優(you)(you)化(hua)太(tai)陽能發電(dian)系統(tong)(tong)是每(mei)個(ge)(ge)光伏(fu)EPC工程商(shang)都關心的(de)(de)問題，優(you)(you)化(hua)系統(tong)(tong)首先就先優(you)(you)化(hua)光伏(fu)組(zu)件(jian)(jian)(jian)上的(de)(de)微(wei)型逆(ni)變器，因為(wei)每(mei)塊光伏(fu)組(zu)件(jian)(jian)(jian)配備的(de)(de)單(dan)獨微(wei)型逆(ni)變器使(shi)得(de)系統(tong)(tong)能夠(gou)適應不(bu)斷變化(hua)的(de)(de)負荷及不(bu)同的(de)(de)天(tian)氣條件(jian)(jian)(jian)，進而為(wei)單(dan)塊組(zu)件(jian)(jian)(jian)乃至整個(ge)(ge)系統(tong)(tong)提供最佳的(de)(de)緩緩效(xiao)率。

微型逆變器還可以(yi)(yi)簡(jian)化(hua)布線(xian)，也(ye)是說(shuo)可以(yi)(yi)有著更(geng)低的(de)(de)安裝(zhuang)成(cheng)本。優化(hua)的(de)(de)最終目的(de)(de)是將(jiang)太陽(yang)能發電系統變得更(geng)有效(xiao)率(lv)，整個系統收回投資的(de)(de)時間達到更(geng)短。 

太陽能發電系(xi)統(tong)

電(dian)(dian)源逆變器是太(tai)陽能發電(dian)(dian)系統(tong)的關鍵電(dian)(dian)子組件(jian)。在(zai)商業(ye)應用中，這些組件(jian)連接光(guang)伏（PV）面板、儲存電(dian)(dian)能的電(dian)(dian)池以及本地電(dian)(dian)力(li)分(fen)配系統(tong)或公用事業(ye)電(dian)(dian)網(wang)。 

在一個(ge)典型的太(tai)陽(yang)能采集系統中，多個(ge)太(tai)陽(yang)能板并聯到(dao)一個(ge)逆變器，該逆變器將(jiang)來(lai)自(zi)多個(ge)光伏(fu)電池的可變直流(liu)輸出轉換成干凈(jing)的50Hz 或(huo)60Hz 正弦波逆變電源。

設計的主要(yao)目標是盡可(ke)能提高轉換效(xiao)率。這(zhe)是一(yi)個復雜且需(xu)反復的過程，它涉及(ji)最(zui)大功率點跟蹤算法（MPPT）以及(ji)執行相關算法的實時控制器。

1.最大化電源轉換(huan)效率

未采(cai)用MPPT 算法的(de)逆變器簡單地將(jiang)光(guang)伏模塊(kuai)與(yu)電(dian)(dian)池直(zhi)接連接起來(lai)，迫使光(guang)伏模塊(kuai)工作在電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓。幾(ji)乎(hu)無一(yi)例(li)外的(de)是(shi)，電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓不是(shi)采(cai)集最(zui)多可用太陽能的(de)理想(xiang)值。

實線表示的是(shi)電壓與電流(liu)（PV AMPS）之比。

但采用MPPT 算法(fa)后(hou)，情況發(fa)生了根(gen)本變化。在本例中，模塊能實(shi)現最大輸出功率的(de)(de)電壓(ya)是(shi)(shi)17V。因(yin)此，MPPT 算法(fa)的(de)(de)職責是(shi)(shi)使模塊工(gong)作在17V，這樣(yang)一來，無論電池電壓(ya)是(shi)(shi)多少，都能從(cong)模塊獲取全部75W 的(de)(de)功率。

高效DC/DC 電(dian)(dian)源轉換(huan)器將控制器輸(shu)入端的(de)17V 電(dian)(dian)壓(ya)轉換(huan)為輸(shu)出端的(de)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)。由于(yu)DC/DC 轉換(huan)器將電(dian)(dian)壓(ya)從17V 降至12V，本例中，支持MPPT 功能的(de)系統內電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流是：

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

假(jia)設DC/DC 轉(zhuan)換器的轉(zhuan)換效率是100％，則充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流將增加1.85A（或42％）。

雖然本例假設逆變器處理的(de)(de)是(shi)來自單個(ge)太(tai)陽(yang)能(neng)面(mian)板的(de)(de)能(neng)量，但傳統(tong)(tong)系統(tong)(tong)通常是(shi)一(yi)個(ge)逆變器連接多個(ge)面(mian)板。取決于應用的(de)(de)不同，這種拓撲既有優(you)點又有缺點。

2.MPPT 算法

主要有三種(zhong)類型的MPPT 算法(fa)(fa)：擾動-觀察法(fa)(fa)、電導增量(liang)法(fa)(fa)和恒定電壓法(fa)(fa)。前(qian)兩種(zhong)方法(fa)(fa)通(tong)常稱為“爬山(shan)”法(fa)(fa)，因為它們基于如下事實：

在(zai)MPP 的左側，曲(qu)線呈上升趨勢（dP/dV》0），而在(zai)MPP 右側，曲(qu)線下降（dP/dV 《0）。

擾動-觀察(cha)（P＆O）法是最常用的。該算(suan)法按給定方向擾動工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)并采樣dP/dV。如果dP/dV 為(wei)正，算(suan)法就“明白”它(ta)剛才是在朝著MPP調(diao)整(zheng)電(dian)壓(ya)(ya)。然后，它(ta)將一直朝這個方向調(diao)整(zheng)電(dian)壓(ya)(ya)，直到dP/dV 變負。

P＆O 算(suan)法很容易實現，但在(zai)穩態運行中，它們有時會在(zai)MPP 附近(jin)產生振(zhen)蕩。而且(qie)它們的(de)響(xiang)應速度也慢，甚至在(zai)迅速變(bian)化的(de)氣候條件下還(huan)有可能把方向搞反。

電(dian)導(dao)(dao)增(zeng)量(liang)（INC）法使用光伏陣(zhen)列(lie)的電(dian)導(dao)(dao)增(zeng)量(liang)dI/dV 來計(ji)算(suan)(suan)dP/dV的正(zheng)負(fu)。INC 能(neng)比P＆O 更準確地跟(gen)蹤(zong)迅速變(bian)化的光輻照狀(zhuang)況。但與P&O 一樣(yang)，它也(ye)可能(neng)產生(sheng)振(zhen)蕩并被迅速變(bian)化的大氣條件所“蒙騙”。其(qi)另一個缺點是，增(zeng)加(jia)的復雜性會延(yan)長計(ji)算(suan)(suan)時(shi)間(jian)并降低(di)采樣(yang)頻率。

第三種方法(fa)“ 恒壓法(fa)” 則基于如下事(shi)實(shi)： 一般來說，VMPP/VOC0.76。該方法(fa)的(de)問題來源于它需要瞬(shun)間把光伏(fu)陣(zhen)列(lie)的(de)電流(liu)調為0 以測量(liang)陣(zhen)列(lie)的(de)開路電壓。然后，再將陣(zhen)列(lie)的(de)工作電壓設置為該測定(ding)值的(de)76％。但在陣(zhen)列(lie)斷(duan)開期間，可(ke)用能量(liang)被浪(lang)費掉了。人們還發現，雖然開路電壓的(de)76％是個很(hen)好的(de)近似值，但也并非總是與(yu)MPP 一致(zhi)。

由于沒有(you)一個MPPT 算(suan)(suan)(suan)法(fa)可以成功地滿(man)足所有(you)常見的使用(yong)環境要求，許多設計工程(cheng)師會(hui)讓系(xi)統先*估環境條件再(zai)選擇最(zui)適合當時(shi)環境條件的算(suan)(suan)(suan)法(fa)。事實上，有(you)許多MPPT 算(suan)(suan)(suan)法(fa)可用(yong)，太陽能面(mian)板制造(zao)商(shang)提供他們自己算(suan)(suan)(suan)法(fa)的情況也(ye)屢(lv)見不鮮。

對廉價控(kong)制器來說，除了MCU 本份的(de)正常控(kong)制功能外，執(zhi)行MPPT 算法(fa)絕(jue)非易事，該算法(fa)需要(yao)這些控(kong)制器具(ju)有高超的(de)計算能力(li)。

諸如德州(zhou)儀器(qi)C2000 平臺系列的先進32 位實時微(wei)控(kong)制器(qi)就適合(he)于各種太陽能應用(yong)。

太陽能發電設備

3.電源逆(ni)變器

使(shi)用(yong)單個逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)有(you)許多好處，其中(zhong)最突出的(de)是簡單和低(di)成本。采用(yong)MPPT 算法(fa)和其它技術提高了單逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)系統的(de)效率，但這只(zhi)是在一定程度上。根據應用(yong)的(de)不同(tong)，單個逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)拓撲(pu)的(de)缺(que)點會很明(ming)顯。最突出的(de)是可靠性(xing)問題(ti)：只(zhi)要這個逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)發生故障，那么在該逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)被修(xiu)好或更換前，所(suo)有(you)面板產生的(de)能量(liang)都(dou)浪費掉了。

即使(shi)逆(ni)變器工(gong)作正常，單逆(ni)變器拓(tuo)撲也可能對系統效率產生負面(mian)影響。在大多數情況下(xia)，為達到最高(gao)效率，每個太陽能電(dian)池板(ban)都有不(bu)同的(de)(de)控制要(yao)求。決(jue)定各面(mian)板(ban)效率的(de)(de)因素有：面(mian)板(ban)內所含光伏電(dian)池組件的(de)(de)制造差(cha)異(yi)、不(bu)同的(de)(de)環境溫度(du)、陰影和方(fang)位造成的(de)(de)不(bu)同光照強度(du)（接收到的(de)(de)太陽原始能量）。

與整個(ge)(ge)系統(tong)使用一(yi)個(ge)(ge)逆(ni)變器相(xiang)比(bi)，為系統(tong)內每個(ge)(ge)太陽能電池板都配備一(yi)個(ge)(ge)微型(xing)逆(ni)變器會再次(ci)提(ti)升整個(ge)(ge)系統(tong)的轉換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)。微型(xing)逆(ni)變器拓撲的主要好處是，即便其中(zhong)一(yi)個(ge)(ge)逆(ni)變器出現故障，能量轉換(huan)(huan)仍能進行。

采用微(wei)型逆變(bian)器的(de)其它好(hao)處包(bao)括能夠利用高分(fen)辨(bian)率PWM 調整每個(ge)太陽能板(ban)的(de)轉(zhuan)換(huan)參數。由于云朵、陰(yin)影和背陰(yin)會改變(bian)每個(ge)面(mian)板(ban)的(de)輸出，為每個(ge)面(mian)板(ban)配備獨(du)有(you)的(de)微(wei)型逆變(bian)器就允許系統(tong)適應不(bu)斷變(bian)化的(de)負(fu)載情況(kuang)。這(zhe)為各面(mian)板(ban)及(ji)整個(ge)系統(tong)都提(ti)供了最佳轉(zhuan)換(huan)效率。

微型逆變(bian)器(qi)架構要求每個面(mian)板都有一個專用(yong)MCU 來管理能源轉(zhuan)換。不(bu)過(guo)，這些附(fu)加(jia)的(de)MCU 也可被用(yong)來改(gai)善(shan)系統和面(mian)板的(de)監測。

例如，大(da)型的太陽能發電場(chang)就受益于面板間的通(tong)信以(yi)(yi)(yi)幫助保(bao)持(chi)負載平(ping)衡并允(yun)許系統管理員(yuan)事先計劃有多少能量可(ke)用，以(yi)(yi)(yi)及用這(zhe)些能量做什么。不過，為充分(fen)利用系統監(jian)測(ce)的好處，MCU 必須集(ji)成片上通(tong)信外(wai)圍設(she)備（CAN、SPI、UART 等）以(yi)(yi)(yi)便簡化與太陽能陣列(lie)內其它微型逆變(bian)器的接口。

在許多應用中(zhong)，使用微型逆變器拓撲可以顯著提高系(xi)(xi)統(tong)(tong)整體效(xiao)率。在面板級(ji)，效(xiao)率有望提升(sheng)30％。但由(you)于(yu)各應用差異很大，系(xi)(xi)統(tong)(tong)級(ji)改善(shan)的(de)“平均”百分比并沒多大意義。

應(ying)用分析當*估微(wei)型變頻器在具體應(ying)用中的價值(zhi)時，應(ying)從幾個方面考(kao)慮拓撲結(jie)構。

在(zai)(zai)小型應用中(zhong)，各(ge)面(mian)板(ban)有(you)可(ke)能面(mian)臨基本相同的光照(zhao)、溫(wen)度和陰影等條件。因此，微型逆變器在(zai)(zai)提升(sheng)效率方面(mian)作用有(you)限(xian)。

為(wei)使各面(mian)板(ban)工(gong)作(zuo)在(zai)不同電(dian)壓以(yi)獲得最高能效，要求采用DC/DC轉(zhuan)換器(qi)使各面(mian)板(ban)的輸出電(dian)壓統一于儲能蓄電(dian)池的工(gong)作(zuo)電(dian)壓。為(wei)盡可(ke)能降低制造成本(ben)，可(ke)把DC/DC 轉(zhuan)換器(qi)和(he)逆(ni)變器(qi)設計成一個模(mo)塊(kuai)。用于本(ben)地電(dian)源(yuan)線(xian)路或連接配電(dian)網的DC/AC 轉(zhuan)換器(qi)也可(ke)被整(zheng)合進(jin)該模(mo)塊(kuai)。

太(tai)陽能面板必(bi)須(xu)要互相通信，這會增加導線和復(fu)雜性(xing)。這是對在模(mo)塊(kuai)中包含進逆變器、DC/DC 轉(zhuan)換器和太(tai)陽能電池板的另(ling)一個爭論點。

每個逆(ni)變器(qi)的MCU 仍(reng)然(ran)必(bi)須有足(zu)夠能(neng)力來運行多個MPPT 算法(fa)以(yi)適應不同的操作環境。

采用多(duo)個MCU 會加大整體(ti)系(xi)統的材料成本。

每當考(kao)慮改(gai)變架構時都(dou)(dou)會關注其成(cheng)(cheng)本。為滿足系統的價格目(mu)標，為每個面(mian)板都(dou)(dou)配備一個控(kong)制(zhi)器(qi)意(yi)味著(zhu)該控(kong)制(zhi)器(qi)的成(cheng)(cheng)本必須要有(you)競爭(zheng)力、外形較小，但仍(reng)能同時處理所(suo)有(you)的控(kong)制(zhi)、通(tong)信和計算(suan)任(ren)務。

片(pian)上集成恰當的(de)控(kong)制外設(she)以及高模(mo)擬集成度是保證(zheng)系(xi)統(tong)低成本的(de)兩個基本要素。為執行針(zhen)對(dui)優化轉換、系(xi)統(tong)監控(kong)和(he)能量存(cun)儲各環節中的(de)效率所開(kai)發出的(de)算(suan)法，高性能也是必需的(de)。

使用(yong)(yong)除可(ke)滿足微(wei)型逆變器(qi)本身要(yao)求之外，還可(ke)處理包括AC/DC轉(zhuan)換、DC/DC 轉(zhuan)換以(yi)及面(mian)板(ban)間(jian)通訊等整個(ge)系統大部分要(yao)求的MCU，可(ke)以(yi)減少因使用(yong)(yong)多個(ge)MCU 所導致(zhi)的成本增(zeng)加。

4.MCU 特性

仔細(xi)權衡(heng)這(zhe)些高層次(ci)要求是確定(ding)MCU 需要哪些功能(neng)的最(zui)好方法。例如，當并(bing)聯面(mian)板(ban)時需要負(fu)載平(ping)衡(heng)控制。所選MCU 必須能(neng)檢測負(fu)載電(dian)流以及(ji)能(neng)通過開/關(guan)輸出(chu)MOSFET 升(sheng)高或降低輸出(chu)電(dian)壓。這(zhe)需要一(yi)個高速片(pian)上ADC 來采樣(yang)電(dian)壓和(he)電(dian)流。

微型逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)設計沒有(you)“一成(cheng)不變(bian)”的(de)模式(shi)。這(zhe)意(yi)味著設計者必須有(you)能(neng)(neng)力和(he)創新精(jing)神采用新技巧、新技術，特別(bie)是在面板間和(he)系統(tong)間的(de)通信(xin)方面。最合適(shi)的(de)MCU 應支持各種協(xie)議，包括一些平常不會想(xiang)到(dao)的(de)如電力線(xian)通訊（PLC）和(he)控制器(qi)(qi)局域網（CAN）等。特別(bie)是電力線(xian)通訊，因不再(zai)需(xu)專(zhuan)門的(de)通信(xin)線(xian)路，所(suo)以可降低系統(tong)成(cheng)本。但這(zhe)需(xu)要MCU 內置高性能(neng)(neng)PWM、高速ADC 和(he)高性能(neng)(neng)CPU。

對(dui)于(yu)針對(dui)太陽能逆變器應用(yong)所設計的(de)MCU，一(yi)個意想(xiang)不到但極具(ju)價值(zhi)的(de)特性(xing)是雙片上振蕩器，它們可用(yong)于(yu)時(shi)(shi)鐘(zhong)故障檢測(ce)以提(ti)高可靠性(xing)。能夠(gou)同時(shi)(shi)運(yun)行兩個系統時(shi)(shi)鐘(zhong)的(de)能力也有助于(yu)減少(shao)太陽能電池板(ban)安裝時(shi)(shi)出現的(de)問題。

由于在太(tai)陽能微(wei)型逆變器設計中凝聚(ju)了如此多的(de)創新，對MCU來說，其最重(zhong)要的(de)特(te)性也許(xu)就是軟件編程能力了。該特(te)性使得在電(dian)(dian)源電(dian)(dian)路設計和(he)控制中擁有最高(gao)的(de)靈活性。

C2000 微(wei)控(kong)制(zhi)器配備了可高效處(chu)理算法運(yun)算的(de)(de)先進數字(zi)運(yun)算處(chu)理內(nei)核(he)以及用于(yu)能(neng)量轉(zhuan)換控(kong)制(zhi)的(de)(de)片上外設集，已廣泛(fan)應用于(yu)傳統的(de)(de)太陽能(neng)電池板逆變器拓撲中(zhong)。新推(tui)出的(de)(de)Piccolo 系列C2000 系列微(wei)控(kong)制(zhi)器是經濟款，該系列的(de)(de)最(zui)小封(feng)裝只(zhi)有38 個(ge)引腳，但其(qi)架構更先進、外設也得到增強，從而(er)可把32 位(wei)實時(shi)控(kong)制(zhi)的(de)(de)好處(chu)帶給要求低總體系統成(cheng)本的(de)(de)微(wei)型逆變器等應用。

此外，Piccolo MCU 系(xi)列的各(ge)款(kuan)產品都集成了(le)兩(liang)個(ge)用于(yu)時鐘比較的片上(shang)10MHz 振蕩器(qi)，以(yi)(yi)及(ji)(ji)帶上(shang)電復位和(he)(he)掉電保護的片上(shang)VREG、多個(ge)高分辨率150ps 的PWM、一個(ge)12 位4.6 兆(zhao)次采(cai)樣(yang)/秒(miao)的ADC以(yi)(yi)及(ji)(ji)I2C（PMBus）、CAN、SPI 和(he)(he)UART 等通信協(xie)議(yi)接口。

5.光(guang)伏電池(chi)的(de)挑戰

基于太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)發電(dian)(dian)系統的缺點之(zhi)一是轉換效(xiao)率(lv)。太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)板能(neng)(neng)(neng)從(cong)每100mm2 的光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)池(chi)獲(huo)取約(yue)1mW 的平(ping)均(jun)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)。典型效(xiao)率(lv)約(yue)為(wei)10％。光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)源的功率(lv)系數(shu)（即在陽(yang)光(guang)(guang)一直(zhi)照射的條件下(xia)，太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)實際產生的平(ping)均(jun)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)與理論上可產生的電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)之(zhi)比(bi)）約(yue)為(wei)15％至20％。

有多(duo)種(zhong)原因導致這一結果，包括陽光本身(shen)的變化，如(ru)夜間完全消失(shi)，以及即使在白天，陰(yin)影和天氣(qi)條件也常(chang)常(chang)導致光照(zhao)減(jian)少。

光電轉(zhuan)換為效(xiao)率計(ji)算(suan)引入了更多(duo)變數，包(bao)括太陽能(neng)電池(chi)(chi)板的(de)(de)溫度及(ji)其理論(lun)峰(feng)值效(xiao)率。對設計(ji)工程(cheng)師來說，另一個問(wen)題是光伏(fu)電池(chi)(chi)產生的(de)(de)電壓(ya)約有(you)0.5V 不規(gui)則變化(hua)。當(dang)選擇能(neng)量(liang)轉(zhuan)換拓撲(pu)時，這種變化(hua)會帶來嚴重(zhong)影響(xiang)。例(li)如，對低(di)效(xiao)的(de)(de)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換技術來說，它有(you)可能(neng)消耗掉所采集到(dao)的(de)(de)很(hen)大一部分光伏(fu)電能(neng)。

為(wei)適應太陽(yang)不是全天24 小時都照射這一事(shi)實(shi)，太陽(yang)能供電(dian)(dian)系(xi)統要包含電(dian)(dian)池(chi)以及(ji)給(gei)電(dian)(dian)池(chi)高效充電(dian)(dian)所需的復雜電(dian)(dian)子器(qi)件。當電(dian)(dian)池(chi)被(bei)集成到(dao)系(xi)統中時，電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)需要額外的DC/DC 轉(zhuan)換電(dian)(dian)路，同時還需要電(dian)(dian)池(chi)管理和監控(kong)。

許多由(you)太陽能(neng)供電(dian)的(de)(de)系統還與電(dian)網對(dui)接，從而要求相位同(tong)步和功率因數校正。還有許多需要復雜控(kong)制的(de)(de)使(shi)用環境。例如，必須內置故障預警(jing)機(ji)制以防范公共(gong)電(dian)網的(de)(de)停掉電(dian)等事(shi)件。這些僅(jin)僅(jin)是設(she)計(ji)工程師必須要考慮的(de)(de)頭等大(da)事(shi)。