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微型逆变器

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微型逆变器  微型逆变器的直流电源转换是从一个单一的太阳能模块交流,各个太阳能电池模块配备逆变器及转换器功能,每块组件可单独进行电流的转化,所以这被称之为“微型逆变器”及“微型转换器”。微型逆变器能够在面板级实现最大功率点跟踪(MPPT),拥有超越中央逆变器的优势。这样可以通过对各模块的输出功率进行优化,使得整体的输出功率最大化。此外,与通信功能组合,还可用于监视各个模块的状态,检测出出现故障的模块。

  最大功率点跟踪(MPPT)以及MPPT算法

  智能调节太阳能发电板的工作电压,使太阳能板始终工作在V-A特性曲线的最大功率点,从而提高了对太阳能板发电功率的利用率。

  MPPT 算法主要有三种:扰动观察法、电导增量法和恒定电压法。

  扰动观察法 (PO) 最为常见。该算法以特定方向对工作电压进行微扰,然后对 dP/dV 进行采样。如果 dP/dV 为正,则算法知道其朝 MPP 方向调节了电压。然后,继续以该方向调节电压,直到 dP/dV 为负。

  电导增量 (INC) 法使用 PV 阵列的增量电导dI/dV 来计算 dP/dV 的符号。相比 PO,INC 快速追踪变化的光照条件更加准确。然而,与 PO 相同,它会产生振荡,并会在快速变化的空气条件影响下变得混乱不清。另一个缺点是,其高复杂性增加了计算时间,并降低了采样频率。

  第三种方法是恒定电压法,其利用这样一个事实:一般而言,VMPP/VOC 的比约等于 0.76。这种方法所出现的问题在于它要求立刻设置 PV 阵列电流为 0 来测量阵列的开路电压。这样,阵列的工作电压便被设置为这一测量值的 76%。但是,在这期间,阵列被断开,浪费掉了有效能源。同时还发现,76% 开电路电压是一个非常接近值的同时,它却并非总是与 MPP 一致。

  由于没有一个能够成功地满足所有常用情景要求的 MPPT 算法,因此许多设计人员都会走一些弯路,它们对系统进行环境条件评估然后选择最佳的算法。实际上,有许多 MPPT 算法可以用,并且太阳能板厂商提供其自己的算法也很常见。

  对于一些廉价的控制器来说,执行 MPPT 算法会是一项难以完成的任务。因为,除 MCU 的正常控制功能以外,算法还要求这些控制器拥有高性能的计算能力。先进的 32 位实时微控制器(例如:TI C2000 平台中的一些微控制器)就适用于众多太阳能应用。

  虽然微型逆变器在全球逆变器市场仍然只占有小份额。微型逆变器和分布式最大功率点跟踪(MPPT)解决方案作为光伏逆变器市场的新兴领域,预计将会大幅增长,2010年到2015年的年均复合增长率可达77%。供货量便有望超过现有逆变器。美国iSuppli预测,原有逆变器的供货量2012年为130万~140万台,而微型逆变器和微型转换器的合计供货量2012年将达到约800万台。目前美国已有风险企业等多家企业对微型逆变器和微型转换器展开开发。

  IR的AlbertoGuerra预测,在未来几年中,太阳能工程的市场每年的增长率将达到20%到30%。相应地,太阳能逆变器的价格也会随之下降。由于逆变器的成本占整体太阳能系统成本的15%到20%,因为存在更大的市场需求而得到价格支持。

  中国政府安排预算12.7亿元,逆变器补贴国内光电建筑应用示范项目共111个,总规模为91兆瓦,示范工程分布在中国的30个省、市、自治区,重点向产业基础好、阳光资源丰富的江苏、浙江、内蒙、河南等省倾斜,重点引导光电建筑一体化发展,逆变器重点扶持技术先进的光伏产品推广应用。

  为鼓励可再生能源的发展,中国政府今年3月份启动了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》、《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》(简称“屋顶计划”),对建筑用太阳能产品实施补贴太阳能屋顶计划。继“屋顶计划”出台4个月后,中国财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》,计划在2-3年内,政府补助不低于500兆瓦的光伏发电示范项目,加快中国国内光伏发电的产业化和规模化发展。

  与此同时的各地政府也纷纷出台政策刺激光伏电站的发展,杭州市提出“阳光屋顶”计划,广州,南昌,无锡,保定,上海纷纷提出了本地的光伏电站发展规划,中国光伏最发达的江苏省率先出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》,其中规定,通过3年努力,力争在全省建成光伏并网发电装机容量400兆瓦。

  在大规模部署的太阳能并网发电厂中,光伏电池板的数量很大,为此,TI公司提出了“微型逆变器”的概念,它既能够在较宽的范围内扫描各个独立的太阳能电池板的峰值功率点,避免把局部峰值作为MPP点,同时,又能够提高最大功率点输出跟踪的效率。

  TI提出的这种系统的架构对于DC/DC转换器、DC/AC转换器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

  在过去的几年里,美国国家半导体实验室的研究人员一直在积极研究太阳能发电系统的效率问题。一个解决方案就是所谓的“微型逆变器”。可是,影响光伏系统的关键因素是可靠性、成本和效率。微型逆变器并不能全面地平衡这几个关键因素。过去,太阳能电池板被定为无源电子组件,主要原因是太阳能电池板没有包含任何具备智能及可靠的有源电子组件。但这种情况现在已经发生变化。

  此外,当考虑到成本和效率因素时,更没必要为每块电池板都加装电网接口。实际上,现行光伏系统迫切需要优化功能。而这个功能可通过若干个可靠及精密的集成电路来实现。凭借50年的集成电路开发和销售经验,美国国家半导体将微型优化器的专业知识带到太阳能领域。

  2009年,美国国家半导体公司宣布推出太阳能产业有史以来首款光电板专用的SolarMagic 芯片组。这宣告了“智能型太阳能发电系统”全新时代的来临。

  普通的太阳能光伏系统架构都极易受到实际操作环境的影响。例如只要几块电池板有阴影或树叶遮蔽,整个系统的发电量便会大幅地下跌。具体来说,只要有10%的电池板面积被遮盖,系统的总发电量便会下跌50%。而且随着时间的推移,被遮蔽的电池板面积会越来越大,太阳能系统的效率会受到严重的影响。采用SolarMagic技术则可将挽回57%的发电损失。

  从发电系统的角度来看,光伏并网在技术上的重点在于以下两个方面。一是从光伏系统的角度来看,光伏行业面临的最大挑战之一是太阳能面板的阴影问题。二是从功率器件的角度来看,由于主要的光伏系统厂商拥有各自的光伏逆变应用专利拓扑,半导体供应商必须开发专用的产品。例如,由于需要提高输入电压以获得更高的效率,所以必须使用650V或以上MOSFET/IGBT。此外也需要使用SiCSBD作为成套解决方案。另外,要扩大10kW以上市场份额,就必须使用IGBT/SPM模块。

  对于10kW以下并网光伏逆变器解决方案,飞兆半导体提供场截止(FS)IGBT和SupreMOSMOSFET器件,具备进入这一高性能市场所需的低EOFF优势和高可靠性。对于微型逆变器,飞兆半导体拥有中等电压MOSFET和SupreMOS技术,可为这类应用提供卓越性能。

  除了功率半导体之外,对各模块的输出功率进行优化的控制IC,以及传递各模块状况的通信IC的重要性也将日益提高。微控制器要运行MPPT算法,以调节太阳能电池板的方向、输出的直流电压和电流,使之获得峰值功率输出,就需要采用微控制器以及传感器来跟踪太阳方位角以及高度角。



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dolphin    


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