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

发布时间:2012年11月08日 10:11    发布者:李宽
关键词: MPPT , 太阳能发电 , 功率优化 , 逆变器
作者:意法半导体应用工程师 Ed Friedman

找到一个发电效率和成本效益俱佳的太阳能发电以及并入电网的方法,是能源系统设计工程师面临的一个重大挑战,不过,如何解决太阳能电池板上的阴影问题也同样重要。太阳能电池板被阴影遮挡时会停止光电转换,降低整串太阳能电池板的发电性能。本文将介绍几项可降低阴影影响的方法和技术。

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图1:典型太阳能发电系统的俯视图。

图1所示是一个典型太阳能发电系统的俯视图。显然,安装在北半球的太阳能电池板需要面向南方,而在实际安装过程中,为了让下午的太阳光线能够照射在太阳能电池板上,屋顶安装的太阳能电池板通常都是面向西南方向。典型太阳能电池板的输出功率是24V直流。多块太阳能电池板先是串联在一起,然后通过逆变器并入电网。民用和商用电是115V交流或230V交流。230V交流电力系统的峰值电压是325V。单个太阳能电池板串联在一起组成阵列,向逆变器输入350V交流,为电网送电。

太阳能电池板的电压、电流和功率特性

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图2:太阳能电池的典型电路原理图。

图2中我们可以看到,在太阳能电池内有一个PN结,因此可将其视为一个二极管。流经该二极管的电流被称之为暗电流,与流经标准二极管的电流没有什么不同。电流发生器的输出电流与二极管电流方向相反,大小与太阳能电池吸收的光能成正比。串联电阻Rs 代表导通损耗,大小与输出电流的平方成正比。并联电阻Rp 表示因太阳能电池板边缘绝缘不好而导致的泄漏电流引起的功率损耗。本节稍后讨论Rs和Rp 对太阳能电池板输出特性的影响。

我们可从二极管的基本表示法得出,太阳能电池电流是电压的函数,功率是电压的函数。图3所示是在没有光线条件下太阳能电池的电流-电压特性。图4所示是有光线条件下太阳能电池的电流-电压特性。

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图3:没有光线条件下太阳能电池的电流-电压特性。

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图4:有光线条件下太阳能电池的电流-电压特性。

因为太阳能电池产生功率,所以我们习惯把电流-电压曲线上下颠倒过来看,如图5所示。

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图5:把图4中的电流-电压曲线上下颠倒过来看。

电池到电池板的进化

太阳能电池板是由先串联然后再并联的单个太阳能电池组成。同样地,太阳能电池板阵列是由先串联然后再并联的单个太阳能电池板组成。太阳能电池串联是为了提高输出电压,太阳能电池并联是为了提高输出电流。因此,如果每块电池的正向压降是0.5V,额定光能产生100mA电流,则50块电池串联可形成一串25V的电池组。然后,再把这串电池组中的60个电池并联,可产生一个25V、6A的太阳能电池板。如果每个太阳能电池板的输出功率是150W,在屋顶上安装50块太阳能电池板可输出7.5kW电能。

太阳能电池板的四个重要参数:

Voc是当Iout = 0时的开路电压。 Pout = 0

Isc是当Vout = 0时的短路电流。Pout = 0

Vmp是当峰值功率被提取时的输出电压。

Imp是当峰值功率被提取时的输出电流。

如图6所示,红色曲线表示电流与电压的函数关系,绿线表示功率与电压是函数关系,电流-电压曲线上还标明了最大功率点。

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图6:红色曲线表示电流与电压的函数关系,绿线表示功率与电压是函数关系。

在太阳能电池(或太阳能电池板)等效电路上,当Vout = 0时,电流-电压曲线的斜率受并联电阻Rp的影响 。最理想的是,太阳能电池板的Rp = ∞,且斜率为零。当Vout = Voc时,功率-电压曲线的斜率受串联电阻Rs的影响。最理想地是,Rs = 0,且斜率无限大。

从太阳能电池板输出最大功率

目标是找到最大功率点(MPP),使电池板电压和电流保持在那个功率点。MPP点的变化与辐照度和温度有关。当辐照度降低时,Isc电流也随着变低。随着Isc降低,MPP向低压转移。当温度升高时,Vmp和最大功率都会降低。Voc、Isc、Vmp、Imp 和温度影响都列在太阳能电池板厂商的数据手册内。亟待解决的难题是,当太阳能电池板的环境变化时,需要动态跟踪这些参数的变化,不管外部环境因素如何,确保太阳能电池板始终工作在最大功率点上。

既然太阳能电池板的等效电路可表示为有串联电阻和并联电阻的电流源,则Thevenin等效电路可表示为只有一个串联电阻的电压源。要想将最大功率从电压源输送到负载,负载电阻必须与电压源的电阻相等。图7所示是斜率正确的负载线路电阻R2与I-V曲线相交于最大功率点。

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图7:斜率正确的负载线路电阻R2与I-V曲线相交于最大功率点。

由洗车想到的原理

洗车是一个解释为什么需要最大输出功率的实例。我们知道,在用花园浇水用的水管代替高压水枪洗车时,如果挡泥板上覆盖一层厚厚的坚硬泥土,就必须用大拇指堵住管口提高水流的冲涮力才能冲净挡泥板。用拇指堵住管口的作用相当于阻抗匹配装置,可以从水管主管释放最大的压力。

如果把拇指从管口移开,水的流量(电流)就会变大,但是水压(电压)则会降低,冲洗力量减弱。把管口几乎完全堵住,虽然可以换得更大的水压,但几乎失去了水流和冲洗力量。只有水管开口大小最佳时,才能产生理想的水压和流量,获得最大的冲洗力量。

把这个原理应用到太阳能电池上,我们得到一个内置MPPT功能的直流-直流升压转换器,这是一个主动式功率优化器,设计目的是提高太阳能电池板的输出电压,同时把太阳能电池板的输入电压同步调至Vmp。从而优化或最大化太阳能电池板的输出功率。用户设置转换器的输出电压,扰动和观察MPPT算法决定转换器的占空比,占空比就是你潜意识地调节水管的开口大小,直到水管对汽车输出最大的冲洗力。转换器的输入电压(即太阳能电池板的输出电压)是因变量,由下面的公式决定:

Vin = Vout * (占空比等于1)

在被施加太阳电池板的输入电压时,SPV1020的占空比初始值很低, 为5%。MPPT算法就是测量输入电压和输入电流,计算功率,然后,提高占空比。测量新的输入电压,计算输入功率。如果新的功率大于上一次功率,则再次提高占空比。这个过程一直持续到新功率没有变化或小于上一次功率为止。如果新功率没有变化,则该功率就是最大功率点。如果新功率小于上一次功率,占空比就会降低;这个过程一直重复到新功率等于上一次功率为止,则该功率被确定为最大功率点。在这种情况下,转换器将工作在功率-电压曲线的上方,如图8所示。

扰动与观察算法连续运转,周期是开关周期的256倍。默认开关频率为100kHz。开关周期是10微秒,MPPT算法更新频率是2.56毫秒。   

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图8:转换器工作图。

扰动与观察算法采用狩猎方法寻找最大功率点,但是,这的确是阻抗匹配方法。转换器的典型输出为35V直流,而电网逆变器工作在350V直流电压,因此驱动逆变器需要安装10块太阳能电池板。每块太阳能电池板驱动一个转换器,每块电池板都执行最大功率点跟踪功率优化算法。把10块转换器的输出串联,以产生350V直流电压。

电网逆变器在转换器输出端产生负载,用RL表示。SPV1020的输入电阻Rin与该负载和转换器占空比是函数关系。

输入电阻:

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    公式1

输入电阻等于太阳能电池板的输出电阻。

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。

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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。

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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。

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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。   

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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。

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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。

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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。

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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。

采用主动功率优化器

与微逆变器的情况一样,每块太阳能板都连接一个主动功率优化器。

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图16:与微逆变器的情况一样,每块太阳能板都连接一个主动功率优化器。

当要求太阳能板提供更高的输出电压时,将功率优化器的输出串联到最终输出,以驱动中央逆变器。

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图17:当要求太阳能板提供更高的输出电压时,将功率优化器的输出串联到最终输出,以驱动中央逆变器。

图18是完整的太阳能发电系统。

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图18:完整的太阳能发电系统。

主动功率优化器与微逆变器比较

在比较主动功率优化器与微逆变器时,我们必须考虑成本、安装复杂程度、元器件数量、检修便利性等因素,很难进行绝对对比。不过,我们在前文讨论了主动功率优化器的简易性。图19所示是一个微逆变器的原理图,从图中可以看到其主要内部功能模块。功率优化器和中央逆变器就是从微逆变器中取出MPPT功能,并将 DC-DC转换器改成中央逆变器。

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图19:微逆变器的原理图。

我们利用以下面的由三十个太阳能板组成的7.5kW太阳能发电系统为例分析并评价了上述问题,帮助系统设计工程师做出最佳的选择。下表对两种解决方案的共性和特性都予以详细说明,并与一个典型的Enphase M215、215W进行了比较。其它品牌的微逆变器的特性基本相似。在比较这两个系统过程中,安装细节具有至关重要的作用。这个比较表为系统设计人员提供系统选型指南。

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图20:系统选型指南。

意法半导体制造功率优化器、微逆变器和串逆变器集成电路,以及安装在太阳能电池板后方的肖特基二极管和酷冷旁路开关。在太阳能发电技术选型问题上,我们绝不偏向任何一种技术,为客户提供公正、客观的意见和建议。

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