典型太陽能電池最大化模塊的輸出方案

　　監(jiān)控是開啟太陽能電池能量生產(chǎn)的關(guān)鍵。當(dāng)太陽能環(huán)境不斷變化時，如果使用假設(shè)不斷產(chǎn)生能量的電路架構(gòu)，很容易降低效率。

　　隨著太陽能模塊升溫或接收更多光，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)整到輸出電壓和電流條件，它將浪費(fèi)更多的電力。作為回應(yīng)，電子公司生產(chǎn)的 IC 可以執(zhí)行優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換所需的最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT），并繞過電子設(shè)備以防止暫時不生產(chǎn)的模塊破壞有源電池的輸出。

　　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超過 1 千瓦的電力。今天的太陽能電池可以將大部分能量轉(zhuǎn)化為電能。在實(shí)驗(yàn)室條件下測試的硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率接近 25%。然而，這些電池還沒有進(jìn)入生產(chǎn)光伏 （PV） 面板，即使他們做到了，也存在降低整個光伏系統(tǒng)效率的其他問題。

　　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)Σ粩嘧兓奶鞖鈼l件做出反應(yīng)，以確保光伏電池和模塊盡可能接近其峰值運(yùn)行。每個太陽能電池都有一個特征電流-電壓 （IV） 曲線，該曲線反映了它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)生高電壓但非常低的電流。隨著光照水平的升高，電壓會略微下降，但電流會急劇增加，直到接近峰值水平。隨著模塊升溫，模塊的輸出電壓會下降，從而降低其整體能量輸出。因此，即使在陽光強(qiáng)烈的時期，當(dāng)它們應(yīng)該處于峰值效率時，如果電子電路不對此進(jìn)行補(bǔ)償，光伏面板也會遭受轉(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發(fā)熱的組件，從而將輸出電壓保持在高水平。更重要的是考慮到不斷變化的條件的架構(gòu)，以確保電池和模塊在當(dāng)前條件下以峰值電位運(yùn)行。局部陰影將顯著降低陰影電池的輸出，對包含它們的模塊產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，如果管理不善，可能會完成光伏裝置或領(lǐng)域。根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測試，陰影落在太陽能裝置面積不到 3% 的地方會使其輸出效率降低 15% 以上。如果一個細(xì)胞不產(chǎn)生能量，它的電阻會上升，它會開始消耗其他電池提供給它的電流，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ谴?lián)的。結(jié)果是熱量積聚。這種熱點(diǎn)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。

　　在典型的安裝中，多組光伏面板串聯(lián)起來形成光伏串。每個串與其他串并聯(lián)，然后連接到逆變器，使產(chǎn)生的電力適應(yīng)公共電網(wǎng)的特性。在每個串中，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(hù)每個面板。這些二極管保證面板保護(hù)和整個系統(tǒng)的功能，以防面板損壞或被遮蔽。由于串上的電壓較低，通常由串的一部分上的陰影引起，阻塞或截止二極管保護(hù)每個串免受來自其他串的電流回流。

　　圖 1：使用單串的基本太陽能裝置的架構(gòu)。

　　旁路二極管應(yīng)具有低正向偏置電壓降，以允許來自上游面板的電流輕松流向逆變器，逆變器將能量轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)兼容的電力。為了防止熱量積聚和能量損失，非常低的正向電壓降至關(guān)重要。LX2400太陽能旁路設(shè)備使用Microsemi 的CoolRUN技術(shù)來減少導(dǎo)致正向壓降的電阻，從而最大限度地減少熱量產(chǎn)生。LX2400 在 10 A 時的壓降僅為 50 mW，而如此大電流的溫升僅為 10°C，從而防止了生產(chǎn)模塊附近效率降低的熱量增加。意法半導(dǎo)體

　　還具有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，旨在通過使用功率 MOSFET 與電容器一起工作以提供類似于肖特基二極管的旁路整流，但具有更低的壓降和反向漏電流，從而實(shí)現(xiàn)低溫運(yùn)行。MOSFET 在其關(guān)斷期間為電容器充電，然后在其導(dǎo)通期間通過存儲在電容器中的電荷被驅(qū)動。導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間按比例調(diào)整以降低漏極和源極端子的平均電壓降，從而降低功耗。

　　太陽能陣列或場的其余關(guān)鍵組件是逆變器部分，它產(chǎn)生與電網(wǎng)兼容的電力。逆變器是復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包含三個功能：DC/DC 轉(zhuǎn)換、DC/AC 轉(zhuǎn)換和防孤島控制。

　　防孤島控制是一種安全控制，可在電網(wǎng)級電源故障期間強(qiáng)制系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連接，防止逆變器繼續(xù)向電網(wǎng)的小部分或“孤島”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，如果沒有與之同步的電網(wǎng)信號，逆變器的功率輸出可能會偏離客戶設(shè)備在島上運(yùn)行的范圍。

　　逆變器需要根據(jù)太陽能電池陣列所經(jīng)歷的條件進(jìn)行調(diào)整，這通常使用最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 來實(shí)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(fù)載提供必要的電阻，以實(shí)現(xiàn)高效的能量收集。

　　圖 2：通過使用獨(dú)立的 DC/DC 轉(zhuǎn)換和 MPPT，太陽能裝置可以對不斷變化的環(huán)境條件做出更適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

　　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，但存在將單個電源點(diǎn)應(yīng)用于陣列中可能遇到不同操作條件的模塊的問題。如果一個模塊在云從其視角穿過太陽時被部分遮蔽，則它將與其他完全照亮的模塊具有不同的功率點(diǎn)。盡管被遮蔽，但不保證繞過可能仍然有效。單個模塊上的污垢堆積會導(dǎo)致功率點(diǎn)隨時間發(fā)生變化，這也無法通過通用 MPPT 控制器反映出來。一種替代方法是通過使用多個并聯(lián)的串來拆分陣列，每個串為不同的逆變器前端供電。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)，

　　有多種方法可以在任何給定時間確定最佳功率點(diǎn)，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。一種常用的技術(shù)是擾動和觀察。使用這種技術(shù)，電壓或電流會發(fā)生變化，并會記錄功率輸出的變化。如果輸出增加，則擾動向正確的方向移動。如果不是，下一個擾動將是相反的方向。通常，DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用的工作電壓會在 MPP 附近振蕩。STMicroelectronics的SPV1020采用擾動觀察算法。

　　另一種選擇是增量電導(dǎo)，它依賴于 MPP 處功率曲線導(dǎo)數(shù)與電壓的關(guān)系為零，左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù)。實(shí)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(jìn)行比較。在 MPP 處，ΔI/ΔV = -I/V。在 MPP 的左側(cè)，ΔI/ΔV 大于 -I/V，在 MPP 的右側(cè)小于 -I/V。

　　圖 3：典型太陽能電池的電流和功率與電壓的關(guān)系圖，顯示了最大功率點(diǎn)和電池的電流曲線。

　　增量電導(dǎo)通常可以更好地指導(dǎo)最大功率點(diǎn)移動的方向，并且比擾動觀察產(chǎn)生的振蕩更少，但計算量更大。然而，像Microchip Technology PIC16F1503這樣的微控制器很容易使用增量電導(dǎo)對光伏模塊執(zhí)行必要的計算，并且包括一個數(shù)控振蕩器 （NCO） 外圍單元，可以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：擾動和擾動算法移動工作點(diǎn)以包圍最大功率點(diǎn)。

　　由于光伏模塊的電壓輸出會隨環(huán)境條件而顯著變化，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。一種可能性是使用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，將高中間直流電壓提供給并網(wǎng)逆變器。SPV1020 采用四相交錯升壓拓?fù)?，使其能夠在連續(xù)或非連續(xù)模式下運(yùn)行。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)斷相。啟動過程中一般使用突發(fā)模式，以避免電壓振蕩，并且在啟動過程中逐漸激活每個相位。

　　升壓拓?fù)涞奶娲桨甘墙祲?升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，這樣模塊的電壓可以在中間電壓附近移動；當(dāng)模塊以接近最佳的水平轉(zhuǎn)換能量時，可以利用這一點(diǎn)來支持高效運(yùn)行。由評估板

　　支持 的Texas Instruments Solar Magic SM72442 MPPT 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制器提供直接連接選項(xiàng)，當(dāng)面板輸入電壓和所需輸出電壓彼此相差在 ±2% 范圍內(nèi)時，幾乎無損運(yùn)行。 這允許 DC/DC 轉(zhuǎn)換器暫時關(guān)閉。在此范圍的任一側(cè)，控制器都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。該器件使用的 MPPT 算法通?？稍诎俜种幻雰?nèi)提供收斂，同時監(jiān)控輸入電流和電壓。

　　隨著太陽能行業(yè)的不斷擴(kuò)展，預(yù)計將出現(xiàn)更多提供 MPPT 和功率控制的解決方案，尤其是當(dāng)注意力轉(zhuǎn)向提供每個模塊效率調(diào)整的更復(fù)雜的架構(gòu)時。這些解決方案將包括特定設(shè)備和更通用的產(chǎn)品，允許實(shí)施者調(diào)整其 MPPT 和功率轉(zhuǎn)換算法。