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太阳能逆变器设计案例

2010-08-03 16:58
九一隐士
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        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。
 


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。


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。
 

 

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