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有用利用微型逆变器来优化太阳能体系的计划

有用利用微型逆变器来优化太阳能体系的计划
对付优化太阳能体系的效力和靠得住性而言,一种较新的手腕是采纳衔接到每个太阳能板上的微型逆变器(micro-inverter)。为每块太阳能面板装备单独的微型逆变器使得体系可以或许顺应赓续变更的负荷和天气条件,从而可以或许为单块面板和全体体系供给最佳转换效力。
微型逆变器架构还可简化布线,这也就意味着更低的装置本钱。颠末过程使花费者的太阳能发电体系更有用率,体系“收回”采纳太阳能技能的末了投资所需的光阴会缩短。
电源逆变器是太阳能发电体系的关键电子组件。在商业应用中,这些组件衔接光伏(PV)面板、储存电能的电池和本地电力分派体系或公用事迹电网。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入的极低的直流电压转换成电池直流电压、交换线路电压和配电网电压等若干种电压。
 
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输入电压并发生AC线路电压
在一个典型的太阳能采个人系中,多个太阳能板并联到一个逆变器,该逆变器未来自多个光伏电池的可变直流输入转换成干净的50Hz或60Hz正弦波逆变电源。
别的,还应该指出的是,图1中的微节制器(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。
计划的重要偏向是尽量提高转换效力。这是一个复杂且需反复的过程,它触及最大功率点跟踪算法(MPPT)和履行相干算法的实时节制器。最大化电源转换效力
未采纳MPPT算法的逆变器简略地将光伏模块与电池间接衔接起来,迫使光伏模块工作在电池电压。几乎无一例外的是,电池电压不是收集至多可用太阳能的抱负值。
 
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,输入功率大约为53W。换句话说,颠末过程将光伏模块强制工作在12V,输入功率被限制在约53W。
但采纳MPPT算法后,环境发生了基本变更。在本例中,模块能实现最大输入功率的电压是17V。因此,MPPT算法的职责是使模块工作在17V,如许一来,不管电池电压是多少,都能从模块获得全体75W的功率。
高效DC/DC电源转换器将节制器输入端的17V电压转换为输入端的电池电压。因为DC/DC转换器将电压从17V降至12V,本例中,支撑MPPT功效的体系内电池充电电流是:(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE,或(17V/12V)×4.45A =6.30A。
假设DC/DC转换器的转换效力是100%,则充电电流将增长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,但传统体系通常是一个逆变器衔接多个面板。取决于应用的分歧,这种拓扑既有优点又有缺点。
MPPT算法
重要有三种范例的MPPT算法:扰动-观察法、电导增量法和恒定电压法。前两种办法通常称为“爬山”法,因为它咱们基于如下事实:在MPP的左侧,曲线呈上升趋向(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。该算法按给定偏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调剂电压。然后,它将不停朝这个偏向调剂电压,直到dP/dV变负。
P&O算法很容易实现,但在稳态运行中,它咱们有时会在MPP附近发生振荡。而且它咱们的相应速率也慢,甚至在敏捷变更的气候条件下另有可能把偏向搞反。
电导增量(INC)法应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更精确地跟踪敏捷变更的光辐照状况。但与P&O一样,它也可能发生振荡并被敏捷变更的大气条件所“蒙骗”。其另外一个缺点是,增长的复杂性会延长计算光阴并低落采样频率。
第三种办法“恒压法”则基于如下事实:一样平常来说,VMPP/VOC≈0.76。该办法的成就来源于它必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。人咱们还发现,虽然开路电压的76%是个很好的近似值,但也并非老是与MPP同等。
因为没有一个MPPT算法可以或许胜利地满意统统常见的应用环境请求,很多计划工程师会让体系先评估环境条件再抉择最得当其时环境条件的算法。事实上,有很多MPPT算法可用,太阳能面板制作商供给他咱们自己算法的环境也屡见不鲜。
对廉价节制器来说,除了MCU本份的正常节制功效外,履行MPPT算法绝非易事,该算法必要这些节制器具有高超的计算能力。诸如德州仪器C2000平台系列的先辈32位实时微节制器就得当于各种太阳能应用。
电源逆变器
应用单个逆变器有很多好处,此中最特出的是简略和低本钱。采纳MPPT算法和其它技能提高了单逆变器体系的效力,但这只是在一定程度上。根据应用的分歧,单个逆变器拓扑的缺点会很显著。最特出的是靠得住性成就: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,统统面板发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体系效力发生负面影响。在大多数环境下,为到达最高效力,每个太阳能电池板都有分歧的节制请求。决定各面板效力的因素有:面板内所含光伏电池组件的制作差异、分歧的环境温度、阴影和方位形成的分歧光照强度(接收到的太阳原始能量)。
与全体体系应用一个逆变器相比,为体系内每个太阳能电池板都装备一个微型逆变器会再次晋升全体体系的转换效力。微型逆变器拓扑的重要好处是,即便此中一个逆变器出现故障,能量转换仍能停止。
采纳微型逆变器的其它好处包含可以或许利用高分辨率PWM调剂每个太阳能板的转换参数。因为云朵、阴影和背阴会改变每个面板的输入,为每个面板装备独有的微型逆变器就允许体系顺应赓续变更的负载环境。这为各面板及全体体系都供给了最佳转换效力。微型逆变器架构请求每个面板都有一个公用MCU来解决能源转换。不过,这些附加的MCU也可被用来改良体系和面板的监测。
例如,大型的太阳能发电场就受害于面板间的通讯以帮助坚持负载均衡并允许体系解决员事先计划有多少能量可用,和用这些能量做什么。不过,为充足利用体系监测的好处,MCU必需集成片上通讯外围设备(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。
在很多应用中,应用微型逆变器拓扑可以或许显着提高体系全体效力。在面板级,效力有望晋升30%。但因为各应用差异很大,体系级改良的“平均”百分比并没多大意义。
应用阐发
当评估微型变频器在详细应用中的价值时,应从几个方面考虑拓扑布局。
在小型应用中,各面板有可能面对基原形同的光照、温度和阴影等条件。因此,微型逆变器在晋升效力方面感化无穷。
为使各面板工作在分歧电压以获得最高能效,请求采纳DC/DC转换器使各面板的输入电压同一于储能蓄电池的工作电压。为尽量低落制形本钱,可把DC/DC转换器和逆变器计划成一个模块。用于本地电源线路或衔接配电网的DC/AC转换器也可被整合进该模块。
太阳能面板必需要互相通讯,这会增长导线和复杂性。这是对在模块中包含进逆变器、DC/DC转换器和太阳能电池板的另外一个争论点。
每个逆变器的MCU仍然必需有足够能力来运行多个MPPT算法以顺应分歧的操纵环境。
采纳多个MCU会加大全体系统的资料本钱。
每当考虑改变架构时都邑存眷其本钱。为满意体系的价钱偏向,为每个面板都装备一个节制器意味着该节制器的本钱必需要有竞争力、外形较小,但仍能同时处理统统的节制、通讯和计算任务。
片上集成恰当的节制外设和高模拟集成度是包管体系低本钱的两个基本要素。为履行针对优化转换、体系监控和能量存储各关键中的效力所开拓出的算法,高机能也是必需的。
应用除可满意微型逆变器自己请求之外,还可处理包含AC/DC转换、DC/DC转换和面板间通讯等全体体系大部分请求的MCU,可以或许削减因应用多个MCU所导致的本钱增长。
MCU特性
仔细权衡这些高层次请求是确定MCU必要哪些功效的最佳办法。例如,当并联面板时必要负载均衡节制。所选MCU必需能检测负载电流和能颠末过程开/关输入MOSFET升高或低落输入电压。这必要一个高速片上ADC来采样电压和电流。
微型逆变器计划没有“一成不变”的情势。这意味着计划者必需有能力和立异精力采纳新技能、新技能,分外是在面板间和体系间的通讯方面。最合适的MCU应支撑各种协定,包含一些平常不会想到的如电力线通讯(PLC)和节制器局域网(CAN)等。分外是电力线通讯,因不再需专门的通讯线路,所以可低落体系本钱。但这必要MCU内置高机能PWM、高速ADC和高机能CPU。
对付针对太阳能逆变器应用所计划的MCU,一个意想不到但极具价值的特性是双片上振荡器,它咱们可用于时钟故障检测以提高靠得住性。可以或许同时运行两个体系时钟的能力也有助于削减太阳能电池板装置时出现的成就。
因为在太阳能微型逆变器计划中凝集了如斯多的立异,对MCU来说,其最重要的特性也许便是软件编程能力了。该特性使得在电源电路计划和节制中拥有最高的机动性。
C2000 微节制器装备了可高效处理算法运算的先辈数字运算处理内核和用于能量转换节制的片上外设集,已普遍应用于传统的太阳能电池板逆变器拓扑中。新推出的 Piccolo系列C2000系列微节制器是经济款,该系列的最小封装只要38个引脚,但其架构更先辈、外设也获得增强,从而可把32位实时节制的好处带给请求低全体系统本钱的微型逆变器等应用。
别的,Piccolo MCU系列的各款产品都集成为了两个用于时钟比较的片上10MHz振荡器,和带上电复位和掉电掩护的片上VREG、多个高分辨率150ps的PWM、一个 12位4.6兆次采样/秒的ADC和I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通讯协定接口。图3显示了一个与基于微型逆变器的光伏体系一路应用的计算机体系设置设备摆设。
 

有用利用微型逆变器来优化太阳能体系的计划

图3:面向基于微逆变器PV的体系的MCU体系包含CPU、存储器、电源实时钟、外设
机能是微型逆变器的关键特性。尽管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU产品尺寸更小、价钱更低,但其功效却有晋升,例如它具有可为CPU分担处理复杂高速节制算法的可编程浮点节制律加快器(CLA),从而使CPU无需处理I/O和反馈回路,在闭环应用中,可使机能提高5倍。
光伏电池的挑衅
基于太阳能发电体系的缺点之一是转换效力。太阳能电池板能从每100mm2的光伏电池获得约1mW的平均电能。典型效力约为10%。光伏电源的功率系数(即在阳光不停照射的条件下,太阳能电池实际发生的平均电能与实践上可发生的电能之比)约为15%至20%。有多种原因导致这一结果,包含阳光自己的变更,如夜间完全消失,和即使在白天,阴影和天气条件也常常导致光照削减。
光电转换为效力计算引入了更多变数,包含太阳能电池板的温度及其实践峰值效力。对计划工程师来说,另外一个成就是光伏电池发生的电压约有0.5V不规矩变更。被抉择能量转换拓扑时,这种变更会带来严重影响。例如,对低效的能量转换技能来说,它有可能消耗掉所收集到的很大一部分光伏电能。
为顺应太阳不是全天24小时都照射这一事实,太阳能供电体系要包含电池和给电池高效充电所需的复杂电子器件。当电池被集成到体系中时,电池充电必要额外的DC/DC转换电路,同时还必要电池解决和监控。
很多由太阳能供电的体系还与电网对接,从而请求相位同步和功率因数校正。另有很多必要复杂节制的应用环境。例如,必需内置故障预警机制以防备大众电网的停掉电等事件。这些仅仅是计划工程师必需要考虑的头等大事。

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