太陽能係統的中心議題：

• 如何優化太陽能係統
• 最大化電源轉換效率的方法

太陽能係統的解決方案：

• 為每塊太陽能麵板配備單獨的微型逆變器

對於優化太陽能係統的效率和可靠性而言，一種較新的手段是采用連接到每個太陽能板上的微型逆變器(micro-inverter)。為wei每mei塊kuai太tai陽yang能neng麵mian板ban配pei備bei單dan獨du的de微wei型xing逆ni變bian器qi使shi得de係xi統tong可ke以yi適shi應ying不bu斷duan變bian化hua的de負fu荷he和he天tian氣qi條tiao件jian，從cong而er能neng夠gou為wei單dan塊kuai麵mian板ban和he整zheng個ge係xi統tong提ti供gong最zui佳jia轉zhuan換huan效xiao率lv微wei型xing逆ni變bian器qi架jia構gou還hai可ke簡jian化hua布bu線xian，這zhe也ye就jiu意yi味wei著zhe更geng低di的de安an裝zhuang成cheng本ben。通tong過guo使shi消xiao費fei者zhe的de太tai陽yang能neng發fa電dian係xi統tong更geng有you效xiao率lv，係xi統tong“收回”采用太陽能技術的最初投資所需的時間會縮短。

電源逆變器是太陽能發電係統的關鍵電子組件。在商業應用中
，這些組件連接光伏(PV)麵板、儲存電能的電池以及本地電力分配係統或公用事業電網。圖1顯示的是一個典型的太陽能逆變器
，它把來自光伏陣列輸出的極低的直流電壓轉換成電池直流電壓、交流線路電壓和配電網電壓等若幹種電壓。

在一個典型的太陽能采集係統中

，多個太陽能板並聯到一個逆變器，該逆變器將來自多個光伏電池的可變直流輸出轉換成幹淨的50Hz或60Hz正弦波逆變電源。

此外，還應該指出的是，圖1中的微控製器(MCU)模塊TMS320C2000或MSP430通常包含諸如脈寬調製(PWM)模塊和A/D轉換器等關鍵的片上外設。


設計的主要目標是盡可能提高轉換效率。這是一個複雜且需反複的過程
，它涉及最大功率點跟蹤算法(MPPT)以及執行相關算法的實時控製器。

最大化電源轉換效率
未采用MPPTsuanfadenibianqijiandandijiangguangfumokuaiyudianchizhijielianjieqilai，poshiguangfumokuaigongzuozaidianchidianya。jihuwuyiliwaideshi，dianchidianyabushicaijizuiduokeyongtaiyangnengdelixiangzhi。

虛線表示的是電壓(PV VOLTS)與功率(PV WATTS)之比。實線表示的是電壓與電流(PV AMPS)之比。如圖2所示
，在12V時，輸出功率大約為53W。換句話說

，通過將光伏模塊強製工作在12V

，輸出功率被限製在約53W。

但采用MPPT算法後

，情況發生了根本變化。在本例中，模塊能實現最大輸出功率的電壓是17V。因此
，MPPT算法的職責是使模塊工作在17V，這樣一來，無論電池電壓是多少，都能從模塊獲取全部75W的功率。

高效DC/DC電源轉換器將控製器輸入端的17V電壓轉換為輸出端的電池電壓。由於DC/DC轉換器將電壓從17V降至12V，本例中，支持 MPPT功能的係統內電池充電電流是：(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE，或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

假設DC/DC轉換器的轉換效率是100％
，則充電電流將增加1.85A(或42％)。

雖sui然ran本ben例li假jia設she逆ni變bian器qi處chu理li的de是shi來lai自zi單dan個ge太tai陽yang能neng麵mian板ban的de能neng量liang，但dan傳chuan統tong係xi統tong通tong常chang是shi一yi個ge逆ni變bian器qi連lian接jie多duo個ge麵mian板ban。取qu決jue於yu應ying用yong的de不bu同tong，這zhe種zhong拓tuo撲pu既ji有you優you點dian又you有you缺que點dian。[page]

MPPT算法
主要有三種類型的MPPT算法：擾動-觀察法
、電導增量法和恒定電壓法。前兩種方法通常稱為“爬山”法
，因為它們基於如下事實：在MPP的左側，曲線呈上升趨勢(dP/dV>0)
，而在MPP右側
，曲線下降(dP/dV <0)。

擾動-觀察(P＆O)法是最常用的。該算法按給定方向擾動工作電壓並采樣dP/dV。如果dP/dV為正
，算法就“明白”它剛才是在朝著MPP調整電壓。然後，它將一直朝這個方向調整電壓，直到dP/dV變負。

P＆O算法很容易實現

，但在穩態運行中，它們有時會在MPP附近產生振蕩。而且它們的響應速度也慢，甚至在迅速變化的氣候條件下還有可能把方向搞反。

電導增量(INC)法使用光伏陣列的電導增量dI/dV來計算dP/dV的正負。INC能比P＆O更準確地跟蹤迅速變化的光輻照狀況。但與 P&O一樣
，它也可能產生振蕩並被迅速變化的大氣條件所“蒙騙”。其另一個缺點是
，增加的複雜性會延長計算時間並降低采樣頻率。

第三種方法“恒壓法”則基於如下事實：一般來說
，VMPP/VOC≈0.76。該方法的問題來源於它需要瞬間把光伏陣列的電流調為0以測量陣列的開路電壓。然後，再將陣列的工作電壓設置為該測定值的76％。但在陣列斷開期間，可用能量被浪費掉了。人們還發現，雖然開路電壓的76％是個很好的近似值，但也並非總是與MPP一致。

由於沒有一個MPPT算法可以成功地滿足所有常見的使用環境要求，許多設計工程師會讓係統先*估環境條件再選擇最適合當時環境條件的算法。事實上
，有許多MPPT算法可用
，太陽能麵板製造商提供他們自己算法的情況也屢見不鮮。

對廉價控製器來說，除了MCU本份的正常控製功能外，執行MPPT算法絕非易事，該算法需要這些控製器具有高超的計算能力。諸如德州儀器C2000平台係列的先進32位實時微控製器就適合於各種太陽能應用。

電源逆變器
使用單個逆變器有許多好處
，其中最突出的是簡單和低成本。采用MPPT算suan法fa和he其qi它ta技ji術shu提ti高gao了le單dan逆ni變bian器qi係xi統tong的de效xiao率lv，但dan這zhe隻zhi是shi在zai一yi定ding程cheng度du上shang。根gen據ju應ying用yong的de不bu同tong，單dan個ge逆ni變bian器qi拓tuo撲pu的de缺que點dian會hui很hen明ming顯xian。最zui突tu出chu的de是shi可ke靠kao性xing問wen題ti：隻要這個逆變器發生故障，那麼在該逆變器被修好或更換前，所有麵板產生的能量都浪費掉了。

即使逆變器工作正常

，單逆變器拓撲也可能對係統效率產生負麵影響。在大多數情況下
，為達到最高效率，每個太陽能電池板都有不同的控製要求。決定各麵板效率的因素有：麵板內所含光伏電池組件的製造差異
、不同的環境溫度、陰影和方位造成的不同光照強度(接收到的太陽原始能量)。

yuzhenggexitongshiyongyigenibianqixiangbi，weixitongneimeigetaiyangnengdianchibandoupeibeiyigeweixingnibianqihuizaicitishengzhenggexitongdezhuanhuanxiaolv。weixingnibianqituopudezhuyaohaochushi，jibianqizhongyigenibianqichuxianguzhang，nengliangzhuanhuanrengnengjinxing。

采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調整每個太陽能板的轉換參數。由於雲朵、陰(yin)影(ying)和(he)背(bei)陰(yin)會(hui)改(gai)變(bian)每(mei)個(ge)麵(mian)板(ban)的(de)輸(shu)出(chu)
，為(wei)每(mei)個(ge)麵(mian)板(ban)配(pei)備(bei)獨(du)有(you)的(de)微(wei)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)就(jiu)允(yun)許(xu)係(xi)統(tong)適(shi)應(ying)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)負(fu)載(zai)情(qing)況(kuang)。這(zhe)為(wei)各(ge)麵(mian)板(ban)及(ji)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)都(dou)提(ti)供(gong)了(le)最(zui)佳(jia)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)。

微型逆變器架構要求每個麵板都有一個專用MCU來管理能源轉換。不過，這些附加的MCU也可被用來改善係統和麵板的監測。

例(li)如(ru)，大(da)型(xing)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)場(chang)就(jiu)受(shou)益(yi)於(yu)麵(mian)板(ban)間(jian)的(de)通(tong)信(xin)以(yi)幫(bang)助(zhu)保(bao)持(chi)負(fu)載(zai)平(ping)衡(heng)並(bing)允(yun)許(xu)係(xi)統(tong)管(guan)理(li)員(yuan)事(shi)先(xian)計(ji)劃(hua)有(you)多(duo)少(shao)能(neng)量(liang)可(ke)用(yong)，以(yi)及(ji)用(yong)這(zhe)些(xie)能(neng)量(liang)做(zuo)什(shen)麼(me)。不(bu)過(guo)，為(wei)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)係(xi)統(tong)監(jian)測(ce)的(de)好(hao)處(chu)，MCU必須集成片上通信外圍設備(CAN、SPI、UART等)以便簡化與太陽能陣列內其它微型逆變器的接口。

在許多應用中，使用微型逆變器拓撲可以顯著提高係統整體效率。在麵板級，效率有望提升30％。但由於各應用差異很大，係統級改善的“平均”百分比並沒多大意義。

應用分析
當*估微型變頻器在具體應用中的價值時，應從幾個方麵考慮拓撲結構。

在小型應用中，各麵板有可能麵臨基本相同的光照、溫度和陰影等條件。因此
，微型逆變器在提升效率方麵作用有限。

為使各麵板工作在不同電壓以獲得最高能效，要求采用DC/DC轉換器使各麵板的輸出電壓統一於儲能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低製造成本，可把DC/DC轉換器和逆變器設計成一個模塊。用於本地電源線路或連接配電網的DC/AC轉換器也可被整合進該模塊。

太陽能麵板必須要互相通信，這會增加導線和複雜性。這是對在模塊中包含進逆變器、DC/DC轉換器和太陽能電池板的另一個爭論點。

每個逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來運行多個MPPT算法以適應不同的操作環境。

采用多個MCU會加大整體係統的材料成本。

每當考慮改變架構時都會關注其成本。為滿足係統的價格目標
，為每個麵板都配備一個控製器意味著該控製器的成本必須要有競爭力

、外形較小，但仍能同時處理所有的控製、通信和計算任務。

片上集成恰當的控製外設以及高模擬集成度是保證係統低成本的兩個基本要素。為執行針對優化轉換、係統監控和能量存儲各環節中的效率所開發出的算法

，高性能也是必需的。

使用除可滿足微型逆變器本身要求之外

，還可處理包括AC/DC轉換、DC/DC轉換以及麵板間通訊等整個係統大部分要求的MCU

，可以減少因使用多個MCU所導致的成本增加。[page]

MCU特性
仔細權衡這些高層次要求是確定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，當並聯麵板時需要負載平衡控製。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過開/關輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

微型逆變器設計沒有“一成不變”的模式。這意味著設計者必須有能力和創新精神采用新技巧、新技術，特別是在麵板間和係統間的通信方麵。最合適的 MCU應支持各種協議，包括一些平常不會想到的如電力線通訊(PLC)和控製器局域網(CAN)等。特別是電力線通訊
，因不再需專門的通信線路，所以可降低係統成本。但這需要MCU內置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

對於針對太陽能逆變器應用所設計的MCU，一yi個ge意yi想xiang不bu到dao但dan極ji具ju價jia值zhi的de特te性xing是shi雙shuang片pian上shang振zhen蕩dang器qi，它ta們men可ke用yong於yu時shi鍾zhong故gu障zhang檢jian測ce以yi提ti高gao可ke靠kao性xing。能neng夠gou同tong時shi運yun行xing兩liang個ge係xi統tong時shi鍾zhong的de能neng力li也ye有you助zhu於yu減jian少shao太tai陽yang能neng電dian池chi板ban安an裝zhuang時shi出chu現xian的de問wen題ti。

由於在太陽能微型逆變器設計中凝聚了如此多的創新，對MCU來說
，其最重要的特性也許就是軟件編程能力了。該特性使得在電源電路設計和控製中擁有最高的靈活性。

C2000weikongzhiqipeibeilekegaoxiaochulisuanfayunsuandexianjinshuziyunsuanchulineiheyijiyongyunengliangzhuanhuankongzhidepianshangwaisheji，yiguangfanyingyongyuchuantongdetaiyangnengdianchibannibianqituopuzhong。xintuichudePiccolo係列C2000係列微控製器是經濟款，該係列的最小封裝隻有38個引腳
，但其架構更先進、外設也得到增強，從而可把32位實時控製的好處帶給要求低總體係統成本的微型逆變器等應用。

此外，Piccolo MCU係列的各款產品都集成了兩個用於時鍾比較的片上10MHz振蕩器
，以及帶上電複位和掉電保護的片上VREG、多個高分辨率150ps的PWM

、一個 12位4.6兆次采樣/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信協議接口。圖3顯示了一個與基於微型逆變器的光伏係統一起使用的計算機係統配置。

性能是微型逆變器的關鍵特性。盡管Piccolo係列器件相比其它C2000 MCU產品尺寸更小、價格更低，但其功能卻有提升
，例如它具有可為CPU分擔處理複雜高速控製算法的可編程浮點控製律加速器(CLA)

，從而使CPU無需處理I/O和反饋回路，在閉環應用中，可使性能提高5倍。

光伏電池的挑戰
基於太陽能發電係統的缺點之一是轉換效率。太陽能電池板能從每100mm2的光伏電池獲取約1mW的平均電能。典型效率約為10％。光伏電源的功率係數(即在陽光一直照射的條件下，太陽能電池實際產生的平均電能與理論上可產生的電能之比)約為15％至20％。有多種原因導致這一結果，包括陽光本身的變化，如夜間完全消失，以及即使在白天，陰影和天氣條件也常常導致光照減少。

光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)為(wei)效(xiao)率(lv)計(ji)算(suan)引(yin)入(ru)了(le)更(geng)多(duo)變(bian)數(shu)
，包(bao)括(kuo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)的(de)溫(wen)度(du)及(ji)其(qi)理(li)論(lun)峰(feng)值(zhi)效(xiao)率(lv)。對(dui)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)來(lai)說(shuo)，另(ling)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)是(shi)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)約(yue)有(you)0.5V buguizebianhua。dangxuanzenengliangzhuanhuantuopushi
，zhezhongbianhuahuidailaiyanzhongyingxiang。liru，duidixiaodenengliangzhuanhuanjishulaishuo
，tayoukenengxiaohaodiaosuocaijidaodehendayibufenguangfudianneng。

為適應太陽不是全天24小xiao時shi都dou照zhao射she這zhe一yi事shi實shi，太tai陽yang能neng供gong電dian係xi統tong要yao包bao含han電dian池chi以yi及ji給gei電dian池chi高gao效xiao充chong電dian所suo需xu的de複fu雜za電dian子zi器qi件jian。當dang電dian池chi被bei集ji成cheng到dao係xi統tong中zhong時shi，電dian池chi充chong電dian需xu要yao額e外wai的deDC/DC轉換電路，同時還需要電池管理和監控。

許xu多duo由you太tai陽yang能neng供gong電dian的de係xi統tong還hai與yu電dian網wang對dui接jie，從cong而er要yao求qiu相xiang位wei同tong步bu和he功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng。還hai有you許xu多duo需xu要yao複fu雜za控kong製zhi的de使shi用yong環huan境jing。例li如ru，必bi須xu內nei置zhi故gu障zhang預yu警jing機ji製zhi以yi防fang範fan公gong共gong電dian網wang的de停ting掉diao電dian等deng事shi件jian。這zhe些xie僅jin僅jin是shi設she計ji工gong程cheng師shi必bi須xu要yao考kao慮lv的de頭tou等deng大da事shi。