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太陽能系統(tǒng)效率和可靠性優(yōu)化新方法

作者: 時間:2011-02-15 來源:網(wǎng)絡 收藏

的一種較新是使用連接至每個單獨板的微型逆變器。為每個板都安裝其自己的微型逆變器,讓可以適應其變化的負載和空氣環(huán)境,從而為單個太陽能板和整個提供最佳的轉(zhuǎn)換。微型逆變器構架還實現(xiàn)了更簡單的布線,從而實現(xiàn)更低的安裝成本。通過提高用戶太陽能系統(tǒng)的可縮短系統(tǒng)的初始技術投入回報時間。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179822.htm

電源逆變器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中關鍵的電子組件。在一些商業(yè)應用中,這些組件連接光伏(PV)板、存儲電荷的電池以及局域配電系統(tǒng)或公共電網(wǎng)。圖1顯示的是一款典型的太陽能逆變器,它從PV陣列DC輸出獲得非常低的電壓,然后將其轉(zhuǎn)換成DC電池電壓、AC線壓和配電網(wǎng)電壓的某種組合。

在一個典型的太陽能采集系統(tǒng)中,多塊太陽能板以并聯(lián)方式連接到一個單逆變器,該逆變器將多個PV單元的可變DC輸出轉(zhuǎn)換成一種清潔的正弦曲線50Hz或60Hz電壓源。

主要設計目標是最大化轉(zhuǎn)換效率。這是一個復雜、反復的過程,涉及了算法(最大功率點追蹤算法,MPPT)以及執(zhí)行這些算法的實時控制器。

電源轉(zhuǎn)換最大化

不使用MPPT算法的逆變器只是將模塊直接連接到電池,強制它們在電池電壓下工作。幾乎無一例外,電池電壓并非是采集最大化可用太陽能的理想值。

實施MPPT算法后,情況大為不同。本例中,模塊達到最大功率時的電壓為17V。因此,MPPT算法的作用是讓模塊工作在17V電壓下,從而獲得滿75W功率,其與電池電壓無關。

高效DC/DC電源轉(zhuǎn)換器將控制器輸入端的17V模塊電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的電池電壓。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器將17V電壓逐步降至12V,因此本例中MPPT系統(tǒng)的電池充電電流為:(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE或(17V/12V)×4.45A = 6.30A。

假設DC/DC轉(zhuǎn)換器為100% 轉(zhuǎn)換效率,則1.85A充電電流增加,也即可達到42%。

盡管本例假定逆變器正處理來自一個單太陽能板的能量,但傳統(tǒng)系統(tǒng)一般擁有許多連接至一個單逆變器的太陽能板。這種拓撲結(jié)構在具有很多優(yōu)點的同時也存在一些不足,具體情況取決于應用。

MPPT算法

MPPT算法主要有三種:擾動觀察法、電導增量法和恒定電壓法。前兩種通常被稱作“爬山”法,因為它們利用這樣一個事實:MPP左側(cè)曲線不斷上升(dP/dV>0)而MPP右側(cè)曲線不斷下降(dP/dV0)。

擾動觀察法(PO)最為常見。該算法以特定方向?qū)ぷ麟妷哼M行微擾,然后對dP/dV進行采樣。如果dP/dV為正,則算法知道其朝MPP方向調(diào)節(jié)了電壓。然后,繼續(xù)以該方向調(diào)節(jié)電壓,直到dP/dV為負。

PO算法很容易實施,但有時它們會導致穩(wěn)定狀態(tài)運行的MPP周圍出現(xiàn)振蕩。另外,在快速變化的空氣條件下,它們的響應時間較長,甚至會在錯誤的方向追蹤。

電導增量(INC)法使用PV陣列的增量電導dI/dV來計算dP/dV的符號。相比PO,INC快速追蹤變化的光照條件更加準確。然而,與PO相同,它會產(chǎn)生振蕩,并會在快速變化的空氣條件影響下變得混亂不清。另一個缺點是,其高復雜性增加了計算時間,并降低了采樣頻率。第三種是恒定電壓法,其利用這樣一個事實:一般而言,VMPP/VOC的比約等于0.76。這種方法所出現(xiàn)的問題在于它要求立刻設置 PV陣列電流為0來測量陣列的開路電壓。這樣,陣列的工作電壓便被設置為這一測量值的76%。但是,在這期間,陣列被斷開,浪費掉了有效能源。同時還發(fā)現(xiàn),76%開電路電壓是一個非常接近值的同時,它卻并非總是與MPP一致。

由于沒有一個能夠成功地滿足所有常用情景要求的MPPT算法,因此許多設計人員都會走一些彎路,它們對系統(tǒng)進行環(huán)境條件評估然后選擇最佳的算法。實際上,有許多MPPT算法可以用,并且太陽能板廠商提供其自己的算法也很常見。

對于一些廉價的控制器來說,執(zhí)行MPPT算法會是一項難以完成的任務。因為,除MCU的正??刂乒δ芤酝猓惴ㄟ€要求這些控制器擁有高性能的計算能力。先進的32位實時微控制器(例如:TI C2000平臺中的一些微控制器)就適用于眾多太陽能應用。

電源逆變器

使用單個逆變器具有諸多優(yōu)點,其中最突出的是簡潔性和低成本。使用MPPT算法和其他技術可提高單逆變器系統(tǒng)的效率,但只是在一定程度上。單逆變器拓撲的下降趨勢明顯,但具體取決于應用。人們最為關心的是問題:如果一個逆變器故障,便會損失所有太陽板產(chǎn)生的能量,直到修復或者替換該逆變器為止。

即使在它完美運行時,單逆變器拓撲結(jié)構也會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生負面影響。在大多數(shù)情況下,每個太陽能板都有不同的達到最大效率控制要求。決定各太陽能板效率的一些因素包括其組件PV單元的制造差異、環(huán)境溫度差異以及陽光陰影和方向帶來的不同程度光照(從太陽接收的原始能量)。

通過為每個單獨太陽能板都安裝一個微型逆變器而不是整個系統(tǒng)使用一個單逆變器可以進一步提高整體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是,即使在一個逆變器故障的情況下能量也會不斷得到轉(zhuǎn)換。

微型逆變器方法的其他一些好處包括,可以使用高精度PWM對每塊太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行調(diào)節(jié)。由于云、陰影和遮擋都會改變單個太陽能板的輸出,因此為每塊太陽能板安裝微型逆變器讓系統(tǒng)可以適應不斷變化的負載。這樣做可以為單個太陽能板以及整個系統(tǒng)提供最佳的轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器構架要求一種專用MCU,以使每塊太陽能板都能管理能量轉(zhuǎn)換。但是,這些額外的MCU也可用于提高系統(tǒng)和太陽能板監(jiān)控能力。例如,大型太陽能板發(fā)電廠受益于太陽能板間通信,其有助于保持負載平衡,并讓系統(tǒng)管理員能夠提前規(guī)劃可以獲得的太陽能大小——以及應該采取的措施。然而,要利用系統(tǒng)監(jiān)控的這些好處,MCU必須集成片上通信外圍器件(CAN、SPI、UART等等),以簡化同太陽能陣列中其他微型逆變器之間的連接。

許多應用中,使用微型逆變器拓撲可極大地提高總系統(tǒng)效率。在太陽能板層面,有望獲得30%的效率提高。但由于應用差別很大,因此“平均”系統(tǒng)級提升百分比沒有多大意義。

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