一種利用微型逆變器優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的設計方案

對廉價控制器來說，除了MCU本份的正常控制功能外，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32位實時微控制器就適合于各種太陽能應用。

電源逆變器

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)應用的不同，單個逆變器拓撲的缺點會很明顯。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，所有面板產生的能量都浪費掉了。

即使逆變器工作正常，單逆變器拓撲也可能對系統(tǒng)效率產生負面影響。在大多數(shù)情況下，為達到最高效率，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)的轉換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即便其中一個逆變器出現(xiàn)故障，能量轉換仍能進行。


采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調整每個太陽能板的轉換參數(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)適應不斷變化的負載情況。這為各面板及整個系統(tǒng)都提供了最佳轉換效率。

微型逆變器架構要求每個面板都有一個專用MCU來管理能源轉換。不過，這些附加的MCU也可被用來改善系統(tǒng)和面板的監(jiān)測。

例如，大型的太陽能發(fā)電場就受益于面板間的通信以幫助保持負載平衡并允許系統(tǒng)管理員事先計劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過，為充分利用系統(tǒng)監(jiān)測的好處，MCU必須集成片上通信外圍設備(CAN、SPI、UART等)以便簡化與太陽能陣列內其它微型逆變器的接口。

在許多應用中，使用微型逆變器拓撲可以顯著提高系統(tǒng)整體效率。在面板級，效率有望提升30%。但由于各應用差異很大，系統(tǒng)級改善的“平均”百分比并沒多大意義。

應用分析

當評估微型變頻器在具體應用中的價值時，應從幾個方面考慮拓撲結構。

在小型應用中，各面板有可能面臨基本相同的光照、溫度和陰影等條件。因此，微型逆變器在提升效率方面作用有限。

為使各面板工作在不同電壓以獲得最高能效，要求采用DC/DC轉換器使各面板的輸出電壓統(tǒng)一于儲能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉換器和逆變器設計成一個模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉換器也可被整合進該模塊。

太陽能面板必須要互相通信，這會增加導線和復雜性。這是對在模塊中包含進逆變器、DC/DC轉換器和太陽能電池板的另一個爭論點。

每個逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來運行多個MPPT算法以適應不同的操作環(huán)境。

采用多個MCU會加大整體系統(tǒng)的材料成本。

每當考慮改變架構時都會關注其成本。為滿足系統(tǒng)的價格目標，為每個面板都配備一個控制器意味著該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時處理所有的控制、通信和計算任務。

片上集成恰當?shù)目刂仆庠O以及高模擬集成度是保證系統(tǒng)低成本的兩個基本要素。為執(zhí)行針對優(yōu)化轉換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲各環(huán)節(jié)中的效率所開發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

使用除可滿足微型逆變器本身要求之外，還可處理包括AC/DC轉換、DC/DC轉換以及面板間通訊等整個系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個MCU所導致的成本增加。

MCU特性

仔細權衡這些高層次要求是確定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，當并聯(lián)面板時需要負載平衡控制。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過開/關輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

微型逆變器設計沒有“一成不變”的模式。這意味著設計者必須有能力和創(chuàng)新精神采用新技巧、新技術，特別是在面板間和系統(tǒng)間的通信方面。最合適的MCU應支持各種協(xié)議，包括一些平常不會想到的如電力線通訊（PLC）和控制器局域網(wǎng)（CAN）等。特別是電力線通訊，因不再需專門的通信線路，所以可降低系統(tǒng)成本。但這需要MCU內置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU.

對于針對太陽能逆變器應用所設計的MCU，一個意想不到但極具價值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時運行兩個系統(tǒng)時鐘的能力也有助于減少太陽能電池板安裝時出現(xiàn)的問題。

由于在太陽能微型逆變器設計中凝聚了如此多的創(chuàng)新，對MCU來說，其最重要的特性也許就是軟件編程能力了。該特性使得在電源電路設計和控制中擁有最高的靈活性。

C2000微控制器配備了可高效處理算法運算的先進數(shù)字運算處理內核以及用于能量轉換控制的片上外設集，已廣泛應用于傳統(tǒng)的太陽能電池板逆變器拓撲中。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是經(jīng)濟款，該系列的最小封裝只有38個引腳，但其架構更先進、外設也得到增強，從而可把32位實時控制的好處帶給要求低總體系統(tǒng)成本的微型逆變器等應用。

此外，Piccolo MCU系列的各款產品都集成了兩個用于時鐘比較的片上10MHz振蕩器，以及帶上電復位和掉電保護的片上VREG、多個高分辨率150ps的PWM、一個12位4.6兆次采樣/秒的ADC以及I2C（PMBus）、CAN、SPI和UART等通信協(xié)議接口。圖3顯示了一個與基于微型逆變器的光伏系統(tǒng)一起使用的計算機系統(tǒng)配置。

圖3：面向基于微逆變器PV的系統(tǒng)的MCU系統(tǒng)包含CPU、存儲器、電源及時鐘、外設

性能是微型逆變器的關鍵特性。盡管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU產品尺寸更小、價格更低，但其功能卻有提升，例如它具有可為CPU分擔處理復雜高速控制算法的可編程浮點控制律加速器（CLA），從而使CPU無需處理I/O和反饋回路，在閉環(huán)應用中，可使性能提高5倍。

光伏電池的挑戰(zhàn)

基于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點之一是轉換效率。太陽能電池板能從每100mm2的光伏電池獲取約1mW的平均電能。典型效率約為10%.光伏電源的功率系數(shù)（即在陽光一直照射的條件下，太陽能電池實際產生的平均電能與理論上可產生的電能之比）約為15%至20%.有多種原因導致這一結果，包括陽光本身的變化，如夜間完全消失，以及即使在白天，陰影和天氣條件也常常導致光照減少。