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太陽能(Photovoltaic, PV)面板被陰影遮擋時(shí)會(huì)停止光電轉(zhuǎn)換，并大幅降低整體太陽能系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此太陽能模組與系統(tǒng)廠已開始搭載主動(dòng)式功率優(yōu)化器，并導(dǎo)入最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)演算法，以確保太陽能系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。
安裝在北半球的太陽能面板須面向南方，但實(shí)際安裝過程中，面板則通常面向西南方向，以在下午收集更多太陽光線。典型太陽能系統(tǒng)中，面板的輸出功率是24伏特(V)直流，多塊太陽能面板先串聯(lián)在一起，再透過逆變器(Inverter)并入電網(wǎng)。目前民用和商用系統(tǒng)大多采用115伏特或230伏特交流電，其中，230伏特電力系統(tǒng)的峰值電壓是325伏特，太陽能面板組成陣列后即可向逆變器輸入350伏特，并為電網(wǎng)送電，此即一般太陽能發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式。
然而，當(dāng)陰影壟罩太陽能面板，系統(tǒng)就無法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，此時(shí)發(fā)電效率將大幅衰減，因而成為設(shè)計(jì)工程師亟欲克服的問題。
PV輸出功率與電壓、電流息息相關(guān)
在太陽能電池內(nèi)有一個(gè)PN接面(PN Junction)，可將其視為一個(gè)二極體(Diode)。流經(jīng)該二極體的電流被稱為暗電流，與流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)二極體的電流沒有什么不同，但電流發(fā)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。如圖1所示，其串聯(lián)電阻Rs代表導(dǎo)通損耗，大小與輸出電流的平方成正比，并聯(lián)電阻Rp表示因太陽能面板邊緣絕緣不好，導(dǎo)致的漏電流引起的功率損耗，對(duì)太陽能面板輸出特性均有影響。
圖1 太陽能電池的典型電路原理圖
從二極體的基本標(biāo)記法可得出，太陽能電池電流是電壓的函數(shù)，功率是電壓的函數(shù)。圖2、圖3分別為太陽能電池在不同光線下的電流-電壓特性。
圖2 無光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性
圖3 有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性
太陽能面板是由先串聯(lián)再并聯(lián)的單個(gè)太陽能電池組成；同樣地，太陽能面板陣列也是由先串聯(lián)再并聯(lián)的單個(gè)太陽能面板組成，串聯(lián)電池的目的系為提高輸出電壓，并聯(lián)則是為了提高輸出電流，因此，若每個(gè)電池的正向壓降是0.5伏特，額定光能產(chǎn)生100毫安培(mA)電流，則五十個(gè)電池串聯(lián)可形成一串25伏特的電池組，然后再把這串電池組中的六十個(gè)電池并聯(lián)，可產(chǎn)生一個(gè)25伏特、6安培的太陽能面板。當(dāng)每塊太陽能面板的輸出功率是150瓦(W)，在屋頂上安裝五十塊太陽能面板即可輸出7.5kW電能。
太陽能面板中有四個(gè)重要參數(shù)，首先，Voc是當(dāng)Iout=0時(shí)的開路電壓；Isc是當(dāng)Vout=0時(shí)的短路電流；Vmp則是峰值功率被提取時(shí)的輸出電壓；而Imp系峰值功率被提取時(shí)的輸出電流。如圖4所示，曲線1表示電流與電壓的函數(shù)關(guān)系，曲線2表示功率與電壓是函數(shù)關(guān)系，電流-電壓曲線上標(biāo)明最大功率點(diǎn)。
圖4 太陽能面板電流、電壓與功率關(guān)系圖
在太陽能電池(或太陽能面板)等效電路上，當(dāng)Vout=0時(shí)，電流-電壓曲線的斜率受并聯(lián)電阻Rp的影響，最理想的狀況是，太陽能面板的Rp=∞，且斜率為零。當(dāng)Vout=Voc時(shí)，功率-電壓曲線的斜率受串聯(lián)電阻Rs的影響，因此若Rs=0，則斜率可無限大。
精確掌握面板MPP 主動(dòng)式功率優(yōu)化器獻(xiàn)計(jì)
要從太陽能面板輸出最大功率，最重要是找到最大功率點(diǎn)(MPP)，使電池板電壓和電流保持在那個(gè)功率點(diǎn)。MPP點(diǎn)的變化通常與輻照度和溫度有關(guān)，當(dāng)輻照度降低時(shí)，Isc電流也隨著變低，使MPP向低壓轉(zhuǎn)移；當(dāng)溫度升高時(shí)，Vmp和最大功率都會(huì)降低，Voc、Isc、Vmp、Imp和溫度影響都列在太陽能面板廠商的資料手冊(cè)內(nèi)，亟待解決的難題是，當(dāng)太陽能面板的環(huán)境變化時(shí)，須動(dòng)態(tài)追蹤這些參數(shù)變化，才能屏除外部環(huán)境因素，確保太陽能面板工作在最大功率點(diǎn)上。
既然太陽能面板的等效電路可表示為有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的電流源，則戴維南(Thevenin)等效電路電壓源可表示為只有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，要將最大功率從電壓源輸送到負(fù)載，負(fù)載電阻須與電壓源的電阻相等，斜率正確的負(fù)載線路電阻R2與電流-電壓曲線相交于最大功率點(diǎn)。
洗車是一個(gè)解釋為什么需最大輸出功率的實(shí)例，在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時(shí)，如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅(jiān)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凈擋泥板。用拇指堵住管口的作用相當(dāng)于阻抗匹配裝置，可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(huì)變大，但是水壓(電壓)則會(huì)降低，沖洗力量減弱。把管口幾乎完全堵住，雖然可換得更大的水壓，但幾乎失去水流和沖洗力量，可見只有水管開口大小最佳時(shí)，才能產(chǎn)生理想的水壓和流量，獲得最大的沖洗力量。
把這個(gè)原理應(yīng)用到太陽能電池上，可得到一個(gè)內(nèi)建最大功率追蹤(MPPT)功能的直流對(duì)直流(DC-DC)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)概念，這是一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器(Optimizer)，目的是提高太陽能面板的輸出電壓，同時(shí)把太陽能面板的輸入電壓同步調(diào)至Vmp，最大化太陽能面板的輸出功率。使用者設(shè)置轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，擾動(dòng)和觀察MPPT演算法決定轉(zhuǎn)換器的工作周期，就是洗車時(shí)潛意識(shí)調(diào)節(jié)水管的開口大小，直到水管對(duì)汽車輸出最大的沖洗力
在被施加太陽電池板的輸入電壓時(shí)，主動(dòng)式功率優(yōu)化器的工作周期初始值很低，約為5%，MPPT演算法就是測(cè)量輸入電壓和輸入電流，計(jì)算功率，然后提高工作周期的方式，如果新的功率大于上一次功率，則再次提高工作周期。
這個(gè)過程一直持續(xù)到新功率沒有變化為止，表示該功率為最大功率點(diǎn)；若新功率小于上一次功率，工作周期就會(huì)降低，直到新功率等于上一次功率，則該功率被確定為最大功率點(diǎn)。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器將工作在功率-電壓曲線的上方，如圖5所示。擾動(dòng)與觀察MPPT演算法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，周期是開關(guān)周期的兩百五十六倍，預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為100kHz，開關(guān)周期是10微秒(μs)，演算法更新頻率為2.56毫秒。
圖5 功率優(yōu)化器工作周期示意圖
擾動(dòng)與觀察演算法采用狩獵方法尋找最大功率點(diǎn)，或稱為阻抗匹配方法，由于轉(zhuǎn)換器的典型輸出為35伏特直流電，而電網(wǎng)逆變器工作在350伏特直流電壓，因此驅(qū)動(dòng)逆變器須安裝十塊太陽能面板。每塊太陽能面板驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率優(yōu)化器，每塊電池板都執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤功率最佳化演算法，把十塊轉(zhuǎn)換器的輸出串聯(lián)，就能產(chǎn)生350伏特電壓。
易受陰影影響 中央逆變器MPPT效率低
假設(shè)終端使用者需要一個(gè)7.5kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少須整合三十個(gè)250瓦太陽能面板，將十塊35VDC的太陽能面板串聯(lián)在一起，構(gòu)成一串350伏特、2.5kW的太陽能電池組，再將三串2.5kW電池組并聯(lián)后，就可向中央逆變器輸送350VDC、7.5kW電能，如圖6所示。
圖6 7.5kW功率的太陽能系統(tǒng)電池并聯(lián)架構(gòu)
但是，這個(gè)發(fā)電方法有重大缺點(diǎn)，其由中央逆變器對(duì)整個(gè)陣列執(zhí)行MPPT最佳化，如果在其中一個(gè)或幾個(gè)太陽能面板上有陰影，受影響的太陽能面板的輸出功率就會(huì)降低，最大功率點(diǎn)也隨之變化，但單一中央逆變器或串聯(lián)逆變器無法發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，無法從整個(gè)太陽能面板陣列收集最大的電能；因此，MPPT最佳化過程須在每塊太陽能面板上獨(dú)立完成。
太陽能面板產(chǎn)生陰影的原因有很多，受到陰影影響的太陽能板將拉低整串太陽能板的輸出功率，為改善此問題，須在太陽能板上跨接一個(gè)旁路二極體或冷卻旁路開關(guān)(圖7)。
圖7 太陽能面板搭載旁路二極體，可避免過熱問題。
正常條件下，輸出電流會(huì)流經(jīng)串聯(lián)的每一塊太陽能面板，如果其中之一有陰影，其電流源將變?nèi)?，此時(shí)整串電流將流經(jīng)太陽能板Rp的電阻值很大，有陰影的太陽能板可能過熱，透過在板上并聯(lián)一個(gè)旁路二極體，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(xiàn)熱斑。
使用微逆變器(Microinverter)可改進(jìn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。微逆變器的輸出功率大約250瓦，每塊太陽能板都連接一個(gè)微逆變器，對(duì)單個(gè)太陽能板執(zhí)行MPPT最佳化。圖8為三十個(gè)微逆變器組成的太陽能系統(tǒng)，微逆變器的交流輸出并聯(lián)，按照電網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)正確調(diào)整交流輸出。
圖8 基于微逆變器設(shè)計(jì)的太陽能系統(tǒng)示意圖
功率優(yōu)化器簡(jiǎn)化太陽能板MPPT設(shè)計(jì)
微逆變器是相當(dāng)復(fù)雜的電子產(chǎn)品，圖9為意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的一款參考設(shè)計(jì)板；相較之下，使用主動(dòng)式功率優(yōu)化器則是一個(gè)較簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)帶有MPPT功能的方法(圖10)。當(dāng)每個(gè)太陽能板連接一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器，可提高太陽能板的輸出電壓最高達(dá)40伏特，同時(shí)執(zhí)行MPPT功能。其透過測(cè)量輸入電壓的方式確定太陽能電路板的Vmp電壓，連續(xù)執(zhí)行擾動(dòng)與觀察演算法，直到在功率-電壓曲線上發(fā)現(xiàn)最大功率點(diǎn)為止。
圖9 微逆變器參考設(shè)計(jì)圖
圖10 功率優(yōu)化器搭配MPPT演算法的太陽能系統(tǒng)示意圖
市面上還有其他類型的MPPT轉(zhuǎn)換器，但這些轉(zhuǎn)換器都認(rèn)定Vmp對(duì)Voc的百分比是一個(gè)固定值，這種假設(shè)在某一個(gè)特定工作條件下可能是正確的，但需要熱敏電阻以溫度表示Vmp的變化；而主動(dòng)式功率優(yōu)化器無需這樣的假設(shè)，透過測(cè)量輸入電壓和電流確定實(shí)際輸入功率，就能設(shè)定最大功率傳輸工作點(diǎn)。
圖11為目前功率優(yōu)化器四個(gè)開關(guān)級(jí)的連接方式，電路中只連接一個(gè)太陽能板和一個(gè)負(fù)載，每個(gè)開關(guān)級(jí)都有一個(gè)內(nèi)部電感，其中的開關(guān)和二極體都是導(dǎo)通電阻較低的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)開關(guān)管。在100kHz預(yù)設(shè)開關(guān)頻率下，每個(gè)開關(guān)級(jí)的頻率都是25kHz，每個(gè)開關(guān)支路連接一個(gè)過零檢測(cè)模組，用于關(guān)斷相關(guān)的同步整流器，禁止電流從輸出到輸入的反向流動(dòng)。
圖11 四級(jí)交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
為確保上電順序正確，功率優(yōu)化器開始時(shí)是高載模式，當(dāng)輸入電壓大于6.5伏特時(shí)，依次啟動(dòng)四個(gè)開關(guān)級(jí)，從第一級(jí)開關(guān)開始導(dǎo)通，在十五個(gè)周期內(nèi)，用一個(gè)周期向電感充電，然后逐漸提高工作周期，直到第一級(jí)開關(guān)在每個(gè)周期導(dǎo)通，且預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為100kHz為止。在第一級(jí)開關(guān)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其余的開關(guān)級(jí)按下列順序依次導(dǎo)通：第三級(jí)、第二級(jí)、第四級(jí)。如果功率要求低于320瓦，可能只需要第一和第三級(jí)，節(jié)省的兩個(gè)電感可降低成本和空間要求。
交錯(cuò)式架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是紋波電流小，假設(shè)存在一個(gè)電阻性負(fù)載，則輸出紋波電壓與輸出紋波電流成正比。在交錯(cuò)式四級(jí)架構(gòu)中，總輸出電流是流經(jīng)四個(gè)電感的電流之和，因?yàn)槊考?jí)電流是總電流的四分之一，假如電感已知，則交錯(cuò)式架構(gòu)峰對(duì)峰紋波電流是單級(jí)架構(gòu)系統(tǒng)的四分之一。
與微逆變器的情況一樣，每塊太陽能板都連接一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器，當(dāng)要求太陽能板提供更高的輸出電壓時(shí)，將功率優(yōu)化器的輸出串聯(lián)到最終輸出，以驅(qū)動(dòng)中央逆變器(圖12)。
圖12 搭載功率優(yōu)化器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)圖
在比較主動(dòng)式功率優(yōu)化器與微逆變器時(shí)，須考慮成本、安裝復(fù)雜度、元件數(shù)量、檢修便利性等因素，很難定論孰優(yōu)孰劣。不過，在許多簡(jiǎn)易應(yīng)用中，功率優(yōu)化器的設(shè)計(jì)便利性就具有優(yōu)勢(shì)。
(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)
安裝在北半球的太陽能面板須面向南方，但實(shí)際安裝過程中，面板則通常面向西南方向，以在下午收集更多太陽光線。典型太陽能系統(tǒng)中，面板的輸出功率是24伏特(V)直流，多塊太陽能面板先串聯(lián)在一起，再透過逆變器(Inverter)并入電網(wǎng)。目前民用和商用系統(tǒng)大多采用115伏特或230伏特交流電，其中，230伏特電力系統(tǒng)的峰值電壓是325伏特，太陽能面板組成陣列后即可向逆變器輸入350伏特，并為電網(wǎng)送電，此即一般太陽能發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式。
然而，當(dāng)陰影壟罩太陽能面板，系統(tǒng)就無法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，此時(shí)發(fā)電效率將大幅衰減，因而成為設(shè)計(jì)工程師亟欲克服的問題。
PV輸出功率與電壓、電流息息相關(guān)
在太陽能電池內(nèi)有一個(gè)PN接面(PN Junction)，可將其視為一個(gè)二極體(Diode)。流經(jīng)該二極體的電流被稱為暗電流，與流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)二極體的電流沒有什么不同，但電流發(fā)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。如圖1所示，其串聯(lián)電阻Rs代表導(dǎo)通損耗，大小與輸出電流的平方成正比，并聯(lián)電阻Rp表示因太陽能面板邊緣絕緣不好，導(dǎo)致的漏電流引起的功率損耗，對(duì)太陽能面板輸出特性均有影響。
圖1 太陽能電池的典型電路原理圖
從二極體的基本標(biāo)記法可得出，太陽能電池電流是電壓的函數(shù)，功率是電壓的函數(shù)。圖2、圖3分別為太陽能電池在不同光線下的電流-電壓特性。
圖2 無光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性
圖3 有光線條件下太陽能電池的電流-電壓特性
太陽能面板是由先串聯(lián)再并聯(lián)的單個(gè)太陽能電池組成；同樣地，太陽能面板陣列也是由先串聯(lián)再并聯(lián)的單個(gè)太陽能面板組成，串聯(lián)電池的目的系為提高輸出電壓，并聯(lián)則是為了提高輸出電流，因此，若每個(gè)電池的正向壓降是0.5伏特，額定光能產(chǎn)生100毫安培(mA)電流，則五十個(gè)電池串聯(lián)可形成一串25伏特的電池組，然后再把這串電池組中的六十個(gè)電池并聯(lián)，可產(chǎn)生一個(gè)25伏特、6安培的太陽能面板。當(dāng)每塊太陽能面板的輸出功率是150瓦(W)，在屋頂上安裝五十塊太陽能面板即可輸出7.5kW電能。
太陽能面板中有四個(gè)重要參數(shù)，首先，Voc是當(dāng)Iout=0時(shí)的開路電壓；Isc是當(dāng)Vout=0時(shí)的短路電流；Vmp則是峰值功率被提取時(shí)的輸出電壓；而Imp系峰值功率被提取時(shí)的輸出電流。如圖4所示，曲線1表示電流與電壓的函數(shù)關(guān)系，曲線2表示功率與電壓是函數(shù)關(guān)系，電流-電壓曲線上標(biāo)明最大功率點(diǎn)。
圖4 太陽能面板電流、電壓與功率關(guān)系圖
在太陽能電池(或太陽能面板)等效電路上，當(dāng)Vout=0時(shí)，電流-電壓曲線的斜率受并聯(lián)電阻Rp的影響，最理想的狀況是，太陽能面板的Rp=∞，且斜率為零。當(dāng)Vout=Voc時(shí)，功率-電壓曲線的斜率受串聯(lián)電阻Rs的影響，因此若Rs=0，則斜率可無限大。
精確掌握面板MPP 主動(dòng)式功率優(yōu)化器獻(xiàn)計(jì)
要從太陽能面板輸出最大功率，最重要是找到最大功率點(diǎn)(MPP)，使電池板電壓和電流保持在那個(gè)功率點(diǎn)。MPP點(diǎn)的變化通常與輻照度和溫度有關(guān)，當(dāng)輻照度降低時(shí)，Isc電流也隨著變低，使MPP向低壓轉(zhuǎn)移；當(dāng)溫度升高時(shí)，Vmp和最大功率都會(huì)降低，Voc、Isc、Vmp、Imp和溫度影響都列在太陽能面板廠商的資料手冊(cè)內(nèi)，亟待解決的難題是，當(dāng)太陽能面板的環(huán)境變化時(shí)，須動(dòng)態(tài)追蹤這些參數(shù)變化，才能屏除外部環(huán)境因素，確保太陽能面板工作在最大功率點(diǎn)上。
既然太陽能面板的等效電路可表示為有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的電流源，則戴維南(Thevenin)等效電路電壓源可表示為只有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，要將最大功率從電壓源輸送到負(fù)載，負(fù)載電阻須與電壓源的電阻相等，斜率正確的負(fù)載線路電阻R2與電流-電壓曲線相交于最大功率點(diǎn)。
洗車是一個(gè)解釋為什么需最大輸出功率的實(shí)例，在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時(shí)，如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅(jiān)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凈擋泥板。用拇指堵住管口的作用相當(dāng)于阻抗匹配裝置，可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(huì)變大，但是水壓(電壓)則會(huì)降低，沖洗力量減弱。把管口幾乎完全堵住，雖然可換得更大的水壓，但幾乎失去水流和沖洗力量，可見只有水管開口大小最佳時(shí)，才能產(chǎn)生理想的水壓和流量，獲得最大的沖洗力量。
把這個(gè)原理應(yīng)用到太陽能電池上，可得到一個(gè)內(nèi)建最大功率追蹤(MPPT)功能的直流對(duì)直流(DC-DC)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)概念，這是一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器(Optimizer)，目的是提高太陽能面板的輸出電壓，同時(shí)把太陽能面板的輸入電壓同步調(diào)至Vmp，最大化太陽能面板的輸出功率。使用者設(shè)置轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，擾動(dòng)和觀察MPPT演算法決定轉(zhuǎn)換器的工作周期，就是洗車時(shí)潛意識(shí)調(diào)節(jié)水管的開口大小，直到水管對(duì)汽車輸出最大的沖洗力
在被施加太陽電池板的輸入電壓時(shí)，主動(dòng)式功率優(yōu)化器的工作周期初始值很低，約為5%，MPPT演算法就是測(cè)量輸入電壓和輸入電流，計(jì)算功率，然后提高工作周期的方式，如果新的功率大于上一次功率，則再次提高工作周期。
這個(gè)過程一直持續(xù)到新功率沒有變化為止，表示該功率為最大功率點(diǎn)；若新功率小于上一次功率，工作周期就會(huì)降低，直到新功率等于上一次功率，則該功率被確定為最大功率點(diǎn)。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器將工作在功率-電壓曲線的上方，如圖5所示。擾動(dòng)與觀察MPPT演算法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，周期是開關(guān)周期的兩百五十六倍，預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為100kHz，開關(guān)周期是10微秒(μs)，演算法更新頻率為2.56毫秒。
圖5 功率優(yōu)化器工作周期示意圖
擾動(dòng)與觀察演算法采用狩獵方法尋找最大功率點(diǎn)，或稱為阻抗匹配方法，由于轉(zhuǎn)換器的典型輸出為35伏特直流電，而電網(wǎng)逆變器工作在350伏特直流電壓，因此驅(qū)動(dòng)逆變器須安裝十塊太陽能面板。每塊太陽能面板驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率優(yōu)化器，每塊電池板都執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤功率最佳化演算法，把十塊轉(zhuǎn)換器的輸出串聯(lián)，就能產(chǎn)生350伏特電壓。
易受陰影影響 中央逆變器MPPT效率低
假設(shè)終端使用者需要一個(gè)7.5kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少須整合三十個(gè)250瓦太陽能面板，將十塊35VDC的太陽能面板串聯(lián)在一起，構(gòu)成一串350伏特、2.5kW的太陽能電池組，再將三串2.5kW電池組并聯(lián)后，就可向中央逆變器輸送350VDC、7.5kW電能，如圖6所示。
圖6 7.5kW功率的太陽能系統(tǒng)電池并聯(lián)架構(gòu)
但是，這個(gè)發(fā)電方法有重大缺點(diǎn)，其由中央逆變器對(duì)整個(gè)陣列執(zhí)行MPPT最佳化，如果在其中一個(gè)或幾個(gè)太陽能面板上有陰影，受影響的太陽能面板的輸出功率就會(huì)降低，最大功率點(diǎn)也隨之變化，但單一中央逆變器或串聯(lián)逆變器無法發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，無法從整個(gè)太陽能面板陣列收集最大的電能；因此，MPPT最佳化過程須在每塊太陽能面板上獨(dú)立完成。
太陽能面板產(chǎn)生陰影的原因有很多，受到陰影影響的太陽能板將拉低整串太陽能板的輸出功率，為改善此問題，須在太陽能板上跨接一個(gè)旁路二極體或冷卻旁路開關(guān)(圖7)。
圖7 太陽能面板搭載旁路二極體，可避免過熱問題。
正常條件下，輸出電流會(huì)流經(jīng)串聯(lián)的每一塊太陽能面板，如果其中之一有陰影，其電流源將變?nèi)?，此時(shí)整串電流將流經(jīng)太陽能板Rp的電阻值很大，有陰影的太陽能板可能過熱，透過在板上并聯(lián)一個(gè)旁路二極體，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(xiàn)熱斑。
使用微逆變器(Microinverter)可改進(jìn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。微逆變器的輸出功率大約250瓦，每塊太陽能板都連接一個(gè)微逆變器，對(duì)單個(gè)太陽能板執(zhí)行MPPT最佳化。圖8為三十個(gè)微逆變器組成的太陽能系統(tǒng)，微逆變器的交流輸出并聯(lián)，按照電網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)正確調(diào)整交流輸出。
圖8 基于微逆變器設(shè)計(jì)的太陽能系統(tǒng)示意圖
功率優(yōu)化器簡(jiǎn)化太陽能板MPPT設(shè)計(jì)
微逆變器是相當(dāng)復(fù)雜的電子產(chǎn)品，圖9為意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的一款參考設(shè)計(jì)板；相較之下，使用主動(dòng)式功率優(yōu)化器則是一個(gè)較簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)帶有MPPT功能的方法(圖10)。當(dāng)每個(gè)太陽能板連接一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器，可提高太陽能板的輸出電壓最高達(dá)40伏特，同時(shí)執(zhí)行MPPT功能。其透過測(cè)量輸入電壓的方式確定太陽能電路板的Vmp電壓，連續(xù)執(zhí)行擾動(dòng)與觀察演算法，直到在功率-電壓曲線上發(fā)現(xiàn)最大功率點(diǎn)為止。
圖9 微逆變器參考設(shè)計(jì)圖
圖10 功率優(yōu)化器搭配MPPT演算法的太陽能系統(tǒng)示意圖
市面上還有其他類型的MPPT轉(zhuǎn)換器，但這些轉(zhuǎn)換器都認(rèn)定Vmp對(duì)Voc的百分比是一個(gè)固定值，這種假設(shè)在某一個(gè)特定工作條件下可能是正確的，但需要熱敏電阻以溫度表示Vmp的變化；而主動(dòng)式功率優(yōu)化器無需這樣的假設(shè)，透過測(cè)量輸入電壓和電流確定實(shí)際輸入功率，就能設(shè)定最大功率傳輸工作點(diǎn)。
圖11為目前功率優(yōu)化器四個(gè)開關(guān)級(jí)的連接方式，電路中只連接一個(gè)太陽能板和一個(gè)負(fù)載，每個(gè)開關(guān)級(jí)都有一個(gè)內(nèi)部電感，其中的開關(guān)和二極體都是導(dǎo)通電阻較低的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)開關(guān)管。在100kHz預(yù)設(shè)開關(guān)頻率下，每個(gè)開關(guān)級(jí)的頻率都是25kHz，每個(gè)開關(guān)支路連接一個(gè)過零檢測(cè)模組，用于關(guān)斷相關(guān)的同步整流器，禁止電流從輸出到輸入的反向流動(dòng)。
圖11 四級(jí)交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
為確保上電順序正確，功率優(yōu)化器開始時(shí)是高載模式，當(dāng)輸入電壓大于6.5伏特時(shí)，依次啟動(dòng)四個(gè)開關(guān)級(jí)，從第一級(jí)開關(guān)開始導(dǎo)通，在十五個(gè)周期內(nèi)，用一個(gè)周期向電感充電，然后逐漸提高工作周期，直到第一級(jí)開關(guān)在每個(gè)周期導(dǎo)通，且預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為100kHz為止。在第一級(jí)開關(guān)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其余的開關(guān)級(jí)按下列順序依次導(dǎo)通：第三級(jí)、第二級(jí)、第四級(jí)。如果功率要求低于320瓦，可能只需要第一和第三級(jí)，節(jié)省的兩個(gè)電感可降低成本和空間要求。
交錯(cuò)式架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是紋波電流小，假設(shè)存在一個(gè)電阻性負(fù)載，則輸出紋波電壓與輸出紋波電流成正比。在交錯(cuò)式四級(jí)架構(gòu)中，總輸出電流是流經(jīng)四個(gè)電感的電流之和，因?yàn)槊考?jí)電流是總電流的四分之一，假如電感已知，則交錯(cuò)式架構(gòu)峰對(duì)峰紋波電流是單級(jí)架構(gòu)系統(tǒng)的四分之一。
與微逆變器的情況一樣，每塊太陽能板都連接一個(gè)主動(dòng)式功率優(yōu)化器，當(dāng)要求太陽能板提供更高的輸出電壓時(shí)，將功率優(yōu)化器的輸出串聯(lián)到最終輸出，以驅(qū)動(dòng)中央逆變器(圖12)。
圖12 搭載功率優(yōu)化器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)圖
在比較主動(dòng)式功率優(yōu)化器與微逆變器時(shí)，須考慮成本、安裝復(fù)雜度、元件數(shù)量、檢修便利性等因素，很難定論孰優(yōu)孰劣。不過，在許多簡(jiǎn)易應(yīng)用中，功率優(yōu)化器的設(shè)計(jì)便利性就具有優(yōu)勢(shì)。
(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)
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