利用微型逆变器优化太阳能系统的设计

        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/VOC≈0.76。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评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。

        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

        当评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。

        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。