優(yōu)化光伏系統(tǒng)——影響太陽能BOS效能的新架構(gòu)和元件

　　太陽能作為一個可再生能源正在持續(xù)發(fā)展，對其的持續(xù)關(guān)注促進了太陽能板的價格降低和效率提升。同時，逆變器、充電器和能量優(yōu)化器之類的平衡系統(tǒng)（BOS）器件已經(jīng)取得了重大進展。本文將介紹影響太陽能BOS效能的新架構(gòu)和元件。

　　無變壓器的DC/AC逆變器在歐洲廣泛應(yīng)用，但是在美國，這種產(chǎn)品只是最近才在某些地區(qū)被使用。無變壓器的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)有很多種，而Fraunhofer研究所開發(fā)的HERIC拓撲表現(xiàn)出了很高的效率。傳統(tǒng)的全橋逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，HERIC拓撲如圖2所示，此圖中還顯示了兩種新的開關(guān)/二極管對。這種拓撲利用獨有的續(xù)流路徑來減小開關(guān)和導(dǎo)通損耗，使效率提升到98%以上。

圖1 用在無變壓器逆變器上的全H橋

圖2 用在無變壓器逆變器上的HERIC拓撲

　　無變壓器逆變器的優(yōu)勢

　　無變壓器逆變器有幾種優(yōu)勢。傳統(tǒng)逆變器的變壓器級，要提供電流隔離，因此重量大、價格高且損耗大。即使是帶有超小變壓器的高頻逆變器也有很大的能量損耗，最高能到1%～2%。在持續(xù)減少光伏系統(tǒng)安裝費用的過程中，每一小份能量都很關(guān)鍵。因此，向無變壓器逆變器的過渡會繼續(xù)。

　　太陽能作為一個可再生能源正在持續(xù)發(fā)展，對其的持續(xù)關(guān)注促進了太陽能板的價格降低和效率提升。同時，逆變器、充電器和能量優(yōu)化器之類的平衡系統(tǒng)（BOS）器件已經(jīng)取得了重大進展。本文將介紹影響太陽能BOS效能的新架構(gòu)和元件。

　　無變壓器的DC/AC逆變器在歐洲廣泛應(yīng)用，但是在美國，這種產(chǎn)品只是最近才在某些地區(qū)被使用。無變壓器的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)有很多種，而Fraunhofer研究所開發(fā)的HERIC拓撲表現(xiàn)出了很高的效率。傳統(tǒng)的全橋逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，HERIC拓撲如圖2所示，此圖中還顯示了兩種新的開關(guān)/二極管對。這種拓撲利用獨有的續(xù)流路徑來減小開關(guān)和導(dǎo)通損耗，使效率提升到98%以上。

圖1 用在無變壓器逆變器上的全H橋

圖2 用在無變壓器逆變器上的HERIC拓撲

　　無變壓器逆變器的優(yōu)勢

　　無變壓器逆變器有幾種優(yōu)勢。傳統(tǒng)逆變器的變壓器級，要提供電流隔離，因此重量大、價格高且損耗大。即使是帶有超小變壓器的高頻逆變器也有很大的能量損耗，最高能到1%～2%。在持續(xù)減少光伏系統(tǒng)安裝費用的過程中，每一小份能量都很關(guān)鍵。因此，向無變壓器逆變器的過渡會繼續(xù)。

　　無變壓器逆變器的缺點

　　無變壓器逆變器也有一些缺點。如前文所說，這種逆變器不包含由變壓器提供的電流隔離，這是一個很重要的安全隱患。然而，集成了完整的安全機制，例如隔離電阻測試和殘余電流檢測，會使得無變壓器逆變器如同變壓器一樣安全。此外，有證據(jù)表明這種逆變器的接地問題會導(dǎo)致薄膜面板，尤其是一些CIGS太陽能面板受到永久的傷害。

　　逆變器拓撲中常見的是H橋中的開關(guān)。如像上文所提，逆變器設(shè)計正朝著以越來越高的功率來減少電感/電容和變壓器的體積和成本方向發(fā)展。高壓/高頻開關(guān)在太陽能逆變器中是必需的。但是，在高壓/高頻條件下運行MOSFET會導(dǎo)致嚴重的傳導(dǎo)損失。IGBT經(jīng)常被使用是因為它們的傳導(dǎo)損失比MOSFET要低。然而，它們會在關(guān)斷期間會產(chǎn)生尾電流——增加了開關(guān)損耗。

　　ESBT

　　ST公司的射極開關(guān)式雙極型二極管（ESBT）提供了很好的解決方案。如圖3所示，ESBT的共基極放大器結(jié)構(gòu)中包含了一個高壓BJT和一個功率MOSFET，整個器件有非常低的導(dǎo)通電壓降。

圖3 帶MOSFET驅(qū)動器的ESBT

　　當一個ESBT同外置MOSFET和二極管/電阻配對的時候，整個電路看起來像一個3端器件，經(jīng)驅(qū)動后能達類似IGBT或功率MOSFET的工作狀態(tài)。ESBT的關(guān)斷能量比IGBT低很多，能實現(xiàn)高效設(shè)計，并非常適合高頻率、高壓逆變器設(shè)計。

　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的屋頂太陽能系統(tǒng)安裝過程也在減少BOS成本，并提高性能。在這種結(jié)構(gòu)中，太陽能板以串聯(lián)/并聯(lián)陣列形式連接在一起，對陰影和錯配非常敏感。舉例來說，如果一個串行陣列中的面板，其性能受陰影或塵土的影響，整串的輸出就會受到嚴重的影響。對這個問題的一個解決方案就是在面板或串聯(lián)級增加一個DC/DC變換器和一個極大的功率點追蹤器。

　　優(yōu)化

　　面板級的能量優(yōu)化是一個非常重要的能量轉(zhuǎn)換和控制任務(wù)。這些功能要優(yōu)化太陽能面板采集的能量，然后轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓或電流，同時將工作狀態(tài)發(fā)送至中央控制器。這需要一個微控制器或狀態(tài)機、模擬感應(yīng)電路、DC/DC電流轉(zhuǎn)換，以及有線或無線通信。

　　這些具體功能都是易于理解的，并適合集成在一個模塊中。這樣做能提供成本、可靠性和性能優(yōu)勢。優(yōu)化的MPPT輸出可增加系統(tǒng)的性能，并導(dǎo)致效率增加，有助于降低系統(tǒng)成本。

　　一個典型的MPPT集成方案就是ST公司的SPV1020。它包含了一個集成式升壓變換器，一個MPPT有線狀態(tài)機，模擬感應(yīng)電路和一個PLM。變換器使用了一個高頻率交錯結(jié)構(gòu)，可接納更小的電感和電容。這個高集成度的方案將在2010年晚些時候推出。

　　太陽能適合大部分的工業(yè)應(yīng)用，如離網(wǎng)的太陽能供電路燈、標識、碰撞指示燈、安全系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和遠程通信。通常情況，在電網(wǎng)不能接入的地方會使用太陽能。然而，在這些地方，太陽能的使用會因為成本因素而受限。不過，同屋頂?shù)奶柲芤粯?，離網(wǎng)的工業(yè)太陽能供電系統(tǒng)會隨著成本和效率方面的改進而增加應(yīng)用。

　　離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要很大的能量采集器，尤其是電池。這些電路需要安全和高效的充電，以不斷完善完備性和集成性。例如，Cypress半導(dǎo)體推出了使用PowerPSoC處理器的集成太陽充電器參考設(shè)計。它用12V太陽能板供電，來慢充12V鉛酸電池，這個參考設(shè)計包括了MPPT優(yōu)化和一個鉛酸電池充電器。

　　該產(chǎn)品的架構(gòu)使用了一個電流控制的降壓整流器來進行MPPT和電池充電（見圖4）。嵌入在PowerPSoC中的MPPT和電池充電器使用了電壓和電流回饋，使面板工作在峰值功率，通過控制降壓控制器的開關(guān)來使面板工作在峰值功率中。

圖4 MPPT/充電器控制器結(jié)構(gòu)框圖

　　在另一個實例中，ST微電子開發(fā)了一個高度集成的HBLED太陽能MPPT充電器/驅(qū)動器。這個全集成的方案帶有MPPT優(yōu)化的電池充電器和集成的HBLED驅(qū)動器。這個產(chǎn)品將在2010年晚期發(fā)布，非常適合于HBLED街燈照明應(yīng)用。