利用微型逆變器優化太陽能系統

　　對于優化太陽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系統提供最佳轉換效率。

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

　　電源逆變器是太陽能發電系統的關鍵電子組件。在商業應用中，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電網。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換成電池直流電壓、交流線路電壓和配電網電壓等若干種電壓。

　　在一個典型的太陽能采集系統中，多個太陽能板并聯到一個逆變器，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轉換器等關鍵的片上外設。

　　圖1：傳統電源轉換架構包含一個太陽能逆變器，它從PV陣列接收低DC輸出電壓并產生AC線路電壓。

　　設計的主要目標是盡可能提高轉換效率。這是一個復雜且需反復的過程，它涉及最大功率點跟蹤算法(MPPT)以及執行相關算法的實時控制器。

　　最大化電源轉換效率

　　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℃電池溫度下的傳統電流/電壓特性。虛線表示的是電壓(PV VOLTS)與功率(PV WATTS)之比。實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，情況發生了根本變化。在本例中，模塊能實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，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自單個太陽能面板的能量，但傳統系統通常是一個逆變器連接多個面板。取決于應用的不同，這種拓撲既有優點又有缺點。

　　MPPT算法

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

　　擾動-觀察(P＆O)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調整電壓。然后，它將一直朝這個方向調整電壓，直到dP/dV變負。

　　P＆O算法很容易實現，但在穩態運行中，它們有時會在MPP附近產生振蕩。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，它也可能產生振蕩并被迅速變化的大氣條件所“蒙騙”。其另一個缺點是，增加的復雜性會延長計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：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為0以測量陣列的開路電壓。然后，再將陣列的工作電壓設置為該測定值的76％。但在陣列斷開期間，可用能量被浪費掉了。人們還發現，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境要求，許多設計工程師會讓系統先*估環境條件再選擇最適合當時環境條件的算法。事實上，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本份的正常控制功能外，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32位實時微控制器就適合于各種太陽能應用。

　　電源逆變器

　　使用單個逆變器有許多好處，其中最突出的是簡單和低成本。采用MPPT算法和其它技術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，單個逆變器拓撲的缺點會很明顯。最突出的是可靠性問題：只要這個逆變器發生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有面板產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生負面影響。在大多數情況下，為達到最高效率，每個太陽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、不同的環境溫度、陰影和方位造成的不同光照強度(接收到的太陽原始能量)。

　　與整個系統使用一個逆變器相比，為系統內每個太陽能電池板都配備一個微型逆變器會再次提升整個系統的轉換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即便其中一個逆變器出現故障，能量轉換仍能進行。

　　采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調整每個太陽能板的轉換參數。由于云朵、陰影和背陰會改變每個面板的輸出，為每個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。這為各面板及整個系統都提供了最佳轉換效率。

　　微型逆變器架構要求每個面板都有一個專用MCU來管理能源轉換。不過，這些附加的MCU也可被用來改善系統和面板的監測。

　　例如，大型的太陽能發電場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，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)以便簡化與太陽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”百分比并沒多大意義。

　　應用分析

　　當*估微型變頻器在具體應用中的價值時，應從幾個方面考慮拓撲結構。

　　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模塊。用于本地電源線路或連接配電網的DC/AC轉換器也可被整合進該模塊。

　　太陽能面板必須要互相通信，這會增加導線和復雜性。這是對在模塊中包含進逆變器、DC/DC轉換器和太陽能電池板的另一個爭論點。

　　每個逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來運行多個MPPT算法以適應不同的操作環境。

　　采用多個MCU會加大整體系統的材料成本。

　　每當考慮改變架構時都會關注其成本。為滿足系統的價格目標，為每個面板都配備一個控制器意味著該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時處理所有的控制、通信和計算任務。

　　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基本要素。為執行針對優化轉換、系統監控和能量存儲各環節中的效率所開發出的算法，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轉換、DC/DC轉換以及面板間通訊等整個系統大部分要求的MCU，可以減少因使用多個MCU所導致的成本增加。

　　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，當并聯面板時需要負載平衡控制。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過開/關輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

　　微型逆變器設計沒有“一成不變”的模式。這意味著設計者必須有能力和創新精神采用新技巧、新技術，特別是在面板間和系統間的通信方面。最合適的MCU應支持各種協議，包括一些平常不會想到的如電力線通訊(PLC)和控制器局域網(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。

　　對于針對太陽能逆變器應用所設計的MCU，一個意想不到但極具價值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時運行兩個系統時鐘的能力也有助于減少太陽能電池板安裝時出現的問題。

　　由于在太陽能微型逆變器設計中凝聚了如此多的創新，對MCU來說，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系列微控制器是經濟款，該系列的最小封裝只有38個引腳，但其架構更先進、外設也得到增強，從而可把32位實時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系列的各款產品都集成了兩個用于時鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復位和掉電保護的片上VREG、多個高分辨率150ps的PWM、一個12位4.6兆次采樣/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信協議接口。圖3顯示了一個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。

　　圖3：面向基于微逆變器PV的系統的MCU系統包含CPU、存儲器、電源及時鐘、外設。

　　性能是微型逆變器的關鍵特性。盡管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU產品尺寸更小、價格更低，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控制律加速器(CLA)，從而使CPU無需處理I/O和反饋回路，在閉環應用中，可使性能提高5倍。

　　光伏電池的挑戰

　　基于太陽能發電系統的缺點之一是轉換效率。太陽能電池板能從每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(即在陽光一直照射的條件下，太陽能電池實際產生的平均電能與理論上可產生的電能之比)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，包括太陽能電池板的溫度及其理論峰值效率。對設計工程師來說，另一個問題是光伏電池產生的電壓約有0.5V不規則變化。當選擇能量轉換拓撲時，這種變化會帶來嚴重影響。例如，對低效的能量轉換技術來說，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏電能。

　　為適應太陽不是全天24小時都照射這一事實，太陽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，電池充電需要額外的DC/DC轉換電路，同時還需要電池管理和監控。

　　許多由太陽能供電的系統還與電網對接，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境。例如，必須內置故障預警機制以防范公共電網的停掉電等事件。這些僅僅是設計工程師必須要考慮的頭等大事。