作者：Yu, Z. 和 Ogboenyira, K.，德州儀器 (TI)

優(yōu)化太陽(yáng)能系統(tǒng)效率和可靠性的一種較新方法是使用連接至每個(gè)單獨(dú)太陽(yáng)能板的微型逆變器。為每個(gè)太陽(yáng)能板都安裝其自己的微型逆變器，讓系統(tǒng)可以適應(yīng)其變化的負(fù)載和空氣環(huán)境，從而為單個(gè)太陽(yáng)能板和整個(gè)系統(tǒng)提供較佳的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器構(gòu)架還實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的布線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)更低的安裝成本。通過(guò)提高用戶(hù)太陽(yáng)能系統(tǒng)的效率可縮短系統(tǒng)的初始技術(shù)投入回報(bào)時(shí)間。

圖 1 傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器構(gòu)架包括一個(gè)太陽(yáng)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(xiàn)壓。

電源逆變器是太陽(yáng)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(yáng)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(xiàn)壓和配電網(wǎng)電壓的某種組合。

在一個(gè)典型的太陽(yáng)能采集系統(tǒng)中，多塊太陽(yáng)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(xiàn) 50-Hz 或 60-Hz 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)是較大化轉(zhuǎn)換效率。這是一個(gè)復(fù)雜、反復(fù)的過(guò)程，涉及了算法（較大功率點(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)換較大化

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?cè)陔姵仉妷合鹿ぷ鳌�幾乎無(wú)一例外，電池電壓并非是采集較大化可用太陽(yáng)能的理想值。

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

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

圖 2 描述了一個(gè)典型 75-W 模塊和 25°C 電池溫度的傳統(tǒng)電流/電壓特性。虛線(xiàn)代表電壓（PV 伏特）與功率（PV 瓦特）的關(guān)系。實(shí)線(xiàn)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 53 W。換句話(huà)說(shuō)，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)到較大功率時(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(mǎn) 75 W 功率，其與電池電壓無(wú)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 (17 V/12 V) × 4.45 A = 6.30 A。

假設(shè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器為 100% 轉(zhuǎn)換效率，則 1.85 A 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(lái)自一個(gè)單太陽(yáng)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(yáng)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(chēng)作“爬山”法，因?yàn)樗鼈兝�用這樣一個(gè)事實(shí)：MPP 左側(cè)曲線(xiàn)不斷上升（dP/dV > 0）而 MPP 右側(cè)曲線(xiàn)不斷下降（dP/dV < 0）。

擾動(dòng)觀察法 (P&O) 較為常見(jiàn)。該算法以特定方向?qū)�工作電壓進(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)。

P&O 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?chē)�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(zhǎng)，甚至?xí)�在錯(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(lái)計(jì)算 dP/dV 的符號(hào)。相比 P&O，INC 快速追蹤變化的光照條件更加準(zhǔn)確。然而，與 P&O 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(wèn)題在于它要求立刻設(shè)置 PV 陣列電流為 0 來(lái)測(cè)量陣列的開(kāi)路電壓。這樣，陣列的工作電壓便被設(shè)置為這一測(cè)量值的 76%。但是，在這期間，陣列被斷開(kāi)，浪費(fèi)掉了有效能源。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，76% 開(kāi)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(méi)有一個(gè)能夠成功地滿(mǎn)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)估然后選擇較佳的算法。實(shí)際上，有許多 MPPT 算法可以用，并且太陽(yáng)能板廠商提供其自己的算法也很常見(jiàn)。

對(duì)于一些廉價(jià)的控制器來(lái)說(shuō)，執(zhí)行 MPPT 算法會(huì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。因?yàn)椋��?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(yáng)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)，其中較突出的是簡(jiǎn)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?shì)明顯，但具體取決于應(yīng)用。人們較為關(guān)心的是可靠性問(wèn)題：如果一個(gè)逆變器故障，便會(huì)損失所有太陽(yáng)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(yáng)能板都有不同的達(dá)到較大效率控制要求。決定各太陽(yáng)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(yáng)光陰影和方向帶來(lái)的不同程度光照（從太陽(yáng)接收的原始能量）。

通過(guò)為每個(gè)單獨(dú)太陽(yáng)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�好處是，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(yáng)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(yáng)能板的輸出，因此為每塊太陽(yáng)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(yáng)能板以及整個(gè)系統(tǒng)提供較佳的轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器構(gòu)架要求一種專(zhuān)用 MCU，以使每塊太陽(yáng)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(yáng)能板監(jiān)控能力。例如，大型太陽(yáng)能板發(fā)電廠受益于太陽(yáng)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(yáng)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(jiǎn)化同太陽(yáng)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(yáng)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(méi)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(yáng)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(shì)。

讓太陽(yáng)能板工作在不同電壓下來(lái)較大化每塊太陽(yáng)能板的效率要求通過(guò) 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。為了較小化制造成本，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(xiàn)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(yáng)能板必須相互通信，其增加了布線(xiàn)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(yáng)能板的模塊的另一個(gè)爭(zhēng)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(lái)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(wèn)題。要達(dá)到系統(tǒng)成本目標(biāo)，為每塊太陽(yáng)能板安裝一個(gè)控制器就意味著芯片必須具備有競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程每個(gè)步驟的效率優(yōu)化而開(kāi)發(fā)的。

通過(guò)選擇一種能夠滿(mǎn)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(yáng)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 的較佳方法。例如，太陽(yáng)能板并聯(lián)時(shí)需要負(fù)載平衡控制。MCU 必須能夠探測(cè)到負(fù)載電流，然后通過(guò)關(guān)閉輸出 MOSFET 來(lái)升高或者降低輸出電壓。這需要一種快速片上 ADC 來(lái)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(shuō)，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(yáng)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(xiàn)通信 (PLC) 和控制器局域網(wǎng) (CAN) 等。特別是電力線(xiàn)通信可以通過(guò)去除通信專(zhuān)用線(xiàn)來(lái)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(yáng)能逆變器應(yīng)用專(zhuān)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(cè)。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(yáng)能板安裝期間的問(wèn)題。

由于太陽(yáng)能微型逆變器設(shè)計(jì)注