行業技術講解與分享：針對太陽能逆變器的設計案例

對于那些能源無法自給的國家，太陽能和其他替代能源擁有無可爭議的優勢，可幫助他們達到減少化石燃料消耗和實現能源獨立的目的。用替代能源系統取代化石燃料能源，將對全球經濟和人類生活產生重大影響。但問題是，用替代能源發電的成本要與化石燃料發電的成本相近或更少，這樣才能真正減少原油的消耗。

在開發太陽能技術的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設計將電池產生的直流電轉換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發電方式相競爭，工程師為提高逆變器每一個百分點的效率的努力都是非常重要的。

一些太陽能轉換系統制造商把逆變器的轉換效率從92%提高到了96%，這樣他們在市場上成功的機會就會大增。有一種辦法是設計沒有變壓器的DC/DC轉換器。在轉換系統中，由變壓器導致的能量損失大約是2%～3%。因此就要使用更高電壓的晶體管，這種晶體管已經可以在市場上買到。

逆變器的設計

在基于光電流的系統中，電源逆變器控制著太陽能板和電池，以及負載之間的電流，將太陽能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流，輸出給負載或回饋到電網中去。圖1顯示了逆變器在太陽能發電中的重要作用。

圖1 逆變器在提高太陽能轉換效率的過程中發揮著重要作用

由于太陽能板的輸出電壓是變化的，要保持發電時盡可能的高效率是非常復雜的。完成這項任務的關鍵是檢測最大功率點(maximum power point，MPP)。圖2顯示了最大功率點是如何隨天氣和電壓而變的。

圖2 太陽能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變

MPP跟蹤技術可用來探測MPP，并調整DC/DC的輸出電壓轉換，以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽能電池系統在冬天的整體效率提高1/3或更多，而這時也正是電力需求最高的時候。

控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓，并檢測輸出。算法要在MPP點周圍留出一個足夠大的振蕩范圍，避免當天空掠過云彩時控制器對本地電源發出錯誤的擾動。電池的算法

擾動和檢測算法的效率并不高，這是由于在每個周期內輸出點都會偏離MPP。可以采用增量感應算法做為替代，這種方法可以很好地解決由于振蕩導致的低效率，但又會設定一個本地峰值而不是真實的MPP，從而引發其他問題。將這兩種算法結合起來，可以保持增量感應算法的高效率，同時又可以以一定間隔在很大范圍內掃描，避免選擇本地的峰值。

顯然，這會給控制逆變器的控制器帶來很大的計算負荷，控制器必須滿足一些實時處理的挑戰。

現在的數字信號控制器可以提供實時控制算法所需的高速運算能力。A/D轉換器、PWM等集成外設使控制器可以直接檢測輸入信號，控制功率MOSFET，片上的flash閃存可用于編程和數據存儲，通信端口簡化了電能表和其他逆變器的組網過程。

在太陽能逆變器中的DSP控制器的高效率已經得到證實，可以把轉換過程中的能量損失減少最多50%。National Renewable Energy Laboratory對分布式電源技術LLC的研究表明，基于DSP的逆變器可以將1個10kW逆變器的制造和人工成本減少56%，同時還減少了逆變器的尺寸和重量。

德州儀器公司的TMS320F28x數字信號控制器就是一個非常好的例子，它的性能高達150MIPS，可以用1個DSP控制逆變器中的多個轉換級，而且還有富裕的處理能力，可用來執行MPP跟蹤算法、電池充電監控、浪涌保護、記錄數據和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個轉換級的框圖。