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用微型逆變器優(yōu)化太陽能系統(tǒng)
2011-10-3 中國冷鏈物流網(wǎng)(www.jsslwood.com)

    對于優(yōu)化太陽能系統(tǒng)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(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷和天氣條件,從而能夠為單塊面板和整個系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。
    微型逆變器架構(gòu)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(fā)電系統(tǒng)更有效率,系統(tǒng)“收回”采用太陽能技術(shù)的最初投資所需的時間會縮短。

    電源逆變器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵電子組件。在商業(yè)應(yīng)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(tǒng)或公用事業(yè)電網(wǎng)。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(zhuǎn)換成電池直流電壓、交流線路電壓和配電網(wǎng)電壓等若干種電壓。

    在一個典型的太陽能采集系統(tǒng)中,多個太陽能板并聯(lián)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(zhuǎn)換成干凈的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

    設(shè)計的主要目標(biāo)是盡可能提高轉(zhuǎn)換效率。這是一個復(fù)雜且需反復(fù)的過程,它涉及最大功率點跟蹤算法(MPPT)以及執(zhí)行相關(guān)算法的實時控制器。

    最大化電源轉(zhuǎn)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。

    但采用MPPT算法后,情況發(fā)生了根本變化。在本例中,模塊能實現(xiàn)最大輸出功率的電壓是17V。因此,MPPT算法的職責(zé)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(zhuǎn)換器將控制器輸入端的17V電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器將電壓從17V降至12V。

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

    雖然本例假設(shè)逆變器處理的是來自單個太陽能面板的能量,但傳統(tǒng)系統(tǒng)通常是一個逆變器連接多個面板。取決于應(yīng)用的不同,這種拓?fù)浼扔袃?yōu)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(dǎo)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(cè),曲線呈上升趨勢(dP/dV>0),而在MPP右側(cè),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(diào)整電壓。然后,它將一直朝這個方向調(diào)整電壓,直到dP/dV變負(fù)。

    P&O算法很容易實現(xiàn),但在穩(wěn)態(tài)運行中,它們有時會在MPP附近產(chǎn)生振蕩。而且它們的響應(yīng)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(dǎo)增量(INC)法使用光伏陣列的電導(dǎo)增量dI/dV來計算dP/dV的正負(fù)。INC能比P&O更準(zhǔn)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”。其另一個缺點是,增加的復(fù)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(diào)為0以測量陣列的開路電壓。然后,再將陣列的工作電壓設(shè)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(fā)現(xiàn),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(huán)境要求,許多設(shè)計工程師會讓系統(tǒng)先*估環(huán)境條件再選擇最適合當(dāng)時環(huán)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??刂乒δ芡?,執(zhí)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位實時微控制器就適合于各種太陽能應(yīng)用。

    電源逆變
    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(shù)提高了單逆變器系統(tǒng)的效率,但這只是在一定程度上。根據(jù)應(yīng)用的不同,單個逆變器拓?fù)涞娜秉c會很明顯。最突出的是可靠性問題:只要這個逆變器發(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?fù)湟部赡軐ο到y(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在大多數(shù)情況下,為達(dá)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(nèi)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(接收到的太陽原始能量)。

    與整個系統(tǒng)使用一個逆變器相比,為系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓?fù)涞闹饕锰幨?,即便其中一個逆變器出現(xiàn)故障,能量轉(zhuǎn)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(diào)整每個太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)。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(tǒng)適應(yīng)不斷變化的負(fù)載情況。這為各面板及整個系統(tǒng)都提供了最佳轉(zhuǎn)換效率。


來源:互聯(lián)網(wǎng)

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