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功率技術/新能源  

採用MPPT演算法的太陽能發電技術——主動功率優化器或微逆變器

上網時間: 2012年11月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MPPT  太陽能  太陽能  電池板  微逆變器 

作者:Ed Friedman

應用工程師

意法半導體

找到一個發電效率和成本效益俱佳的太陽能發電以及併入電網的方法,是能源系統設計工程師面臨的一個重大挑戰,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會停止光電轉換,降低整串太陽能電池板的發電性能。本文將介紹幾項可降低陰影影響的方法和技術。

圖1所示是一個典型太陽能發電系統的俯視圖。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在一起,然後透過逆變器併入電網。民用和商用電是115V交流或230V交流。230V交流電力系統的峰值電壓是325V。單個太陽能電池板串聯在一起組成陣列,向逆變器輸入350V交流,為電網送電。


圖1:典型太陽能發電系統的俯視圖。

太陽能電池板的電壓、電流和功率特性

圖2中我們可以看到,在太陽能電池內有一個PN結,因此可將其視為一個二極體。流經該二極體的電流被稱之為暗電流,與流經標準二極體的電流沒有什麼不同。電流發生器的輸出電流與二極體電流方向相反,大小與太陽能電池吸收的光能成正比。串聯電阻Rs代表導通損耗,大小與輸出電流的平方成正比。並聯電阻Rp表示因太陽能電池板邊緣絕緣不好而導致的洩漏電流引起的功率損耗。本節稍後討論Rs和Rp對太陽能電池板輸出特性的影響。


圖2:太陽能電池的典型電路原理圖。

我們可從二極體的基本標記法得出,太陽能電池電流是電壓的函數,功率是電壓的函數。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。

因為太陽能電池產生功率,所以我們習慣把電流-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。

電池到電池板的進化

太陽能電池板是由先串聯然後再並聯的單個太陽能電池組成。同樣地,太陽能電池板陣列是由先串聯然後再並聯的單個太陽能電池板組成。太陽能電池串聯是為了提高輸出電壓,太陽能電池並聯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,額定光能產生100mA電流,則50塊電池串聯可形成一串25V的電池組。然後,再把這串電池組中的60個電池並聯,可產生一個25V、6A的太陽能電池板。如果每個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重要參數:

Voc是當Iout=0時的開路電壓。Pout=0

Isc是當Vout=0時的短路電流。Pout=0

Vmp是當峰值功率被提取時的輸出電壓。

Imp是當峰值功率被提取時的輸出電流。

如圖6所示,紅色曲線表示電流與電壓的函數關係,綠線表示功率與電壓是函數關係,電流-電壓曲線上還標明了最大功率點。


圖6:紅色曲線表示電流與電壓的函數關係,綠線表示功率與電壓是函數關係。

在太陽能電池(或太陽能電池板)等效電路上,當Vout=0時,電流-電壓曲線的斜率受並聯電阻Rp的影響。最理想的是,太陽能電池板的Rp=∞,且斜率為零。當Vout=Voc時,功率-電壓曲線的斜率受串聯電阻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

目標是找到最大功率點(MPP),使電池板電壓和電流保持在那個功率點。MPP點的變化與輻照度和溫度有關。當輻照度降低時,Isc電流也隨著變低。隨著Isc降低,MPP向低壓轉移。當溫度升高時,Vmp和最大功率都會降低。Voc、Isc、Vmp、Imp和溫度影響都列在太陽能電池板廠商的資料手冊內。亟待解決的難題是,當太陽能電池板的環境變化時,需要動態跟蹤這些參數的變化,不管外部環境因素如何,確保太陽能電池板始終工作在最大功率點上。

既然太陽能電池板的等效電路可表示為有串聯電阻和並聯電阻的電流源,則Thevenin等效電路可表示為只有一個串聯電阻的電壓源。要想將最大功率從電壓源輸送到負載,負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載線路電阻R2與I-V曲線相交於最大功率點。


圖7:斜率正確的負載線路電阻R2與I-V曲線相交於最大功率點。

由洗車想到的原理

洗車是一個解釋為什麼需要最大輸出功率的實例。我們知道,在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時,如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅硬泥土,就必須用大拇指堵住管口提高水流的沖涮力才能沖淨擋泥板。用拇指堵住管口的作用相當於阻抗匹配裝置,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)就會變大,但是水壓(電壓)則會降低,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,才能產生理想的水壓和流量,獲得最大的沖洗力量。

把這個原理應用到太陽能電池上,我們得到一個內建MPPT功能的直流-直流升壓轉換器,這是一個主動式功率優化器,設計目的是提高太陽能電池板的輸出電壓,同時把太陽能電池板的輸入電壓同步調至Vmp。從而優化或最大化太陽能電池板的輸出功率。使用者設置轉換器的輸出電壓,擾動和觀察MPPT演算法決定轉換器的占空比,占空比就是你潛意識地調節水管的開口大小,直到水管對汽車輸出最大的沖洗力。轉換器的輸入電壓(即太陽能電池板的輸出電壓)是因變數,由下面的公式決定:

   Vin=Vout* (占空比等於1)

在被施加太陽電池板的輸入電壓時,SPV1020的占空比初始值很低,僅5%。MPPT演算法就是測量輸入電壓和輸入電流,計算功率,然後,提高占空比。測量新的輸入電壓,計算輸入功率。如果新的功率大於上一次功率,則再次提高占空比。這個過程一直持續到新功率沒有變化或小於上一次功率為止。如果新功率沒有變化,則該功率就是最大功率點。如果新功率小於上一次功率,占空比就會降低;這個過程一直重複到新功率等於上一次功率為止,則該功率被確定為最大功率點。在這種情況下,轉換器將工作在功率-電壓曲線的上方,如圖8所示。


圖8:轉換器工作圖。

擾動與觀察演算法連續運轉,週期是開關週期的256倍。預設開關頻率為100kHz。開關週期是10微秒,MPPT演算法更新頻率是2.56毫秒。

   

擾動與觀察演算法採用狩獵方法尋找最大功率點,但是,這的確是阻抗匹配方法。轉換器的典型輸出為35V直流,而電網逆變器工作在350V直流電壓,因此驅動逆變器需要安裝10塊太陽能電池板。每塊太陽能電池板驅動一個轉換器,每塊電池板都執行最大功率點跟蹤功率優化演算法。把10塊轉換器的輸出串聯,以產生350V直流電壓。

電網逆變器在轉換器輸出端產生負載,用RL表示。SPV1020的輸入電阻Rin與該負載和轉換器占空比是函數關係。

輸入電阻:

Rin=RL * (1-duty cycle)2

輸入電阻等於太陽能電池板的輸出電阻。

開發太陽能發電系統

假設終端使用者需要一個7.5kW的太陽能發電系統,系統能效稍後再討論,這個系統需要整合30個250W太陽能電池板。把十塊35VDC的太陽能電池板串聯在一起,構成一串350V、2.5kW的太陽能電池組。把三串2.5kW的電池組並聯,可向中央逆變器輸送350VDC、7.5kW的電能,如圖9所示。


圖9:7.5kW的太陽能發電系統的設計。

這個發電方法有重大缺點。中央逆變器對整個陣列執行MPPT優化。注意,中央逆變器也叫串聯逆變器,因為太陽能電池板是串聯在一起。

如果在其中一個或幾個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降低,最大功率點也隨之變化,但是單一中央逆變器或串逆變器無法發現這個問題,從而無法從整個太陽能電池板陣列收集最大的電能。因此,MPPT優化過程需要在每塊太陽能電池板上獨立完成。

陰影的影響

太陽能板上的陰影對系統有很大的負面影響。產生陰影的原因有很多,例如,灰塵、沙土、樹葉、鳥群或烏雲遮蓋了全部或部分太陽能板表面,阻斷太陽光線照射太陽能板。陰影導致太陽能板輸出功率降低。如受陰影影響的太陽能板屬於一串太陽能板,則整串太陽能板的輸出都會受到影響。為降低陰影的負面影響,需要給受影響的太陽能板上跨接一個旁通二極體或酷冷旁路開關,如圖10所示。在正常條件下,輸出電流會流經串內的每一塊太陽能電池板。如果其中一個板子有陰影,其電流源將會變弱。這時,整串電流將流經太陽能板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。透過給板子並聯一個旁通二極體,可為整串電流提供第二條通道,繞開有陰影的太陽能板,防止出現熱斑。


圖10:降低陰影的負面影響,需要給受影響的太陽能板上跨接一個旁通二極體或酷冷旁路開關。

意法半導體的酷冷旁路開關可替代起到旁通二極體作用的肖特基二極體。SPV1001酷冷旁路開關內置一個MOSFET開關,由一個控制電路管理通斷狀態,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。與肖特基二極體相比,酷冷旁路開關斷態時洩漏電流小;通態時壓降低,因此可提高系統能效。

為每塊太陽能電路板提供MPPT

使用微逆變器可改進太陽能發電系統設計。微逆變器的輸出功率大約250W,每塊太陽能板都連接一個微逆變器,對單個太陽能板執行MPPT優化。圖11所示是由30個微逆變器組成的太陽能系統,每塊太陽能板安裝一個微逆變器。微逆變器的交流輸出並聯,按照電網技術指標正確調整交流輸出。


圖11:由30個微逆變器組成的太陽能系統。

微逆變器是比較複雜的電子產品。圖12所示是意法半導體開發的一款微逆變器評估板。


圖12:微逆變器評估板。

使用主動功率優化器,如SPV1020,是一個比較簡單的實現帶有MPPT功能的太陽能發電系統的方法。圖13是完整的太陽能發電系統。


圖13:完整的太陽能發電系統

在這個圖示中,每個太陽能板連接一個主動功率優化器。優化器負責提高太陽能板的輸出電壓,同時執行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40VDC。典型值是35VDC,如圖13所示。主動功率優化器連續執行擾動與觀察演算法,直到在功率-電壓曲線上發現最大功率點為止,如圖8所示。功率優化器透過測量輸入電壓的方式確定太陽能電路板的Vmp電壓。市面上還有其它類型的MPPT轉換器,但是這些轉換器都認定Vmp對Voc的百分比是一個固定值,這種假設在某一個特定工作條件下可能是正確的,但是需要熱敏電阻以溫度錶示Vmp的變化。而SPV1020無需這樣的假設,透過測量輸入電壓和輸入電流確定實際輸入功率,以設定最大功率傳輸工作點。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與MPPT有關的晶片輸入電壓。將主MOSFET開關電流的測量值乘以輸入電壓,即可算出輸入功率。Vout端連接的電阻分壓器用於設定輸出電壓值。


圖14:SPV1020中的一個開關通道。

SPV1020是一個交錯式四通道轉換器。圖14所示是其中的一個開關通道。320W的功率處理能力是該產品的一大亮點。PowerSSO-36微型封裝和四通道平均分配處理能力是該產品的關鍵特性。

四級交錯式拓撲如圖15所示。

四個開關級每90度交錯一次。圖15描述了四個開關級的連接方式,電路中只連接一個太陽能板和一個負載。每個開關級都有一個內部電感。圖中的開關和二極體都是導通電阻較低的MOSFET開關管。在100kHz預設開關頻率下,每個開關級的開關頻率都是25kHz。SPV1020的每個開關支路連接一個過零檢測模組,用於關斷相關的同步整流器,禁止電流從輸出到輸入的反向流動。


圖15:四級交錯式拓撲圖。

為確保上電順序正確,轉換器開始是高載模式。當輸入電壓大於6.5V時,轉換器依次啟動四個開關級。從第1級開關開始導通,開始是高載模式,在15個週期內,用1個週期向電感充電。然後,逐漸提高占空比,直到第1級開關在每個週期導通且預設開關頻率為100kHz為止。在第1級開關達到穩定狀態後,其餘的開關級按下列順序依次導通:第3級、第2級、第4級。如果功率要求低於320W,可能只需要第1級和第3級,節省的兩個電感可降低成本和空間要求。

交錯式架構的主要優點是紋波電流小。假設存在一個電阻性負載,則輸出紋波電壓與輸出紋波電流成正比。在交錯式四級架構中,總輸出電流是流經四個電感的電流之和。因為每級電流是總電流的四分之一,假如電感已知,則交錯式架構峰對峰紋波電流是單級架構系統的的四分之一。

採用主動功率優化器

與微逆變器的情況一樣,每塊太陽能板都連接一個主動功率優化器。

當要求太陽能板提供更高的輸出電壓時,將功率優化器的輸出串聯到最終輸出,以驅動中央逆變器。


圖16:與微逆變器的情況一樣,每塊太陽能板都連接一個主動功率優化器。


圖17:當要求太陽能板提供更高的輸出電壓時,將功率優化器的輸出串聯到最終輸出,以驅動中央逆變器。


圖18:完整的太陽能發電系統。

圖18是完整的太陽能發電系統。

主動功率優化器與微逆變器比較

在比較主動功率優化器與微逆變器時,我們必須考慮成本、安裝複雜程度、元件數量、檢修便利性等因素,很難進行絕對對比。不過,我們在前文討論了主動功率優化器的簡易性。圖19所示是一個微逆變器的原理圖,從圖中可以看到其主要內部功能模組。功率優化器和中央逆變器就是從微逆變器中取出MPPT功能,並將DC-DC轉換器改成中央逆變器。


圖19:微逆變器的原理圖。

我們利用以下面的由三十個太陽能板組成的7.5kW太陽能發電系統為例分析並評價了上述問題,說明系統設計工程師做出最佳的選擇。下表對兩種解決方案的共性和特性都予以詳細說明,並與一個典型的Enphase M215、215W進行了比較。其它品牌的微逆變器的特性基本相似。在比較這兩個系統過程中,安裝細節具有至關重要的作用。這個比較表為系統設計人員提供系統選型指南。





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