采用MPPT算法的太阳能发电技术—— 主动功率优化器或微逆变器

开发太阳能发电系统

假设终端用户需要一个7.5kW的太阳能发电系统，系统能效稍后再讨论，这个系统需要整合30个250W太阳能电池板。把十块35VDC的太阳能电池板串联在一起，构成一串350V、2.5kW的太阳能电池组。把三串2.5kW的电池组并联，可向中央逆变器输送350VDC、7.5kW的电能，如图9所示。


图9：7.5kW的太阳能发电系统的设计。

这个发电方法有重大缺点。中央逆变器对整个阵列执行MPPT优化。注意，中央逆变器也叫串联逆变器，因为太阳能电池板是串联在一起。

如果在其中一个或几个太阳能电池板上有阴影，受影响的太阳能电池板的输出功率就会降低，最大功率点也随之变化，但是单一中央逆变器或串逆变器无法发现这个问题，从而无法从整个太阳能电池板阵列收集最大的电能。因此，MPPT优化过程需要在每块太阳能电池板上独立完成。

阴影的影响

太阳能板上的阴影对系统有很大的负面影响。产生阴影的原因有很多，例如，灰尘、沙土、树叶、鸟群或乌云遮盖了全部或部分太阳能板表面，阻断太阳光线照射太阳能板。阴影导致太阳能板输出功率降低。如受阴影影响的太阳能板属于一串太阳能板，则整串太阳能板的输出都会受到影响。为降低阴影的负面影响，需要给受影响的太阳能板上跨接一个旁通二极管或酷冷旁路开关，如图10所示。在正常条件下，输出电流会流经串内的每一块太阳能电池板。如果其中一个板子有阴影，其电流源将会变弱。这时，整串电流将流经太阳能板Rp，如图2所示。Rp的电阻值很大，因此，有阴影的太阳能板将变得过热。通过给板子并联一个旁通二极管，可为整串电流提供第二条通道，绕开有阴影的太阳能板，防止出现热斑。


图10：降低阴影的负面影响，需要给受影响的太阳能板上跨接一个旁通二极管或酷冷旁路开关。

意法半导体的酷冷旁路开关可替代起到旁通二极管作用的肖特基二极管。SPV1001酷冷旁路开关内置一个MOSFET开关，由一个控制电路管理通断状态，在受阴影影响的太阳能板旁边为整串电流提供第二条通道。与肖特基二极管相比，酷冷旁路开关断态时泄漏电流小；通态时压降低，因此可提高系统能效。

为每块太阳能电路板提供MPPT

使用微逆变器可改进太阳能发电系统设计。微逆变器的输出功率大约250W，每块太阳能板都连接一个微逆变器，对单个太阳能板执行MPPT优化。图11所示是由30个微逆变器组成的太阳能系统，每块太阳能板安装一个微逆变器。微逆变器的交流输出并联，按照电网技术指标正确调整交流输出。


图11：由30个微逆变器组成的太阳能系统。

微逆变器是比较复杂的电子产品。图12所示是意法半导体开发的一款微逆变器评估板。　　　


图12：微逆变器评估板。

使用主动功率优化器，如SPV1020，是一个比较简单的实现带有MPPT功能的太阳能发电系统的方法。图13是完整的太阳能发电系统。


图13：完整的太阳能发电系统

在这个图示中，每个太阳能板连接一个主动功率优化器。优化器负责提高太阳能板的输出电压，同时执行MPPT功能。太阳能板的输出电压至少6.5VDC。SPV1020的输出电压可高达40VDC。典型值是35VDC，如图13所示。主动功率优化器连续执行扰动与观察算法，直到在功率－电压曲线上发现最大功率点为止，如图8所示。功率优化器通过测量输入电压的方式确定太阳能电路板的Vmp电压。市面上还有其它类型的MPPT转换器，但是这些转换器都认定Vmp对Voc的百分比是一个固定值，这种假设在某一个特定工作条件下可能是正确的，但是需要热敏电阻以温度表示Vmp的变化。而SPV1020无需这样的假设，通过测量输入电压和输入电流确定实际输入功率，以设定最大功率传输工作点。图14是SPV1020简单的外部连接图。太阳能板与Lx 输入端的升压电感相连，负载与Vout相——无需其它电源。太阳能板输出端的电阻分压器检测与MPPT有关的芯片输入电压。将主MOSFET开关电流的测量值乘以输入电压，即可算出输入功率。Vout端连接的电阻分压器用于设定输出电压值。


图14：SPV1020中的一个开关通道。

SPV1020是一个交错式四通道转换器。图14所示是其中的一个开关通道。320W的功率处理能力是该产品的一大亮点。PowerSSO-36微型封装和四通道平均分配处理能力是该产品的关键特性。

四级交错式拓扑如图15所示。


图15：四级交错式拓扑图。

四个开关级每90度交错一次。图15描述了四个开关级的连接方式，电路中只连接一个太阳能板和一个负载。每个开关级都有一个内部电感。图中的开关和二极管都是导通电阻较低的MOSFET开关管。在100kHz默认开关频率下，每个开关级的开关频率都是25kHz。SPV1020的每个开关支路连接一个过零检测模块，用于关断相关的同步整流器，禁止电流从输出到输入的反向流动。

为确保上电顺序正确，转换器开始是突发模式。当输入电压大于6.5 V时，转换器依次激活四个开关级。 从第1级开关开始导通，开始是突发模式，在15个周期内，用1个周期向电感充电。然后，逐渐提高占空比，直到第1级开关在每个周期导通且默认开关频率为100 kHz为止。在第1级开关达到稳定状态后，其余的开关级按下列顺序依次导通：第3级、第2级、第4级。如果功率要求低于320W，可能只需要第1级和第3级，节省的两个电感可降低成本和空间要求。

交错式架构的主要优点是纹波电流小。假设存在一个电阻性负载，则输出纹波电压与输出纹波电流成正比。在交错式四级架构中，总输出电流是流经四个电感的电流之和。因为每级电流是总电流的四分之一，假如电感已知，则交错式架构峰对峰纹波电流是单级架构系统的的四分之一。