太阳能逆变器设计案例

关键词： dsp , TI , 太阳能逆变器

对于那些能源无法自给的国家，太阳能和其他替代能源拥有无可争议的优势，可帮助他们达到减少化石燃料消耗和实现能源独立的目的。用替代能源系统取代化石燃料能源，将对全球经济和人类生活产生重大影响。但问题是，用替代能源发电的成本要与化石燃料发电的成本相近或更少，这样才能真正减少原油的消耗。

       在开发太阳能技术的过程中，人们把大部分注意力都放在了如何提高光电池的效率上。但另一个不能忽略的重要问题是，如何设计将电池产生的直流电转换成交流电的电路。为了在成本上与燃烧媒、石油等化石燃料的发电方式相竞争，设计师为提高逆变器每一个百分点的效率的努力都是非常重要的。

        一些太阳能转换系统制造商把逆变器的转换效率从92%提高到了96%，这样他们在市场上成功的机会就会大增。有一种办法是设计没有变压器的DC/DC转换器。在转换系统中，由变压器导致的能量损失大约是2%～3%。因此就要使用更高电压的晶体管，这种晶体管已经可以在市场上买到了。
逆变器的设计

        在基于光电流的系统中，电源逆变器控制着太阳能板和电池，以及负载之间的电流，将太阳能板输出的变化幅度很大的直流电压转换成干净的50Hz或60Hz的正弦电流，输出给负载或回馈到电网中去。图1显示了逆变器在太阳能发电中的重要作用。

2012-2-25 13:31:03 上传

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图1  逆变器在提高太阳能转换效率的过程中发挥着重要作用

        由于太阳能板的输出电压是变化的，要保持发电时尽可能的高效率是非常复杂的。完成这项任务的关键是检测最大功率点(maximum power point，MPP)。图2显示了最大功率点是如何随天气和电压而变的。

2012-2-25 13:31:03 上传

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图2  太阳能电池的输出电压随电压和天气而变

        MPP跟踪技术可用来探测MPP，并调整DC/DC的输出电压转换，以使输出最大化。MPP跟踪可以使太阳能电池系统在冬天的整体效率提高1/3或更多，而这时也正是电力需求最高的时候。

        控制器确定MPP的最常用算法是干扰电池板的工作电压，并检测输出。算法要在MPP点周围留出一个足够大的振荡范围，避免当天空掠过云彩时控制器对本地电源发出错误的扰动。
电池的算法

        扰动和检测算法的效率并不高，这是由于在每个周期内输出点都会偏离MPP。可以采用增量感应算法做为替代，这种方法可以很好地解决由于振荡导致的低效率，但又会设定一个本地峰值而不是真实的MPP，从而引发其他问题。将这两种算法结合起来，可以保持增量感应算法的高效率，同时又可以以一定间隔在很大范围内扫描，避免选择本地的峰值。

        显然，这会给控制逆变器的控制器带来很大的计算负荷，控制器必须满足一些实时处理的挑战。
        现在的数字信号控制器可以提供实时控制算法所需的高速运算能力。A/D转换器、PWM等集成外设使控制器可以直接检测输入信号，控制功率MOSFET，片上的flash闪存可用于编程和数据存储，通信端口简化了电能表和其他逆变器的组网过程。

         在太阳能逆变器中的DSP控制器的高效率已经得到证实，可以把转换过程中的能量损失减少最多50%。National Renewable Energy Laboratory对分布式电源技术LLC的研究表明，基于DSP的逆变器可以将1个10kW逆变器的制造和人工成本减少56%，同时还减少了逆变器的尺寸和重量。

        德州仪器公司的TMS320F28x数字信号控制器就是一个非常好的例子，它的性能高达150MIPS，可以用1个DSP控制逆变器中的多个转换级，而且还有富裕的处理能力，可用来执行MPP跟踪算法、电池充电监控、浪涌保护、记录数据和通信等额外的功能。图3显示了TMS320F28x控制多个转换级的框图。