電轉換為效率計算引入了更多變數，包括太陽(yáng)能電池板的溫度及其理論峰值效率。對設計工程師來(lái)說(shuō)，另一個(gè)問(wèn)題是光伏電池產(chǎn)生的電壓約有0.5V 不規則變化。當選擇能量轉換拓撲時(shí)，這種變化會(huì )帶來(lái)嚴重影響。例如，對低效的能量轉換技術(shù)來(lái)說(shuō)，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏電能。

為適應太陽(yáng)不是全天24小時(shí)都照射這一事實(shí)，太陽(yáng)能供電系統要包含電池以及給電池高效充電所需的復雜電子器件。當電池被集成到系統中時(shí)，電池充電需要額外的DC/DC轉換電路，同時(shí)還需要電池管理和監控。

許多由太陽(yáng)能供電的系統還與電網(wǎng)對接，從而要求相位同步和功率因數校正。還有許多需要復雜控制的使用環(huán)境。例如，必須內置故障預警機制以防范公共電網(wǎng)的停掉電等事件。這些僅僅是設計工程師必須要考慮的頭等大事。