优化太阳能系统新招：用微型逆变器连接太阳能板

　　优化太阳能系统效率和可靠性的一种较新方法是使用连接至每个单独太阳能板的微型逆变器。为每个太阳能板都安装其自己的微型逆变器，让系统可以适应其变化的负载和空气环境，从而为单个太阳能板和整个系统提供最佳的转换效率。微型逆变器构架还实现了更简单的布线，从而实现更低的安装成本。通过提高用户太阳能系统的效率可缩短系统的初始技术投入回报时间。

　　图1：传统的电源转换器构架包括一个太阳能逆变器，其从一个PV阵列接收低DC输出电压，然后产生AC线压。

　　电源逆变器是太阳能发电系统中关键的电子组件。在一些商业应用中，这些组件连接光伏（PV）板、存储电荷的电池以及局域配电系统或公共电网。图1显示的是一款典型的太阳能逆变器，它从PV阵列DC输出获得非常低的电压，然后将其转换成DC电池电压、AC线压和配电网电压的某种组合。

　　在一个典型的太阳能采集系统中，多块太阳能板以并联方式连接到一个单逆变器，该逆变器将多个PV单元的可变DC输出转换成一种清洁的正弦曲线50Hz或60Hz电压源。

　　另外，应该注意的是，图1中微型控制器（MCU）模块、TMS320C2000或MSP430微型控制器一般包括脉宽调制（PWM）模块和A/D转换器等关键片上外围器件。

　　主要设计目标是最大化转换效率。这是一个复杂、反复的过程，涉及了算法（最大功率点追踪算法，MPPT）以及执行这些算法的实时控制器。

　　电源转换最大化

　　不使用MPPT算法的逆变器只是将模块直接连接到电池，强制它们在电池电压下工作。几乎无一例外，电池电压并非是采集最大化可用太阳能的理想值。

　　图2：相比非MPPT系统的53W，最大功率点追踪（MPPT）算法实现了75W PV输出。

　　图2相比非MPPT系统的53W，最大功率点追踪（MPPT）算法实现了75W PV输出。

　　图2描述了一个典型75W模块和25°C电池温度的传统电流/电压特性。虚线代表电压（PV伏特）与功率（PV瓦特）的关系。实线表示电压与电流（PV安培）的关系。正如图2所示，12V条件下，输出功率约为53W。换句话说，强制PV模块在12V下工作后，功率被限定在约53W。

　　实施MPPT算法后，情况大为不同。本例中，模块达到最大功率时的电压为17V。因此，MPPT算法的作用是让模块工作在17V电压下，从而获得满75W功率，其与电池电压无关。

　　高效DC/DC电源转换器将控制器输入端的17V模块电压转换为输出端的电池电压。由于DC/DC转换器将17V电压逐步降至12V，因此本例中MPPT系统的电池充电电流为：

　　（VMODULE/VBATTERY）×IMODULE或（17V/12V）×4.45A = 6.30A。

　　假设DC/DC转换器为100% 转换效率，则1.85A充电电流增加，也即可达到42%。

　　尽管本例假定逆变器正处理来自一个单太阳能板的能量，但传统系统一般拥有许多连接至一个单逆变器的太阳能板。这种拓扑结构在具有很多优点的同时也存在一些不足，具体情况取决于应用。

　　MPPT算法

　　MPPT算法主要有三种：扰动观察法、电导增量法和恒定电压法。前两种方法通常被称作“爬山”法，因为它们利用这样一个事实：MPP左侧曲线不断上升（dP/dV》0）而MPP右侧曲线不断下降（dP/dV《0）。

　　扰动观察法（P&O）最为常见。该算法以特定方向对工作电压进行微扰，然后对dP/dV进行采样。如果dP/dV为正，则算法知道其朝MPP方向调节了电压。然后，继续以该方向调节电压，直到dP/dV为负。

　　P&O算法很容易实施，但有时它们会导致稳定状态运行的MPP周围出现振荡。另外，在快速变化的空气条件下，它们的响应时间较长，甚至会在错误的方向追踪。

　　电导增量（INC）法使用PV阵列的增量电导dI/dV来计算dP/dV的符号。相比P&O，INC快速追踪变化的光照条件更加准确。然而，与P&O相同，它会产生振荡，并会在快速变化的空气条件影响下变得混乱不清。另一个缺点是，其高复杂性增加了计算时间，并降低了采样频率。

　　第三种方法是恒定电压法，其利用这样一个事实：一般而言，VMPP/VOC的比约等于0.76。这种方法所出现的问题在于它要求立刻设置PV阵列电流为0来测量阵列的开路电压。这样，阵列的工作电压便被设置为这一测量值的76%。但是，在这期间，阵列被断开，浪费掉了有效能源。同时还发现，76%开电路电压是一个非常接近值的同时，它却并非总是与MPP一致。

　　由于没有一个能够成功地满足所有常用情景要求的MPPT算法，因此许多设计人员都会走一些弯路，它们对系统进行环境条件评估然后选择最佳的算法。实际上，有许多MPPT算法可以用，并且太阳能板厂商提供其自己的算法也很常见。

对于一些廉价的控制器来说，执行MPPT算法会是一项难以完成的任务。因为，除MCU的正常控制功能以外，算法还要求这些控制器拥有高性能的计算能力