離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)設(shè)計中的電源電子解決方案 - 全文

　　光伏太陽能安裝成本的迅速下降使此技術(shù)逐漸成為支持離網(wǎng)應(yīng)用的實際解決方案。美國國家可再生能源實驗室（NREL）在2010年計算的太陽能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價正向每千瓦時15.50美元發(fā)展。這是整個系統(tǒng)的定價，包括太陽能電池、能量存儲設(shè)備以及充電器和逆變器電源電子裝置。

　　從便攜式公路施工標(biāo)志和閃光指示燈，到偏遠的泵站和通信網(wǎng)絡(luò)，離網(wǎng)應(yīng)用看起來有無盡的機遇。成本過高正是此類項目實施的主要障礙，而不斷降低的價格正逐步打破這樣的屏障，使項目的實施變得切實可行。

　　本文將著重介紹電源電子系統(tǒng)，以及在設(shè)計離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)時需要牢記的一些關(guān)鍵機遇和權(quán)衡利弊。在解決大多數(shù)系統(tǒng)級問題時，最簡單的方式通常是從最終應(yīng)用要求開始，然后回過頭來確定和定義整個系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)的規(guī)模。

　　負(fù)載

　　負(fù)載幾乎可以是任何設(shè)備，但離網(wǎng)應(yīng)用之所以離網(wǎng)是有原因的。應(yīng)用可能需要是便攜式的，如施工信息標(biāo)志或簡單的危險報警閃光燈。考慮到其便攜性，將每個負(fù)載都接入電網(wǎng)明顯不可行?；蛘?，也許應(yīng)用位于偏遠地點，如蜂窩通信塔或偏遠泵站。

　　我們首先應(yīng)該確定在開發(fā)離網(wǎng)太陽能解決方案時需要考慮的一些關(guān)鍵因素。圖1給出了高階系統(tǒng)框圖。使用能量平衡方法時，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類型和隨時間表現(xiàn)出的特性。

　　
　　圖1：高階系統(tǒng)框圖

　　首先要確定負(fù)載類型和所有特殊要求。是恒定負(fù)載還是可變負(fù)載？是僅在白天使用還是僅在夜晚使用？是間斷使用還是持續(xù)使用？了解負(fù)載類型及其特性有助于確定系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。例如，施工危險報警閃光器通常是恒定脈動負(fù)載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應(yīng)該在白天對這些負(fù)載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運行這些負(fù)載。信息標(biāo)志可能是脈動負(fù)載，但在白天和夜晚都需要運行。在這種情況下，系統(tǒng)需要確定為在白天支持恒定負(fù)載運行，同時對電池組充電以支持整晚連續(xù)運行。同樣，泵負(fù)載需要日夜工作，而且不一定是恒定負(fù)載。這里，系統(tǒng)需要能應(yīng)對最壞情況，或者需要備用系統(tǒng)來解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網(wǎng)太陽能應(yīng)用，因為下雨時沒有多少陽光可對電池充電。很明顯，能采用的負(fù)載類型幾乎無窮無盡，圖2僅列舉了上面討論過的一些負(fù)載類型。

　　
　　圖2：常見負(fù)載類型

　　在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關(guān)鍵是了解平均日負(fù)載。當(dāng)充分了解負(fù)載和工作條件之后，指定能量存儲要求就變得簡單直接了。

　　確定能量存儲的規(guī)模

　　由于太陽每天都升起和落下，我們可以通過簡單的24小時能量平衡法來計算基本的能量存儲要求。注意圖3，圖中標(biāo)識了工作情況。很明顯，確定能量存儲的規(guī)模時必須支持圖左側(cè)的情況。

　　
　　圖3：工作狀態(tài)

　　負(fù)載可能有明確的量，如若干個施工危險報警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應(yīng)用。處理變化的負(fù)載時，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正?！鼻闆r，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲組件應(yīng)該在白天充電，其容量應(yīng)設(shè)定為足以在其余的夜晚時間驅(qū)動負(fù)載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過百分之95的情況（即，泵在黃昏開始工作，然后整夜?jié)M載運行）。

　　下面的公式通過將未進行充電的時間段內(nèi)的每小時最大負(fù)載功率合并在一起，來捕獲最壞情況的能量存儲要求。

　　 　　還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無太陽光時，電池組尚未完全充電?？紤]的重點是故障成本（即不閃光或不抽吸）。如果泵不抽吸，成本可能非常可觀。最顯而易見的解決辦法是增加能量存儲組件的容量。但是，總會有更壞的情況。在不容許出現(xiàn)故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個備用系統(tǒng)（如柴油發(fā)電機）并將系統(tǒng)其余部分的規(guī)模調(diào)整為僅適用于正常情況是最合理的。

　　圖3的左側(cè)用于確定能量存儲要求，圖3的右側(cè)用于確定太陽能陣列的規(guī)模。

　　確定太陽能陣列的規(guī)模

　　更好地了解負(fù)載要求后，我們可以確定太陽能陣列的規(guī)模。根據(jù)圖3，太陽能陣列的規(guī)模必須設(shè)定為在規(guī)定的充電時間內(nèi)使充電量滿足能量存儲要求，同時在該時間段內(nèi)支持平均負(fù)載輸出。下面的公式標(biāo)識了此高階關(guān)系。

　　太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲容量/充電時間+平均負(fù)載功率

　　我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進行精確的調(diào)整，還需了解一些內(nèi)在和外在因素。從外部因素角度來看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應(yīng)用的地點，尤其是緯度。僅憑這一點就可以預(yù)計太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應(yīng)用地點相對于太陽的位置就可以預(yù)計太陽照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素（包括云層覆蓋和環(huán)境溫度）也可能對系統(tǒng)預(yù)計接收的陽光照射量以及能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。應(yīng)該清楚這些外部因素將隨著應(yīng)用和地點的不同而發(fā)生變化。

　　此外，系統(tǒng)架構(gòu)（尤其是設(shè)備的連接方式）等內(nèi)部因素也會影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲和太陽能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計算需要產(chǎn)生的功率，需要考慮電源電子裝置。

　　電源電子裝置拓?fù)?/p>

　　盡管圖1中的系統(tǒng)框圖有助于了解能量平衡，但要考慮影響組件尺寸的內(nèi)部因素，還需要更多細節(jié)。圖4更詳細地描述了系統(tǒng)實現(xiàn)。它也提出了會影響電源電子裝置策略的問題。

　　基于單片機的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應(yīng)用中使用標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計，同時仍然可以滿足應(yīng)用特定的需求并實現(xiàn)高級功能。它不僅可支持基本電源轉(zhuǎn)換，還在選擇核心組件方面提供了靈活性，支持各種工作條件下的變化并實現(xiàn)優(yōu)化。此外，還可以輕松實現(xiàn)通信和診斷等高級功能。專用的分立式電源轉(zhuǎn)換器則無法實現(xiàn)這一點。

　　在此實現(xiàn)方案中，最大的問題來自于負(fù)載；關(guān)鍵問題是負(fù)載的性質(zhì)是什幺，以及“負(fù)載控制”需要是什幺樣子的？需要電壓還是電流？電壓或電流設(shè)定值需要精確到什幺程度？負(fù)載控制可能像繼電器一樣簡單，也可能像3相逆變器一樣復(fù)雜。不管怎樣，它都需要充電器功能（即電源電子裝置），使用太陽能為能量存儲設(shè)備充電。而且，如果系統(tǒng)允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤（MPPT）功能。

　　
　　圖4：詳細的系統(tǒng)架構(gòu)總覽

　　可能首先要做出的決策之一是應(yīng)該使用公共電源軌架構(gòu)還是分布式電源軌架構(gòu)。圖5展示了兩者的差別，負(fù)載特性很可能對選擇起決定作用。如果負(fù)載需要恒定電壓，則圖5a中顯示的公共軌可能是最佳選擇。在這種情況下，負(fù)載控制器是一個簡單的繼電器或固態(tài)開關(guān)。太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器使公共軌保持在電壓設(shè)定值，電池充電器從母線汲取電力為能量存儲設(shè)備充電。這種方法的優(yōu)點和缺點均在于功率轉(zhuǎn)換步驟?？紤]到85%的平均功率轉(zhuǎn)換效率，這意味著每次轉(zhuǎn)換有15%的損失。如果太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器能夠支持負(fù)載，那幺僅需要一個電源轉(zhuǎn)換步驟。但要給電池充電，則需要兩個電源轉(zhuǎn)換步驟（太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器），外加一次額外的轉(zhuǎn)換（雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到公共軌）才能支持負(fù)載。

　　如果僅在太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器不工作時（即夜晚）使用負(fù)載，則也可以使用公共軌。在這種情況下，可去掉太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器，并且可使用能量存儲設(shè)備上的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器通過太陽能陣列為電池充電；也可以使用替代方案為負(fù)載供電。此時，能量僅需要經(jīng)過兩個電源轉(zhuǎn)換步驟（太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器到雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器，以及雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器到負(fù)載）。

　　圖6中的分布式架構(gòu)更靈活，可支持不斷變化的負(fù)載需求。在這種情況下，可使用太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器支持能量存儲軌（即充電），直流/直流轉(zhuǎn)換器可支持負(fù)載需求。這種方法的缺點是始終有兩次電源轉(zhuǎn)換。但總的來說，如果預(yù)計太陽能陣列和負(fù)載同時工作，則這是最優(yōu)的解決方案。

　　圖5：電源軌架構(gòu)

　　簡單示例

　　在從高階角度查看電源結(jié)構(gòu)后，我們現(xiàn)在來看一個簡單的低功耗示例。設(shè)想一個可經(jīng)常在施工桶或混凝土護欄頂部看到的“施工區(qū)危險報警閃光燈”。從高階角度看，報警閃光燈僅在夜晚工作，電池將在所有其它時間充電。這種特性允許我們使用公共母線架構(gòu)，因為報警閃光燈或者在充電，或者在閃爍，兩種操作不會同時進行。我們可以將太陽能直流/直流轉(zhuǎn)換器、雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器和負(fù)載控制合并成一個單獨的雙向轉(zhuǎn)換器來進一步簡化拓?fù)?。圖6給出了建議的電路設(shè)計。

　　
　　圖6：建議的電路圖

　　建議的電路設(shè)計采用Microchip的PIC16F690單片機和兩個MCP1630模擬PWM控制器來驅(qū)動雙向反激式轉(zhuǎn)換器。在白天，此配置使用太陽能作為輸入并對電池充電。在夜晚，由于在太陽能陣列上檢測到的能量低到可忽略不計，轉(zhuǎn)換器開始按照編程的“閃爍”模式為LED燈供電。表1列出了這些假設(shè)和計算結(jié)果。

　　表1：應(yīng)用假設(shè)和結(jié)果

　　結(jié)論

　　分布式應(yīng)用將繼續(xù)利用太陽能安裝成本不斷降低這一趨勢。最終應(yīng)用需求將對系統(tǒng)拓?fù)淦饹Q定作用并突出關(guān)鍵的性能權(quán)衡問題。基于單片機的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)在支持各種最終應(yīng)用以及支持光伏太陽能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展方面具有極大的靈活性。這種靈活性意味著當(dāng)前的設(shè)計在未來仍有可用性。