基于微型逆变器的太阳能系统优化设计

对于优化太阳能系统的效率和可靠性而言，一种较新的手段是采用连接到每个太阳能板上的微型逆变器(micro-inverter)。为每块太阳能面板配备单独的微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件，从而能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率。

　　微型逆变器架构还可简化布线，这也就意味着更低的安装成本。通过使消费者的太阳能发电系统更有效率，系统“收回”采用太阳能技术的最初投资所需的时间会缩短。

　　电源逆变器是太阳能发电系统的关键电子组件。在商业应用中，这些组件连接光伏(PV)面板、储存电能的电池以及本地电力分配系统或公用事业电网。图1显示的是一个典型的太阳能逆变器，它把来自光伏阵列输出的极低的直流电压转换成电池直流电压、交流线路电压和配电网电压等若干种电压。

　　在一个典型的太阳能采集系统中，多个太阳能板并联到一个逆变器，该逆变器将来自多个光伏电池的可变直流输出转换成干净的50Hz或60Hz正弦波逆变电源。

　　此外，还应该指出的是，图1中的微控制器(MCU)模块TMS320C2000或MSP430通常包含诸如脉宽调制(PWM)模块和A/D转换器等关键的片上外设。

　　图1：传统电源转换架构包含一个太阳能逆变器，它从PV阵列接收低DC输出电压并产生AC线路电压。

　　设计的主要目标是尽可能提高转换效率。这是一个复杂且需反复的过程，它涉及最大功率点跟踪算法(MPPT)以及执行相关算法的实时控制器。

　　最大化电源转换效率

　　未采用MPPT算法的逆变器简单地将光伏模块与电池直接连接起来，迫使光伏模块工作在电池电压。几乎无一例外的是，电池电压不是采集最多可用太阳能的理想值。

　　图2说明了典型的75W光伏模块在25℃电池温度下的传统电流/电压特性。虚线表示的是电压(PV VOLTS)与功率(PV WATTS)之比。实线表示的是电压与电流(PV AMPS)之比。如图2所示，在12V时，输出功率大约为53W。换句话说，通过将光伏模块强制工作在12V，输出功率被限制在约53W。

　　但采用MPPT算法后，情况发生了根本变化。在本例中，模块能实现最大输出功率的电压是17V。因此，MPPT算法的职责是使模块工作在17V，这样一来，无论电池电压是多少，都能从模块获取全部75W的功率。

　　高效DC/DC电源转换器将控制器输入端的17V电压转换为输出端的电池电压。由于DC/DC转换器将电压从17V降至12V，本例中，支持MPPT功能的系统内电池充电电流是：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE，或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

　　假设DC/DC转换器的转换效率是100％，则充电电流将增加1.85A(或42％)。

　　虽然本例假设逆变器处理的是来自单个太阳能面板的能量，但传统系统通常是一个逆变器连接多个面板。取决于应用的不同，这种拓扑既有优点又有缺点。

　　MPPT算法

　　主要有三种类型的MPPT算法：扰动-观察法、电导增量法和恒定电压法。前两种方法通常称为“爬山”法，因为它们基于如下事实：在MPP的左侧，曲线呈上升趋势(dP/dV>0)，而在MPP右侧，曲线下降(dP/dV 0)。

　　扰动-观察(P＆O)法是最常用的。该算法按给定方向扰动工作电压并采样dP/dV。如果dP/dV为正，算法就“明白”它刚才是在朝着MPP调整电压。然后，它将一直朝这个方向调整电压，直到dP/dV变负。

　　P＆O算法很容易实现，但在稳态运行中，它们有时会在MPP附近产生振荡。而且它们的响应速度也慢，甚至在迅速变化的气候条件下还有可能把方向搞反。

　　电导增量(INC)法使用光伏阵列的电导增量dI/dV来计算dP/dV的正负。INC能比P＆O更准确地跟踪迅速变化的光辐照状况。但与PO一样，它也可能产生振荡并被迅速变化的大气条件所“蒙骗”。其另一个缺点是，增加的复杂性会延长计算时间并降低采样频率。

　　第三种方法“恒压法”则基于如下事实：一般来说，VMPP/VOC≈0.76。该方法的问题来源于它需要瞬间把光伏阵列的电流调为0以测量阵列的开路电压。然后，再将阵列的工作电压设置为该测定值的76％。但在阵列断开期间，可用能量被浪费掉了。人们还发现，虽然开路电压的76％是个很好的近似值，但也并非总是与MPP一致。

　　由于没有一个MPPT算法可以成功地满足所有常见的使用环境要求，许多设计工程师会让系统先*估环境条件再选择最适合当时环境条件的算法。事实上，有许多MPPT算法可用，太阳能面板制造商提供他们自己算法的情况也屡见不鲜。

　　对廉价控制器来说，除了MCU本份的正常控制功能外，执行MPPT算法绝非易事，该算法需要这些控制器具有高超的计算能力。诸如德州仪器C2000平台系列的先进32位实时微控制器就适合于各种太阳能应用。

　　电源逆变器

　　使用单个逆变器有许多好处，其中最突出的是简单和低成本。采用MPPT算法和其它技术提高了单逆变器系统的效率，但这只是在一定程度上。根据应用的不同，单个逆变器拓扑的缺点会很明显。最突出的是可靠性问题：只要这个逆变器发生故障，那么在该逆变器被修好或更换前，所有面板产生的能量都浪费掉了。

　　即使逆变器工作正常，单逆变器拓扑也可能对系统效率产生负面影响。在大多数情况下，为达到最高效率，每个太阳能电池板都有不同的控制要求。决定各面板效率的因素有：面板内所含光伏电池组件的制造差异、不同的环境温度、阴影和方位造成的不同光照强度(接收到的太阳原始能量)。

　　与整个系统使用一个逆变器相比，为系统内每个太阳能电池板都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。微型逆变器拓扑的主要好处是，即便其中一个逆变器出现故障，能量转换仍能进行。

　　采用微型逆变器的其它好处包括能够利用高分辨率PWM调整每个太阳能板的转换参数。由于云朵、阴影和背阴会改变每个面板的输出，为每个面板配备独有的微型逆变器就允许系统适应不断变化的负载情况。这为各面板及整个系统都提供了最佳转换效率。

　　微型逆变器架构要求每个面板都有一个专用MCU来管理能源转换。不过，这些附加的MCU也可被用来改善系统和面板的监测。

　　例如，大型的太阳能发电场就受益于面板间的通信以帮助保持负载平衡并允许系统管理员事先计划有多少能量可用，以及用这些能量做什么。不过，为充分利用系统监测的好处，MCU必须集成片上通信外围设备(CAN、SPI、UART等)以便简化与太阳能阵列内其它微型逆变器的接口。