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图1.传统的电源转换器构架包括一个太阳能逆变器,其从一个PV阵列接收低DC输出电压,然后产生AC线压。

电源逆变器是太阳能发电系统中关键的电子组件。在一些商业应用中,这些组件连接光伏(PV)板、存储电荷的电池以及局域配电系统或公共电网。图1显示的是一款典型的太阳能逆变器,它从PV阵列DC输出获得非常低的电压,然后将其转换成DC电池电压、AC线压和配电网电压的某种组合。

在一个典型的太阳能采集系统中,多块太阳能板以并联方式连接到一个单逆变器,该逆变器将多个PV单元的可变DC输出转换成一种清洁的正弦曲线50-Hz或60-Hz电压源。

另外,应该注意的是,图1中微型控制器(MCU)模块、TMS320C2000或MSP430微型控制器一般包括脉宽调制(PWM)模块和A/D转换器等关键片上外围器件。

主要设计目标是最大化转换效率。这是一个复杂、反复的过程,涉及了算法(最大功率点追踪算法,MPPT)以及执行这些算法的实时控制器。

电源转换最大化

不使用MPPT算法的逆变器只是将模块直接连接到电池,强制它们在电池电压下工作。几乎无一例外,电池电压并非是采集最大化可用太阳能的理想值。

图2.相比非MPPT系统的53W,最大功率点追踪(MPPT)算法实现了75W PV输出。

图2描述了一个典型75W模块和25°C电池温度的传统电流/电压特性。虚线代表电压(PV伏特)与功率(PV瓦特)的关系。实线表示电压与电流(PV安培)的关系。正如图2所示,12V条件下,输出功率约为53W。换句话说,强制PV模块在12V下工作后,功率被限定在约53W。

实施MPPT算法后,情况大为不同。本例中,模块达到最大功率时的电压为17V。因此,MPPT算法的作用是让模块工作在17V电压下,从而获得满75W功率,其与电池电压无关。

高效DC/DC电源转换器将控制器输入端的17V模块电压转换为输出端的电池电压。由于DC/DC转换器将17V电压逐步降至12V,因此本例中MPPT系统的电池充电电流为:

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

假设DC/DC转换器为100% 转换效率,则1.85A充电电流增加,也即可达到42%。

尽管本例假定逆变器正处理来自一个单太阳能板的能量,但传统系统一般拥有许多连接至一个单逆变器的太阳能板。这种拓扑结构在具有很多优点的同时也存在一些不足,具体情况取决于应用。