基于M算法主動(dòng)功率優(yōu)化器方案

1、找到一個(gè)發(fā)電效率和成本效益俱佳的太陽能發(fā)電以及并入電網(wǎng)的方法，是能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，不過，如何解決太陽能電池板上的陰影問題也同樣重要。太陽能電池板被陰影遮擋時(shí)會(huì)停止光電轉(zhuǎn)換，降低整串太陽能電池板的發(fā)電性能。本文將介紹幾項(xiàng)可降低陰影影響的方法和技術(shù)。 圖1:典型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的俯視圖。圖1所示是一個(gè)典型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的俯視圖。顯然，安裝在北半球的太陽能電池板需要面向南方，而在實(shí)際安裝過程中，為了讓下午的太陽光線能夠照射在太陽能電池板上，屋頂安裝的太陽能電池板通常都是面向西南方向。典型太陽能電池板的輸出功率是24V直流。多塊太陽能電池板先是串聯(lián)在一起，然后通過逆變器并入電網(wǎng)。民用

2、和商用電是115V交流或230V交流。230V交流電力系統(tǒng)的峰值電壓是325V.單個(gè)太陽能電池板串聯(lián)在一起組成陣列，向逆變器輸入350V交流，為電網(wǎng)送電。太陽能電池板的電壓、電流和功率特性 圖2:太陽能電池的典型電路原理圖。圖2中我們可以看到，在太陽能電池內(nèi)有一個(gè)PN結(jié)，因此可將其視為一個(gè)二極管。流經(jīng)該二極管的電流被稱之為暗電流，與流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)二極管的電流沒有什么不同。電流發(fā)生器的輸出電流與二極管電流方向相反，大小與太陽能電池吸收的光能成正比。串聯(lián)電阻Rs 代表導(dǎo)通損耗，大小與輸出電流的平方成正比。并聯(lián)電阻Rp 表示因太陽能電池板邊緣絕緣不好而導(dǎo)致的泄漏電流引起的功率損耗。本節(jié)稍后討論Rs和Rp

3、對(duì)太陽能電池板輸出特性的影響。我們可從二極管的基本表示法得出，太陽能電池電流是電壓的函數(shù)，功率是電壓的函數(shù)。圖3所示是在沒有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性。圖4所示是有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性。 圖3:沒有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性。 圖4:有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性。因?yàn)樘柲茈姵禺a(chǎn)生功率，所以我們習(xí)慣把電流-電壓曲線上下顛倒過來看，如圖5所示。 圖5:把圖4中的電流-電壓曲線上下顛倒過來看。電池到電池板的進(jìn)化太陽能電池板是由先串聯(lián)然后再并聯(lián)的單個(gè)太陽能電池組成。同樣地，太陽能電池板陣列是由先串聯(lián)然后再并聯(lián)的單個(gè)太陽能電池板組成。太陽能電池串聯(lián)是為了提

4、高輸出電壓，太陽能電池并聯(lián)是為了提高輸出電流。因此，如果每塊電池的正向壓降是0.5V,額定光能產(chǎn)生100mA電流，則50塊電池串聯(lián)可形成一串25V的電池組。然后，再把這串電池組中的60個(gè)電池并聯(lián)，可產(chǎn)生一個(gè)25V、6A的太陽能電池板。如果每個(gè)太陽能電池板的輸出功率是150W,在屋頂上安裝50塊太陽能電池板可輸出7.5kW電能。太陽能電池板的四個(gè)重要參數(shù)：Voc是當(dāng)Iout = 0時(shí)的開路電壓。 Pout = 0Isc是當(dāng)Vout = 0時(shí)的短路電流。Pout = 0Vmp是當(dāng)峰值功率被提取時(shí)的輸出電壓。Imp是當(dāng)峰值功率被提取時(shí)的輸出電流。如圖6所示，紅色曲線表示電流與電壓的函數(shù)關(guān)系，綠線表示

5、功率與電壓是函數(shù)關(guān)系，電流-電壓曲線上還標(biāo)明了最大功率點(diǎn)。 圖6:紅色曲線表示電流與電壓的函數(shù)關(guān)系，綠線表示功率與電壓是函數(shù)關(guān)系。在太陽能電池(或太陽能電池板)等效電路上，當(dāng)Vout = 0時(shí)，電流-電壓曲線的斜率受并聯(lián)電阻Rp的影響 .最理想的是，太陽能電池板的Rp = ，且斜率為零。當(dāng)Vout = Voc時(shí)，功率-電壓曲線的斜率受串聯(lián)電阻Rs的影響。最理想地是，Rs = 0,且斜率無限大。從太陽能電池板輸出最大功率目標(biāo)是找到最大功率點(diǎn)(MPP)，使電池板電壓和電流保持在那個(gè)功率點(diǎn)。MPP點(diǎn)的變化與輻照度和溫度有關(guān)。當(dāng)輻照度降低時(shí)，Isc電流也隨著變低。隨著Isc降低，MPP向低壓轉(zhuǎn)移。當(dāng)溫

6、度升高時(shí)，Vmp和最大功率都會(huì)降低。Voc、Isc、Vmp、Imp 和溫度影響都列在太陽能電池板廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)。亟待解決的難題是，當(dāng)太陽能電池板的環(huán)境變化時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)跟蹤這些參數(shù)的變化，不管外部環(huán)境因素如何，確保太陽能電池板始終工作在最大功率點(diǎn)上。既然太陽能電池板的等效電路可表示為有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的電流源，則Thevenin等效電路可表示為只有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源。要想將最大功率從電壓源輸送到負(fù)載，負(fù)載電阻必須與電壓源的電阻相等。圖7所示是斜率正確的負(fù)載線路電阻R2與I-V曲線相交于最大功率點(diǎn)。 圖7:斜率正確的負(fù)載線路電阻R2與I-V曲線相交于最大功率點(diǎn)。由洗車想到的原理洗車是一個(gè)解釋

7、為什么需要最大輸出功率的實(shí)例。我們知道，在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時(shí)，如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅(jiān)硬泥土，就必須用大拇指堵住管口提高水流的沖涮力才能沖凈擋泥板。用拇指堵住管口的作用相當(dāng)于阻抗匹配裝置，可以從水管主管釋放最大的壓力。如果把拇指從管口移開，水的流量(電流)就會(huì)變大，但是水壓(電壓)則會(huì)降低，沖洗力量減弱。把管口幾乎完全堵住，雖然可以換得更大的水壓，但幾乎失去了水流和沖洗力量。只有水管開口大小最佳時(shí)，才能產(chǎn)生理想的水壓和流量，獲得最大的沖洗力量。把這個(gè)原理應(yīng)用到太陽能電池上，我們得到一個(gè)內(nèi)置MPPT功能的直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器，這是一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器，設(shè)計(jì)目的是提高太陽能電

8、池板的輸出電壓，同時(shí)把太陽能電池板的輸入電壓同步調(diào)至Vmp.從而優(yōu)化或最大化太陽能電池板的輸出功率。用戶設(shè)置轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，擾動(dòng)和觀察MPPT算法決定轉(zhuǎn)換器的占空比，占空比就是你潛意識(shí)地調(diào)節(jié)水管的開口大小，直到水管對(duì)汽車輸出最大的沖洗力。轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(即太陽能電池板的輸出電壓)是因變量，由下面的公式?jīng)Q定：Vin = Vout * (占空比等于1)在被施加太陽電池板的輸入電壓時(shí)，SPV1020的占空比初始值很低， 為5%.MPPT算法就是測(cè)量輸入電壓和輸入電流，計(jì)算功率，然后，提高占空比。測(cè)量新的輸入電壓，計(jì)算輸入功率。如果新的功率大于上一次功率，則再次提高占空比。這個(gè)過程一直持續(xù)到新功率

9、沒有變化或小于上一次功率為止。如果新功率沒有變化，則該功率就是最大功率點(diǎn)。如果新功率小于上一次功率，占空比就會(huì)降低;這個(gè)過程一直重復(fù)到新功率等于上一次功率為止，則該功率被確定為最大功率點(diǎn)。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器將工作在功率-電壓曲線的上方，如圖8所示。擾動(dòng)與觀察算法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，周期是開關(guān)周期的256倍。默認(rèn)開關(guān)頻率為100kHz.開關(guān)周期是10微秒，MPPT算法更新頻率是2.56毫秒。 圖8:轉(zhuǎn)換器工作圖。擾動(dòng)與觀察算法采用狩獵方法尋找最大功率點(diǎn)，但是，這的確是阻抗匹配方法。轉(zhuǎn)換器的典型輸出為35V直流，而電網(wǎng)逆變器工作在350V直流電壓，因此驅(qū)動(dòng)逆變器需要安裝10塊太陽能電池板。每塊太陽能電池板

10、驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)換器，每塊電池板都執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤功率優(yōu)化算法。把10塊轉(zhuǎn)換器的輸出串聯(lián)，以產(chǎn)生350V直流電壓。電網(wǎng)逆變器在轉(zhuǎn)換器輸出端產(chǎn)生負(fù)載，用RL表示。SPV1020的輸入電阻Rin與該負(fù)載和轉(zhuǎn)換器占空比是函數(shù)關(guān)系。輸入電阻：公式1 輸入電阻等于太陽能電池板的輸出電阻。開發(fā)太陽能發(fā)電系統(tǒng)假設(shè)終端用戶需要一個(gè)7.5kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)能效稍后再討論，這個(gè)系統(tǒng)需要整合30個(gè)250W太陽能電池板。把十塊35VDC的太陽能電池板串聯(lián)在一起，構(gòu)成一串350V、2.5kW的太陽能電池組。把三串2.5kW的電池組并聯(lián)，可向中央逆變器輸送350VDC、7.5kW的電能，如圖9所示。 圖9:7.5kW

11、的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)發(fā)電方法有重大缺點(diǎn)。中央逆變器對(duì)整個(gè)陣列執(zhí)行MPPT優(yōu)化。注意，中央逆變器也叫串聯(lián)逆變器，因?yàn)樘柲茈姵匕迨谴?lián)在一起。如果在其中一個(gè)或幾個(gè)太陽能電池板上有陰影，受影響的太陽能電池板的輸出功率就會(huì)降低，最大功率點(diǎn)也隨之變化，但是單一中央逆變器或串逆變器無法發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，從而無法從整個(gè)太陽能電池板陣列收集最大的電能。因此，MPPT優(yōu)化過程需要在每塊太陽能電池板上獨(dú)立完成。陰影的影響太陽能板上的陰影對(duì)系統(tǒng)有很大的負(fù)面影響。產(chǎn)生陰影的原因有很多，例如，灰塵、沙土、樹葉、鳥群或?yàn)踉普谏w了全部或部分太陽能板表面，阻斷太陽光線照射太陽能板。陰影導(dǎo)致太陽能板輸出功率降低。如受陰影

12、影響的太陽能板屬于一串太陽能板，則整串太陽能板的輸出都會(huì)受到影響。為降低陰影的負(fù)面影響，需要給受影響的太陽能板上跨接一個(gè)旁通二極管或酷冷旁路開關(guān)，如圖10所示。在正常條件下，輸出電流會(huì)流經(jīng)串內(nèi)的每一塊太陽能電池板。如果其中一個(gè)板子有陰影，其電流源將會(huì)變?nèi)?。這時(shí)，整串電流將流經(jīng)太陽能板Rp,如圖2所示。Rp的電阻值很大，因此，有陰影的太陽能板將變得過熱。通過給板子并聯(lián)一個(gè)旁通二極管，可為整串電流提供第二條通道，繞開有陰影的太陽能板，防止出現(xiàn)熱斑。 圖10:降低陰影的負(fù)面影響，需要給受影響的太陽能板上跨接一個(gè)旁通二極管或酷冷旁路開關(guān)。意法半導(dǎo)體的酷冷旁路開關(guān)可替代起到旁通二極管作用的肖特基二極管。

13、SPV1001酷冷旁路開關(guān)內(nèi)置一個(gè)MOSFET開關(guān)，由一個(gè)控制電路管理通斷狀態(tài)，在受陰影影響的太陽能板旁邊為整串電流提供第二條通道。與肖特基二極管相比，酷冷旁路開關(guān)斷態(tài)時(shí)泄漏電流小;通態(tài)時(shí)壓降低，因此可提高系統(tǒng)能效。為每塊太陽能電路板提供MPPT使用微逆變器可改進(jìn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。微逆變器的輸出功率大約250W,每塊太陽能板都連接一個(gè)微逆變器，對(duì)單個(gè)太陽能板執(zhí)行MPPT優(yōu)化。圖11所示是由30個(gè)微逆變器組成的太陽能系統(tǒng)，每塊太陽能板安裝一個(gè)微逆變器。微逆變器的交流輸出并聯(lián)，按照電網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)正確調(diào)整交流輸出。 圖11:由30個(gè)微逆變器組成的太陽能系統(tǒng)。微逆變器是比較復(fù)雜的電子產(chǎn)品。圖12所示是

14、意法半導(dǎo)體開發(fā)的一款微逆變器評(píng)估板。 圖12:微逆變器評(píng)估板。使用主動(dòng)功率優(yōu)化器，如SPV1020,是一個(gè)比較簡單的實(shí)現(xiàn)帶有MPPT功能的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的方法。圖13是完整的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 圖13:完整的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在這個(gè)圖示中，每個(gè)太陽能板連接一個(gè)主動(dòng)功率優(yōu)化器。優(yōu)化器負(fù)責(zé)提高太陽能板的輸出電壓，同時(shí)執(zhí)行MPPT功能。太陽能板的輸出電壓至少6.5VDC.SPV1020的輸出電壓可高達(dá)40VDC.典型值是35VDC,如圖13所示。主動(dòng)功率優(yōu)化器連續(xù)執(zhí)行擾動(dòng)與觀察算法，直到在功率-電壓曲線上發(fā)現(xiàn)最大功率點(diǎn)為止，如圖8所示。功率優(yōu)化器通過測(cè)量輸入電壓的方式確定太陽能電路板的Vmp電壓。市面上還

15、有其它類型的MPPT轉(zhuǎn)換器，但是這些轉(zhuǎn)換器都認(rèn)定Vmp對(duì)Voc的百分比是一個(gè)固定值，這種假設(shè)在某一個(gè)特定工作條件下可能是正確的，但是需要熱敏電阻以溫度表示Vmp的變化。而SPV1020無需這樣的假設(shè)，通過測(cè)量輸入電壓和輸入電流確定實(shí)際輸入功率，以設(shè)定最大功率傳輸工作點(diǎn)。圖14是SPV1020簡單的外部連接圖。太陽能板與Lx 輸入端的升壓電感相連，負(fù)載與Vout相-無需其它電源。太陽能板輸出端的電阻分壓器檢測(cè)與MPPT有關(guān)的芯片輸入電壓。將主MOSFET開關(guān)電流的測(cè)量值乘以輸入電壓，即可算出輸入功率。Vout端連接的電阻分壓器用于設(shè)定輸出電壓值。 圖14:SPV1020中的一個(gè)開關(guān)通道。SPV1

16、020是一個(gè)交錯(cuò)式四通道轉(zhuǎn)換器。圖14所示是其中的一個(gè)開關(guān)通道。320W的功率處理能力是該產(chǎn)品的一大亮點(diǎn)。PowerSSO-36微型封裝和四通道平均分配處理能力是該產(chǎn)品的關(guān)鍵特性。四級(jí)交錯(cuò)式拓?fù)淙鐖D15所示。 圖15:四級(jí)交錯(cuò)式拓?fù)鋱D。四個(gè)開關(guān)級(jí)每90度交錯(cuò)一次。圖15描述了四個(gè)開關(guān)級(jí)的連接方式，電路中只連接一個(gè)太陽能板和一個(gè)負(fù)載。每個(gè)開關(guān)級(jí)都有一個(gè)內(nèi)部電感。圖中的開關(guān)和二極管都是導(dǎo)通電阻較低的MOSFET開關(guān)管。在100kHz默認(rèn)開關(guān)頻率下，每個(gè)開關(guān)級(jí)的開關(guān)頻率都是25kHz.SPV1020的每個(gè)開關(guān)支路連接一個(gè)過零檢測(cè)模塊，用于關(guān)斷相關(guān)的同步整流器，禁止電流從輸出到輸入的反向流動(dòng)。為確保上

17、電順序正確，轉(zhuǎn)換器開始是突發(fā)模式。當(dāng)輸入電壓大于6.5 V時(shí)，轉(zhuǎn)換器依次激活四個(gè)開關(guān)級(jí)。 從第1級(jí)開關(guān)開始導(dǎo)通，開始是突發(fā)模式，在15個(gè)周期內(nèi)，用1個(gè)周期向電感充電。然后，逐漸提高占空比，直到第1級(jí)開關(guān)在每個(gè)周期導(dǎo)通且默認(rèn)開關(guān)頻率為100 kHz為止。在第1級(jí)開關(guān)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其余的開關(guān)級(jí)按下列順序依次導(dǎo)通：第3級(jí)、第2級(jí)、第4級(jí)。如果功率要求低于320W,可能只需要第1級(jí)和第3級(jí)，節(jié)省的兩個(gè)電感可降低成本和空間要求。交錯(cuò)式架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是紋波電流小。假設(shè)存在一個(gè)電阻性負(fù)載，則輸出紋波電壓與輸出紋波電流成正比。在交錯(cuò)式四級(jí)架構(gòu)中，總輸出電流是流經(jīng)四個(gè)電感的電流之和。因?yàn)槊考?jí)電流是總電流的四分

18、之一，假如電感已知，則交錯(cuò)式架構(gòu)峰對(duì)峰紋波電流是單級(jí)架構(gòu)系統(tǒng)的的四分之一。采用主動(dòng)功率優(yōu)化器與微逆變器的情況一樣，每塊太陽能板都連接一個(gè)主動(dòng)功率優(yōu)化器。 圖16:與微逆變器的情況一樣，每塊太陽能板都連接一個(gè)主動(dòng)功率優(yōu)化器。當(dāng)要求太陽能板提供更高的輸出電壓時(shí)，將功率優(yōu)化器的輸出串聯(lián)到最終輸出，以驅(qū)動(dòng)中央逆變器。 圖17:當(dāng)要求太陽能板提供更高的輸出電壓時(shí)，將功率優(yōu)化器的輸出串聯(lián)到最終輸出，以驅(qū)動(dòng)中央逆變器。 圖18是完整的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。主動(dòng)功率優(yōu)化器與微逆變器比較在比較主動(dòng)功率優(yōu)化器與微逆變器時(shí)，我們必須考慮成本、安裝復(fù)雜程度、元器件數(shù)量、檢修便利性等因素，很難進(jìn)行絕對(duì)對(duì)比。不過，我們?cè)谇拔挠懻摿酥鲃?dòng)功率優(yōu)化器的簡易性。圖19所示是一個(gè)微逆變器的原理圖，從圖中可以看到其主要內(nèi)部功能模塊。功率優(yōu)化器和中央逆變器就是從微逆變器中取出MPPT功能，并將 DC-DC轉(zhuǎn)換器改成中央逆變器。 圖19:微逆變器的原理圖。