可提供MPPT和功率控制的太阳能解决方案

监控是解锁太阳能电池能源生产的关键。通过使用在太阳能环境不断变化时承担恒定能量产生的电路架构，很容易失去效率。

当太阳能电池组件升温或接收更多光时，电流 - 电压特性的变化可能是太阳能电池阵列效率损失的重要来源。如果产生电网兼容电力的逆变器没有调到输出电压和电流条件，那么它将浪费更多的电力。作为回应，电子公司生产的IC能够执行优化能量转换所需的最大功率点跟踪（MPPT）以及旁路电子设备，以防止暂时无效的模块破坏活动单元的输出。

在晴朗的日子靠近赤道，来自太阳的能量意味着一平方米的地球表面接收的功率超过1千瓦。今天的太阳能电池可以将大部分能源转化为电能。在实验室条件下测试的硅基太阳能电池已实现接近25％的转换效率。然而，这些电池尚未成为生产光伏（PV）面板，即使它们确实存在其它问题，也会降低整个光伏系统的效率。

太阳能电池背后的电子控制装置是利用太阳能电池原始效率的关键。控制系统需要能够对变化的天气条件作出反应，以确保PV电池和模块尽可能接近其峰值运行。每个太阳能电池具有特征电流 - 电压（IV）曲线，其反映其对温度和入射光水平的响应。

装在光伏模块中的电池可能会在单调的冬日产生高电压但电流非常低。随着光照水平的上升，电压会略有下降，但电流会急剧增加，直至达到峰值水平。随着模块升温，模块的输出电压将下降，从而降低其整体能量输出。结果，即使在强烈的阳光照射期间它们应该达到峰值效率时，如果电子电路不能补偿这一点，PV板也会遭受转换效率的显着下降。

高效率的部分秘诀在于使用可最大限度减少热量产生的组件，从而使输出电压保持在较高水平。更重要的是一种考虑到条件变化的架构，以确保电池和模块在当前条件下的峰值电位下运行。局部着色将显着降低阴影单元的输出，对包含它们的模块产生连锁效应，如果不能有效管理，可能会完成PV安装或字段。根据美国国家可再生能源实验室进行的测试，遮阳落在太阳能装置面积不到3％的地方可能会使其输出效率降低15％以上。如果一个电池没有产生能量，它的电阻会上升并开始消耗其他电池输入的电流，因为它们通常串联连接。结果是积聚了热量。这种热点产生会随着时间的推移损坏电池，并降低整个太阳能电池阵列的输出能量。

在典型安装中，PV面板组串联连接以形成PV串。每根串并联连接到其他串，然后连接到逆变器，逆变器使产生的功率适应公共电网的特性。在每个串内，旁路二极管通过为其他面板产生的电流提供替代路径来保护每个面板。这些二极管可确保面板保护和整个系统功能，以防损坏或遮挡面板。阻断或截止二极管保护每个串免受来自其他串的电流回流的影响，这是由于串上的电压较低，通常是由于串的一部分上的阴影引起的。

图1：使用单个字符串的基本太阳能装置的架构。

旁路二极管应具有低正向偏压降，以允许来自上游面板的电流在通往逆变器的途中轻松流动，从而将能量转换为电网兼容电力。为了防止热量积聚和能量损失，非常低的正向压降是至关重要的。 LX2400太阳能旁路设备采用Microsemi的CoolRUN技术来降低导致正向压降的电阻，从而最大限度地减少热量产生。 LU2400在10 A时的电压降仅为50 mW，这种高电流的温升仅为10°C，从而防止生产模块附近的效率降低热量增加。

STMicroelectronics还有一个SPV1001形式的太阳能旁路二极管。它是一种系统级封装解决方案，设计用于冷却操作，通过使用功率MOSFET与电容器结合工作，提供类似于肖特基二极管的旁路整流，但具有较低的压降和反向漏电流。 MOSFET在其关断期间对电容器充电，然后在其导通期间通过存储在电容器中的电荷驱动。延长导通时间和关断时间，以降低漏极和源极端子之间的平均压降，从而降低功耗。

太阳能电池阵列或现场的其余关键部件是逆变器部分，它可以产生与电网兼容的电力。逆变器是复杂的系统，通常包括三个功能：DC/DC转换，DC/AC转换和反岛控制。

反岛控制是一种安全控制，在电网电力故障期间迫使系统与电网断开，防止逆变器继续向电网的小部分或“岛”供电。如果岛屿通电，试图修复系统的工人将面临风险。另一个问题是，如果没有用于同步的电网信号，逆变器的功率输出可能偏离客户设备在岛内操作的范围。

逆变器需要调整到太阳能电池阵列所经历的条件，这通常使用最大功率点跟踪（MPPT）来实现。使用MPPT，逆变器电路可以使用电压和电流的最佳组合，并为负载提供必要的电阻，以实现有效的能量收集。

图2：通过使用独立的DC/DC转换和MPPT，太阳能装置可以更适当地响应不断变化的环境条件。

最简单的架构是使用一个MPPT引擎来控制单个通用逆变器。这种方法很简单，但是存在将单个功率点应用于可能正在经历不同操作条件的阵列中的模块的问题。如果一个模块被部分遮蔽，因为云从其视角穿过太阳，它将与其他完全照明的光源具有不同的功率点。尽管被遮蔽了，但是不能绕过它仍然是有效的。单个模块上的污垢堆积将导致功率点随时间的变化，这也不能通过普通MPPT控制器反映出来。一种替代方案是通过并联使用多个串来分割阵列，每个串馈送不同的逆变器前端。更灵活的方法是将DC/DC转换器和MPPT控制器与每个PV模块相关联，每个PV模块将公共电压的DC电力馈送到逆变器部分。

有许多方法可以确定任何给定时间的最佳功率点，每种方法都有自己的优点和缺点。常用的技术是扰动和观察。使用该技术，改变电压或电流并记录功率输出的变化。如果输出增加，则扰动以正确的方向移动。如果不是，则下一次扰动将是相反的方向。通常，DC/DC转换器采用的工作电压将围绕MPP振荡。 STMicroelectronics的SPV1020采用扰动和观测算法。

另一种选择是增量电导，它依赖于观察到功率曲线导数与MPP电压为零，左侧为正，右侧为负。实现将增量电导，电流与电压的变化（ΔI/ΔV）与瞬时电导（I/V）进行比较。在MPPΔI/ΔV= -I/V.在MPP的左侧，ΔI/ΔV大于-I/V并且小于MPP右侧的-I/V.

图3：典型太阳能电池的电流和功率与电压关系图，显示最大功率点和电池电流曲线。

增量电导通常为最大功率点移动的方向提供了更好的指导，并且导致比扰动和观察更少的振荡，但计算密集度更高。但是，Microchip Technology PIC16F1503等微控制器可轻松使用增量电导对PV模块进行必要的计算，并包含数字控制振荡器（NCO）外设单元，可为高分辨率脉冲宽度提供定时信号高效DC/DC转换所需的调制（PWM）。

图4：扰动和干扰算法移动工作点以便包含最大功率点。

由于PV模块的电压输出可能因环境条件而有很大差异，因此连接到模块的任何DC/DC转换器都需要足够灵活以应对。一种可能性是使用具有高中间DC电压的升压转换器拓扑，其被提供给并网逆变器。 SPV1020采用四相交错式升压拓扑结构，可以在连续或非连续模式下工作。交错显着降低了输出电压纹波。当需要低电流输出时，在突发模式期间关闭相位。通常在启动期间使用突发模式以避免电压振荡，并且在启动过程期间逐渐激活每个相。

升压拓扑的替代方案是降压 - 升压型DC/DC转换器拓扑结构，以便模块的电压可以在中间电压附近移动;当模块以接近最佳水平转换能量时，可以利用这一点来支持高效运行。

德州仪器Solar Magic SM72442 MPPT和DC/DC转换器控制器由评估板支持，当面板输入电压和所需输出电压在±2％范围内时，可提供直接连接选项，实现几乎无损耗操作彼此的。这允许DC/DC转换器暂时关闭。在此范围的任一侧，控制器采用降压或升压模式。

SM72442使用PWM抖动技术来平滑降压，升压和直接连接面板模式之间的转换。设备使用的MPPT算法通常在百分之一秒内提供收敛，监视输入电流和电压。

随着太阳能行业的不断扩展，预计会有更多的解决方案可以提供MPPT和功率控制，尤其是当注意力转移到提供单模块效率调整的更复杂架构时。这些解决方案将包括特定设备和更多通用产品，允许实施者调整其MPPT和功率转换算法。