由于燃燒化石燃料引起的全球變暖環(huán)境問(wèn)題、不斷上漲的原油和天然氣價(jià)格、對原油依賴(lài)導致的政治困境，這些問(wèn)題促使人們不斷努力提高能源效率。
對于那些能源無(wú)法自給的國家，太陽(yáng)能和其他替代能源擁有無(wú)可爭議的優(yōu)勢，可幫助他們達到減少化石燃料消耗和實(shí)現能源獨立的目的。用替代能源系統取代化石燃料能源，將對全球經(jīng)濟和人類(lèi)生活產(chǎn)生重大影響。但問(wèn)題是，用替代能源發(fā)電的成本要與化石燃料發(fā)電的成本相近或更少，這樣才能真正減少原油的消耗。
在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能技術(shù)的過(guò)程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個(gè)不能忽略的重要問(wèn)題是，如何設計將電池產(chǎn)生的直流電轉換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，設計師為提高逆變器每一個(gè)百分點(diǎn)的效率的努力都是非常重要的。
一些太陽(yáng)能轉換系統制造商把逆變器的轉換效率從92%提高到了96%，這樣他們在市場(chǎng)上成功的機會(huì )就會(huì )大增。有一種辦法是設計沒(méi)有變壓器的 DC/DC轉換器。在轉換系統中，由變壓器導致的能量損失大約是2%～3%。因此就要使用更高電壓的晶體管，這種晶體管已經(jīng)可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到了。
逆變器的設計
在基于光電流的系統中，電源逆變器控制著(zhù)太陽(yáng)能板和電池，以及負載之間的電流，將太陽(yáng)能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流，輸出給負載或回饋到電網(wǎng)中去。圖1顯示了逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電中的重要作用。
圖1 逆變器在提高太陽(yáng)能轉換效率的過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用
由于太陽(yáng)能板的輸出電壓是變化的，要保持發(fā)電時(shí)盡可能的高效率是非常復雜的。完成這項任務(wù)的關(guān)鍵是檢測最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)。圖2顯示了最大功率點(diǎn)是如何隨天氣和電壓而變的。
圖2 太陽(yáng)能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變
MPP跟蹤技術(shù)可用來(lái)探測MPP，并調整DC/DC的輸出電壓轉換，以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽(yáng)能電池系統在冬天的整體效率提高1/3或更多，而這時(shí)也正是電力需求最高的時(shí)候。
控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓，并檢測輸出。算法要在MPP點(diǎn)周?chē)舫鲆粋�(gè)足夠大的振蕩范圍，避免當天空掠過(guò)云彩時(shí)控制器對本地電源發(fā)出錯誤的擾動(dòng)。
電池的算法
擾動(dòng)和檢測算法的效率并不高，這是由于在每個(gè)周期內輸出點(diǎn)都會(huì )偏離MPP�？梢圆捎迷隽扛袘惴ㄗ鰹樘娲�，這種方法可以很好地解決由于振蕩導致的低效率，但又會(huì )設定一個(gè)本地峰值而不是真實(shí)的MPP，從而引發(fā)其他問(wèn)題。將這兩種算法結合起來(lái)，可以保持增量感應算法的高效率，同時(shí)又可以以一定間隔在很大范圍內掃描，避免選擇本地的峰值。
顯然，這會(huì )給控制逆變器的控制器帶來(lái)很大的計算負荷，控制器必須滿(mǎn)足一些實(shí)時(shí)處理的挑戰。
現在的數字信號控制器可以提供實(shí)時(shí)控制算法所需的高速運算能力。A/D轉換器、PWM等集成外設使控制器可以直接檢測輸入信號，控制功率MOSFET，片上的flash閃存可用于編程和數據存儲，通信端口簡(jiǎn)化了電能表和其他逆變器的組網(wǎng)過(guò)程。
在太陽(yáng)能逆變器中的DSP控制器的高效率已經(jīng)得到證實(shí)，可以把轉換過(guò)程中的能量損失減少最多50%。National Renewable Energy Laboratory對分布式電源技術(shù)LLC的研究表明，基于DSP的逆變器可以將1個(gè)10kW逆變器的制造和人工成本減少56%，同時(shí)還減少了逆變器的尺寸和重量。
德州儀器公司的TMS320F28x數字信號控制器就是一個(gè)非常好的例子，它的性能高達150MIPS，可以用1個(gè)DSP控制逆變器中的多個(gè)轉換級，而且還有富裕的處理能力，可用來(lái)執行MPP跟蹤算法、電池充電監控、浪涌保護、記錄數據和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個(gè)轉換級的框圖。
圖3 TMS320F28x可控制多個(gè)轉換級
控制器具有非�？焖俚�12位16通道的A/D轉換器，可以高精度地檢測電壓和電流來(lái)實(shí)現正弦波。為進(jìn)行安全監控，A/D轉換器還提供了電流檢測功能。
此外，芯片上12個(gè)獨立控制的增強型PWM通道具有可變的占空比，為轉換器橋和電池充電電路提供了高速開(kāi)關(guān)。
每個(gè)增強型PWM都有自己的定時(shí)器和相位寄存器，可對相延遲進(jìn)行編程設定�？梢詫λ械脑鰪娦蚉WM進(jìn)行同步，來(lái)驅動(dòng)同樣頻率上的多個(gè)級。多個(gè)定時(shí)器提供了所需的時(shí)鐘和快速的中斷管理，支持額外的控制任務(wù)。包括CAN總線(xiàn)在內的多個(gè)標準通信端口為其他組件和系統提供了簡(jiǎn)便易用的接口。 |
