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搭配MPPT演算法 功率優(yōu)化器提升光伏發(fā)電效率

   2013-07-25 新電子60410
核心提示:太陽能(Photovoltaic, PV)面板被陰影遮擋時會停止光電轉(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
太陽能(Photovoltaic, PV)面板被陰影遮擋時會停止光電轉(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)廠已開始搭載主動式功率優(yōu)化器,并導(dǎo)入最大功率點追蹤(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)運行模式。  
然而,當(dāng)陰影壟罩太陽能面板,系統(tǒng)就無法進行光電轉(zhuǎn)換,此時發(fā)電效率將大幅衰減,因而成為設(shè)計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PN接面(PN Junction),可將其視為一個二極體(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電池并聯(lián),可產(chǎn)生一個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重要參數(shù),首先,Voc是當(dāng)Iout=0時的開路電壓;Isc是當(dāng)Vout=0時的短路電流;Vmp則是峰值功率被提取時的輸出電壓;而Imp系峰值功率被提取時的輸出電流。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。  


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,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,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 主動式功率優(yōu)化器獻計 

要從太陽能面板輸出最大功率,最重要是找到最大功率點(MPP),使電池板電壓和電流保持在那個功率點。MPP點的變化通常與輻照度和溫度有關(guān),當(dāng)輻照度降低時,Isc電流也隨著變低,使MPP向低壓轉(zhuǎn)移;當(dāng)溫度升高時,Vmp和最大功率都會降低,Voc、Isc、Vmp、Imp和溫度影響都列在太陽能面板廠商的資料手冊內(nèi),亟待解決的難題是,當(dāng)太陽能面板的環(huán)境變化時,須動態(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。  

洗車是一個解釋為什么需最大輸出功率的實例,在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時,如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅硬泥土,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)就會變大,但是水壓(電壓)則會降低,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,才能產(chǎn)生理想的水壓和流量,獲得最大的沖洗力量。  

把這個原理應(yīng)用到太陽能電池上,可得到一個內(nèi)建最大功率追蹤(MPPT)功能的直流對直流(DC-DC)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計概念,這是一個主動式功率優(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,擾動和觀察MPPT演算法決定轉(zhuǎn)換器的工作周期,就是洗車時潛意識調(diào)節(jié)水管的開口大小,直到水管對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,主動式功率優(yōu)化器的工作周期初始值很低,約為5%,MPPT演算法就是測量輸入電壓和輸入電流,計算功率,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;若新功率小于上一次功率,工作周期就會降低,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。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。擾動與觀察MPPT演算法連續(xù)運轉(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
擾動與觀察演算法采用狩獵方法尋找最大功率點,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)動逆變器須安裝十塊太陽能面板。每塊太陽能面板驅(qū)動一個功率優(yōu)化器,每塊電池板都執(zhí)行最大功率點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7.5kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)至少須整合三十個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,這個發(fā)電方法有重大缺點,其由中央逆變器對整個陣列執(zhí)行MPPT最佳化,如果在其中一個或幾個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降低,最大功率點也隨之變化,但單一中央逆變器或串聯(lián)逆變器無法發(fā)現(xiàn)這個問題,無法從整個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)可改進太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。微逆變器的輸出功率大約250瓦,每塊太陽能板都連接一個微逆變器,對單個太陽能板執(zhí)行MPPT最佳化。圖8為三十個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)計的太陽能系統(tǒng)示意圖
功率優(yōu)化器簡化太陽能板MPPT設(shè)計 

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)計板;相較之下,使用主動式功率優(yōu)化器則是一個較簡單實現(xiàn)帶有MPPT功能的方法(圖10)。當(dāng)每個太陽能板連接一個主動式功率優(yōu)化器,可提高太陽能板的輸出電壓最高達40伏特,同時執(zhí)行MPPT功能。其透過測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)最大功率點為止。  


圖9    微逆變器參考設(shè)計圖

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Voc的百分比是一個固定值,這種假設(shè)在某一個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;而主動式功率優(yōu)化器無需這樣的假設(shè),透過測量輸入電壓和電流確定實際輸入功率,就能設(shè)定最大功率傳輸工作點。  

圖11為目前功率優(yōu)化器四個開關(guān)級的連接方式,電路中只連接一個太陽能板和一個負(fù)載,每個開關(guān)級都有一個內(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)體場效電晶體(MOSFET)開關(guān)管。在100kHz預(yù)設(shè)開關(guān)頻率下,每個開關(guān)級的頻率都是25kHz,每個開關(guān)支路連接一個過零檢測模組,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。  


圖11 四級交錯式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
為確保上電順序正確,功率優(yōu)化器開始時是高載模式,當(dāng)輸入電壓大于6.5伏特時,依次啟動四個開關(guān)級,從第一級開關(guān)開始導(dǎo)通,在十五個周期內(nèi),用一個周期向電感充電,然后逐漸提高工作周期,直到第一級開關(guān)在每個周期導(dǎo)通,且預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為100kHz為止。在第一級開關(guān)達到穩(wěn)定狀態(tài)后,其余的開關(guān)級按下列順序依次導(dǎo)通:第三級、第二級、第四級。如果功率要求低于320瓦,可能只需要第一和第三級,節(jié)省的兩個電感可降低成本和空間要求。  

交錯式架構(gòu)的主要優(yōu)點是紋波電流小,假設(shè)存在一個電阻性負(fù)載,則輸出紋波電壓與輸出紋波電流成正比。在交錯式四級架構(gòu)中,總輸出電流是流經(jīng)四個電感的電流之和,因為每級電流是總電流的四分之一,假如電感已知,則交錯式架構(gòu)峰對峰紋波電流是單級架構(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主動式功率優(yōu)化器,當(dāng)要求太陽能板提供更高的輸出電壓時,將功率優(yōu)化器的輸出串聯(lián)到最終輸出,以驅(qū)動中央逆變器(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
在比較主動式功率優(yōu)化器與微逆變器時,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,在許多簡易應(yīng)用中,功率優(yōu)化器的設(shè)計便利性就具有優(yōu)勢。  

(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)
 
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