如何对 太阳能发电系统进行优化?

日期:2019-03-06

优化太 阳能发电系统是每个光伏EPC工程商都关心的问题,优化系 统首先就先优化光伏组件上的微型逆变器,因为每 块光伏组件配备的单独微型逆变器使得系统能够适应不断变化的负荷及不同的天气条件,进而为 单块组件乃至整个系统提供最佳的缓缓效率。

微型逆 变器还可以简化布线,也是说 可以有着更低的安装成本。优化的 最终目的是将太阳能发电系统变得更有效率,整个系 统收回投资的时间达到更短。 

太阳能发电系统

电源逆 变器是太阳能发电系统的关键电子组件。在商业应用中,这些组件连接光伏(PV)面板、储存电 能的电池以及本地电力分配系统或公用事业电网。 

在一个 典型的太阳能采集系统中,多个太 阳能板并联到一个逆变器,该逆变 器将来自多个光伏电池的可变直流输出转换成干净的50Hz 或60Hz 正弦波逆变电源。

设计的 主要目标是尽可能提高转换效率。这是一 个复杂且需反复的过程,它涉及 最大功率点跟踪算法(MPPT)以及执 行相关算法的实时控制器。

1.最大化电源转换效率

未采用MPPT 算法的 逆变器简单地将光伏模块与电池直接连接起来,迫使光 伏模块工作在电池电压。几乎无一例外的是,电池电 压不是采集最多可用太阳能的理想值。

实线表 示的是电压与电流(PV AMPS)之比。

但采用MPPT 算法后,情况发生了根本变化。在本例中,模块能 实现最大输出功率的电压是17V。因此,MPPT 算法的 职责是使模块工作在17V,这样一来,无论电池电压是多少,都能从模块获取全部75W 的功率。

高效DC/DC 电源转 换器将控制器输入端的17V 电压转 换为输出端的电池电压。由于DC/DC 转换器将电压从17V 降至12V,本例中,支持MPPT 功能的 系统内电池充电电流是:

(VMODULE/VBATTERY)×IMODULE,或(17V/12V)×4.45A =6.30A。

假设DC/DC 转换器的转换效率是100%,则充电电流将增加1.85A(或42%)。

虽然本 例假设逆变器处理的是来自单个太阳能面板的能量,但传统 系统通常是一个逆变器连接多个面板。取决于应用的不同,这种拓 扑既有优点又有缺点。

2.MPPT 算法

主要有三种类型的MPPT 算法:扰动-观察法、电导增 量法和恒定电压法。前两种方法通常称为“爬山”法,因为它 们基于如下事实:

在MPP 的左侧,曲线呈上升趋势(dP/dV》0),而在MPP 右侧,曲线下降(dP/dV 《0)。

扰动-观察(P&O)法是最常用的。该算法 按给定方向扰动工作电压并采样dP/dV。如果dP/dV 为正,算法就“明白”它刚才是在朝着MPP调整电压。然后,它将一 直朝这个方向调整电压,直到dP/dV 变负。

P&O 算法很容易实现,但在稳态运行中,它们有时会在MPP 附近产生振荡。而且它 们的响应速度也慢,甚至在 迅速变化的气候条件下还有可能把方向搞反。

电导增量(INC)法使用 光伏阵列的电导增量dI/dV 来计算dP/dV的正负。INC 能比P&O 更准确 地跟踪迅速变化的光辐照状况。但与P&O 一样,它也可 能产生振荡并被迅速变化的大气条件所“蒙骗”。其另一个缺点是,增加的 复杂性会延长计算时间并降低采样频率。

第三种方法“ 恒压法” 则基于如下事实: 一般来说,VMPP/VOC0.76。该方法 的问题来源于它需要瞬间把光伏阵列的电流调为0 以测量 阵列的开路电压。然后,再将阵 列的工作电压设置为该测定值的76%。但在阵列断开期间,可用能量被浪费掉了。人们还发现,虽然开路电压的76%是个很好的近似值,但也并非总是与MPP 一致。

由于没有一个MPPT 算法可 以成功地满足所有常见的使用环境要求,许多设 计工程师会让系统先*估环境 条件再选择最适合当时环境条件的算法。事实上,有许多MPPT 算法可用,太阳能 面板制造商提供他们自己算法的情况也屡见不鲜。

对廉价控制器来说,除了MCU 本份的 正常控制功能外,执行MPPT 算法绝非易事,该算法 需要这些控制器具有高超的计算能力。

诸如德州仪器C2000 平台系列的先进32 位实时 微控制器就适合于各种太阳能应用。

太阳能发电设备

3.电源逆变器

使用单 个逆变器有许多好处,其中最 突出的是简单和低成本。采用MPPT 算法和 其它技术提高了单逆变器系统的效率,但这只 是在一定程度上。根据应用的不同,单个逆 变器拓扑的缺点会很明显。最突出 的是可靠性问题:只要这 个逆变器发生故障,那么在 该逆变器被修好或更换前,所有面 板产生的能量都浪费掉了。

即使逆变器工作正常,单逆变 器拓扑也可能对系统效率产生负面影响。在大多数情况下,为达到最高效率,每个太 阳能电池板都有不同的控制要求。决定各 面板效率的因素有:面板内 所含光伏电池组件的制造差异、不同的环境温度、阴影和 方位造成的不同光照强度(接收到 的太阳原始能量)。

与整个 系统使用一个逆变器相比,为系统 内每个太阳能电池板都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。微型逆 变器拓扑的主要好处是,即便其 中一个逆变器出现故障,能量转换仍能进行。

采用微 型逆变器的其它好处包括能够利用高分辨率PWM 调整每 个太阳能板的转换参数。由于云朵、阴影和 背阴会改变每个面板的输出,为每个 面板配备独有的微型逆变器就允许系统适应不断变化的负载情况。这为各 面板及整个系统都提供了最佳转换效率。

微型逆 变器架构要求每个面板都有一个专用MCU 来管理能源转换。不过,这些附加的MCU 也可被 用来改善系统和面板的监测。

例如,大型的 太阳能发电场就受益于面板间的通信以帮助保持负载平衡并允许系统管理员事先计划有多少能量可用,以及用 这些能量做什么。不过,为充分 利用系统监测的好处,MCU 必须集 成片上通信外围设备(CAN、SPI、UART 等)以便简 化与太阳能阵列内其它微型逆变器的接口。

在许多应用中,使用微 型逆变器拓扑可以显着提高系统整体效率。在面板级,效率有望提升30%。但由于 各应用差异很大,系统级改善的“平均”百分比并没多大意义。

应用分析当*估微型 变频器在具体应用中的价值时,应从几 个方面考虑拓扑结构。

在小型应用中,各面板 有可能面临基本相同的光照、温度和阴影等条件。因此,微型逆 变器在提升效率方面作用有限。

为使各 面板工作在不同电压以获得最高能效,要求采用DC/DC转换器 使各面板的输出电压统一于储能蓄电池的工作电压。为尽可能降低制造成本,可把DC/DC 转换器 和逆变器设计成一个模块。用于本 地电源线路或连接配电网的DC/AC 转换器 也可被整合进该模块。

太阳能 面板必须要互相通信,这会增 加导线和复杂性。这是对 在模块中包含进逆变器、DC/DC 转换器 和太阳能电池板的另一个争论点。

每个逆变器的MCU 仍然必 须有足够能力来运行多个MPPT 算法以 适应不同的操作环境。

采用多个MCU 会加大 整体系统的材料成本。

每当考 虑改变架构时都会关注其成本。为满足 系统的价格目标,为每个 面板都配备一个控制器意味着该控制器的成本必须要有竞争力、外形较小,但仍能 同时处理所有的控制、通信和计算任务。

片上集 成恰当的控制外设以及高模拟集成度是保证系统低成本的两个基本要素。为执行针对优化转换、系统监 控和能量存储各环节中的效率所开发出的算法,高性能也是必需的。

使用除 可满足微型逆变器本身要求之外,还可处理包括AC/DC转换、DC/DC 转换以 及面板间通讯等整个系统大部分要求的MCU,可以减少因使用多个MCU 所导致的成本增加。

4.MCU 特性

仔细权 衡这些高层次要求是确定MCU 需要哪 些功能的最好方法。例如,当并联 面板时需要负载平衡控制。所选MCU 必须能 检测负载电流以及能通过开/关输出MOSFET 升高或降低输出电压。这需要一个高速片上ADC 来采样电压和电流。

微型逆变器设计没有“一成不变”的模式。这意味 着设计者必须有能力和创新精神采用新技巧、新技术,特别是 在面板间和系统间的通信方面。最合适的MCU 应支持各种协议,包括一 些平常不会想到的如电力线通讯(PLC)和控制器局域网(CAN)等。特别是电力线通讯,因不再 需专门的通信线路,所以可降低系统成本。但这需要MCU 内置高性能PWM、高速ADC 和高性能CPU。

对于针 对太阳能逆变器应用所设计的MCU,一个意 想不到但极具价值的特性是双片上振荡器,它们可 用于时钟故障检测以提高可靠性。能够同 时运行两个系统时钟的能力也有助于减少太阳能电池板安装时出现的问题。

由于在 太阳能微型逆变器设计中凝聚了如此多的创新,对MCU来说,其最重 要的特性也许就是软件编程能力了。该特性 使得在电源电路设计和控制中拥有最高的灵活性。

C2000 微控制 器配备了可高效处理算法运算的先进数字运算处理内核以及用于能量转换控制的片上外设集,已广泛 应用于传统的太阳能电池板逆变器拓扑中。新推出的Piccolo 系列C2000 系列微 控制器是经济款,该系列 的最小封装只有38 个引脚,但其架构更先进、外设也得到增强,从而可把32 位实时 控制的好处带给要求低总体系统成本的微型逆变器等应用。

此外,Piccolo MCU 系列的 各款产品都集成了两个用于时钟比较的片上10MHz 振荡器,以及带 上电复位和掉电保护的片上VREG、多个高分辨率150ps 的PWM、一个12 位4.6 兆次采样/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI 和UART 等通信协议接口。

5.光伏电池的挑战

基于太 阳能发电系统的缺点之一是转换效率。太阳能电池板能从每100mm2 的光伏电池获取约1mW 的平均电能。典型效率约为10%。光伏电源的功率系数(即在阳 光一直照射的条件下,太阳能 电池实际产生的平均电能与理论上可产生的电能之比)约为15%至20%。

有多种 原因导致这一结果,包括阳光本身的变化,如夜间完全消失,以及即使在白天,阴影和 天气条件也常常导致光照减少。

光电转 换为效率计算引入了更多变数,包括太 阳能电池板的温度及其理论峰值效率。对设计工程师来说,另一个 问题是光伏电池产生的电压约有0.5V 不规则变化。当选择 能量转换拓扑时,这种变 化会带来严重影响。例如,对低效 的能量转换技术来说,它有可 能消耗掉所采集到的很大一部分光伏电能。

为适应太阳不是全天24 小时都照射这一事实,太阳能 供电系统要包含电池以及给电池高效充电所需的复杂电子器件。当电池 被集成到系统中时,电池充电需要额外的DC/DC 转换电路,同时还 需要电池管理和监控。

许多由 太阳能供电的系统还与电网对接,从而要 求相位同步和功率因数校正。还有许 多需要复杂控制的使用环境。例如,必须内 置故障预警机制以防范公共电网的停掉电等事件。这些仅 仅是设计工程师必须要考虑的头等大事。


友情链接:    传统娱乐彩票   彩12彩票注册   创盈彩票网   大无限彩票网   e时彩_安全购彩