可提供MPPT和功率控制的太陽能解決方案

監(jiān)控是解鎖太陽能電池能源生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過使用在太陽能環(huán)境不斷變化時承擔(dān)恒定能量產(chǎn)生的電路架構(gòu)，很容易失去效率。

當(dāng)太陽能電池組件升溫或接收更多光時，電流 - 電壓特性的變化可能是太陽能電池陣列效率損失的重要來源。如果產(chǎn)生電網(wǎng)兼容電力的逆變器沒有調(diào)到輸出電壓和電流條件，那么它將浪費更多的電力。作為回應(yīng)，電子公司生產(chǎn)的IC能夠執(zhí)行優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換所需的最大功率點跟蹤（MPPT）以及旁路電子設(shè)備，以防止暫時無效的模塊破壞活動單元的輸出。

在晴朗的日子靠近赤道，來自太陽的能量意味著一平方米的地球表面接收的功率超過1千瓦。今天的太陽能電池可以將大部分能源轉(zhuǎn)化為電能。在實驗室條件下測試的硅基太陽能電池已實現(xiàn)接近25％的轉(zhuǎn)換效率。然而，這些電池尚未成為生產(chǎn)光伏（PV）面板，即使它們確實存在其它問題，也會降低整個光伏系統(tǒng)的效率。

太陽能電池背后的電子控制裝置是利用太陽能電池原始效率的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)需要能夠?qū)ψ兓奶鞖鈼l件作出反應(yīng)，以確保PV電池和模塊盡可能接近其峰值運行。每個太陽能電池具有特征電流 - 電壓（IV）曲線，其反映其對溫度和入射光水平的響應(yīng)。

裝在光伏模塊中的電池可能會在單調(diào)的冬日產(chǎn)生高電壓但電流非常低。隨著光照水平的上升，電壓會略有下降，但電流會急劇增加，直至達到峰值水平。隨著模塊升溫，模塊的輸出電壓將下降，從而降低其整體能量輸出。結(jié)果，即使在強烈的陽光照射期間它們應(yīng)該達到峰值效率時，如果電子電路不能補償這一點，PV板也會遭受轉(zhuǎn)換效率的顯著下降。

高效率的部分秘訣在于使用可最大限度減少熱量產(chǎn)生的組件，從而使輸出電壓保持在較高水平。更重要的是一種考慮到條件變化的架構(gòu)，以確保電池和模塊在當(dāng)前條件下的峰值電位下運行。局部著色將顯著降低陰影單元的輸出，對包含它們的模塊產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，如果不能有效管理，可能會完成PV安裝或字段。根據(jù)美國國家可再生能源實驗室進行的測試，遮陽落在太陽能裝置面積不到3％的地方可能會使其輸出效率降低15％以上。如果一個電池沒有產(chǎn)生能量，它的電阻會上升并開始消耗其他電池輸入的電流，因為它們通常串聯(lián)連接。結(jié)果是積聚了熱量。這種熱點產(chǎn)生會隨著時間的推移損壞電池，并降低整個太陽能電池陣列的輸出能量。

在典型安裝中，PV面板組串聯(lián)連接以形成PV串。每根串并聯(lián)連接到其他串，然后連接到逆變器，逆變器使產(chǎn)生的功率適應(yīng)公共電網(wǎng)的特性。在每個串內(nèi)，旁路二極管通過為其他面板產(chǎn)生的電流提供替代路徑來保護每個面板。這些二極管可確保面板保護和整個系統(tǒng)功能，以防損壞或遮擋面板。阻斷或截止二極管保護每個串免受來自其他串的電流回流的影響，這是由于串上的電壓較低，通常是由于串的一部分上的陰影引起的。

圖1：使用單個字符串的基本太陽能裝置的架構(gòu)。

旁路二極管應(yīng)具有低正向偏壓降，以允許來自上游面板的電流在通往逆變器的途中輕松流動，從而將能量轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)兼容電力。為了防止熱量積聚和能量損失，非常低的正向壓降是至關(guān)重要的。 LX2400太陽能旁路設(shè)備采用Microsemi的CoolRUN技術(shù)來降低導(dǎo)致正向壓降的電阻，從而最大限度地減少熱量產(chǎn)生。 LU2400在10 A時的電壓降僅為50 mW，這種高電流的溫升僅為10°C，從而防止生產(chǎn)模塊附近的效率降低熱量增加。

STMicroelectronics還有一個SPV1001形式的太陽能旁路二極管。它是一種系統(tǒng)級封裝解決方案，設(shè)計用于冷卻操作，通過使用功率MOSFET與電容器結(jié)合工作，提供類似于肖特基二極管的旁路整流，但具有較低的壓降和反向漏電流。 MOSFET在其關(guān)斷期間對電容器充電，然后在其導(dǎo)通期間通過存儲在電容器中的電荷驅(qū)動。延長導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，以降低漏極和源極端子之間的平均壓降，從而降低功耗。

太陽能電池陣列或現(xiàn)場的其余關(guān)鍵部件是逆變器部分，它可以產(chǎn)生與電網(wǎng)兼容的電力。逆變器是復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包括三個功能：DC/DC轉(zhuǎn)換，DC/AC轉(zhuǎn)換和反島控制。

反島控制是一種安全控制，在電網(wǎng)電力故障期間迫使系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，防止逆變器繼續(xù)向電網(wǎng)的小部分或“島”供電。如果島嶼通電，試圖修復(fù)系統(tǒng)的工人將面臨風(fēng)險。另一個問題是，如果沒有用于同步的電網(wǎng)信號，逆變器的功率輸出可能偏離客戶設(shè)備在島內(nèi)操作的范圍。

逆變器需要調(diào)整到太陽能電池陣列所經(jīng)歷的條件，這通常使用最大功率點跟蹤（MPPT）來實現(xiàn)。使用MPPT，逆變器電路可以使用電壓和電流的最佳組合，并為負載提供必要的電阻，以實現(xiàn)有效的能量收集。

圖2：通過使用獨立的DC/DC轉(zhuǎn)換和MPPT，太陽能裝置可以更適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)不斷變化的環(huán)境條件。

最簡單的架構(gòu)是使用一個MPPT引擎來控制單個通用逆變器。這種方法很簡單，但是存在將單個功率點應(yīng)用于可能正在經(jīng)歷不同操作條件的陣列中的模塊的問題。如果一個模塊被部分遮蔽，因為云從其視角穿過太陽，它將與其他完全照明的光源具有不同的功率點。盡管被遮蔽了，但是不能繞過它仍然是有效的。單個模塊上的污垢堆積將導(dǎo)致功率點隨時間的變化，這也不能通過普通MPPT控制器反映出來。一種替代方案是通過并聯(lián)使用多個串來分割陣列，每個串饋送不同的逆變器前端。更靈活的方法是將DC/DC轉(zhuǎn)換器和MPPT控制器與每個PV模塊相關(guān)聯(lián)，每個PV模塊將公共電壓的DC電力饋送到逆變器部分。

有許多方法可以確定任何給定時間的最佳功率點，每種方法都有自己的優(yōu)點和缺點。常用的技術(shù)是擾動和觀察。使用該技術(shù)，改變電壓或電流并記錄功率輸出的變化。如果輸出增加，則擾動以正確的方向移動。如果不是，則下一次擾動將是相反的方向。通常，DC/DC轉(zhuǎn)換器采用的工作電壓將圍繞MPP振蕩。 STMicroelectronics的SPV1020采用擾動和觀測算法。

另一種選擇是增量電導(dǎo)，它依賴于觀察到功率曲線導(dǎo)數(shù)與MPP電壓為零，左側(cè)為正，右側(cè)為負。實現(xiàn)將增量電導(dǎo)，電流與電壓的變化（ΔI/ΔV）與瞬時電導(dǎo)（I/V）進行比較。在MPPΔI/ΔV= -I/V.在MPP的左側(cè)，ΔI/ΔV大于-I/V并且小于MPP右側(cè)的-I/V.

圖3：典型太陽能電池的電流和功率與電壓關(guān)系圖，顯示最大功率點和電池電流曲線。

增量電導(dǎo)通常為最大功率點移動的方向提供了更好的指導(dǎo)，并且導(dǎo)致比擾動和觀察更少的振蕩，但計算密集度更高。但是，Microchip Technology PIC16F1503等微控制器可輕松使用增量電導(dǎo)對PV模塊進行必要的計算，并包含數(shù)字控制振蕩器（NCO）外設(shè)單元，可為高分辨率脈沖寬度提供定時信號高效DC/DC轉(zhuǎn)換所需的調(diào)制（PWM）。

圖4：擾動和干擾算法移動工作點以便包含最大功率點。

由于PV模塊的電壓輸出可能因環(huán)境條件而有很大差異，因此連接到模塊的任何DC/DC轉(zhuǎn)換器都需要足夠靈活以應(yīng)對。一種可能性是使用具有高中間DC電壓的升壓轉(zhuǎn)換器拓撲，其被提供給并網(wǎng)逆變器。 SPV1020采用四相交錯式升壓拓撲結(jié)構(gòu)，可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。交錯顯著降低了輸出電壓紋波。當(dāng)需要低電流輸出時，在突發(fā)模式期間關(guān)閉相位。通常在啟動期間使用突發(fā)模式以避免電壓振蕩，并且在啟動過程期間逐漸激活每個相。

升壓拓撲的替代方案是降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，以便模塊的電壓可以在中間電壓附近移動;當(dāng)模塊以接近最佳水平轉(zhuǎn)換能量時，可以利用這一點來支持高效運行。

德州儀器Solar Magic SM72442 MPPT和DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器由評估板支持，當(dāng)面板輸入電壓和所需輸出電壓在±2％范圍內(nèi)時，可提供直接連接選項，實現(xiàn)幾乎無損耗操作彼此的。這允許DC/DC轉(zhuǎn)換器暫時關(guān)閉。在此范圍的任一側(cè)，控制器采用降壓或升壓模式。

SM72442使用PWM抖動技術(shù)來平滑降壓，升壓和直接連接面板模式之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)備使用的MPPT算法通常在百分之一秒內(nèi)提供收斂，監(jiān)視輸入電流和電壓。

隨著太陽能行業(yè)的不斷擴展，預(yù)計會有更多的解決方案可以提供MPPT和功率控制，尤其是當(dāng)注意力轉(zhuǎn)移到提供單模塊效率調(diào)整的更復(fù)雜架構(gòu)時。這些解決方案將包括特定設(shè)備和更多通用產(chǎn)品，允許實施者調(diào)整其MPPT和功率轉(zhuǎn)換算法。