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太阳能系统中的高效前端接口设计方案

时间:2020-07-22 05:06

  为了最大程度挖掘太阳能的潜力,前端接口(位于电池和能源开采电路间)必须考虑到这些电池的特性; 通过不同的算法和各种硬件/软件,即可实现挖掘太阳能的最大潜能。

  太阳能看似是免费的、无限再生的能源,实际上,要想将太阳中的撞击电子转变成可利用的资源,需要严谨的设计方案,先进的电子设备,精密的电池充电/放电管理。太阳能应用广泛,主要可分为三大类:

   为物联网收集能量,用于记录数据(功率范围是毫瓦,澳门金沙,输出直流、低电压。)

   为住宅或远程安装备份、补充能源。(可运输,功率在百瓦至千瓦之间,输出交流、线电压)

   作为电网的一部分,固定在适当位置,功率达到成千上万千瓦,输出交流电上千伏。

  图1中,虽然实际应用会忽视用户所面临的不便,但太阳能装置(无线电路)还是具备大量的子功能。从高层次来看,电力子系统只是设计中的一小部分,但实际上很重要:它包括一个前端,接口连接太阳能电池并从中收集能量; 通过电源管理功能将能量输入存储元件(电池或超级电容器),系统还包括电额负荷管理块,负责从存储元件中提取能量。该系统收集的能量(焦耳)可用,但他会作为功率(瓦)释放出来,以满足负载的要求。 [功率是能源的转换产物,操作负载;但首先必须作为能源被收集起来。]

  图1:在这种情况下,对于物联网来说,一个完整的太阳能供电系统,由许多功能块组成; 用作备份或备用电源时,功能块(如传感器和射频链路)是没有用的。 (来源:贸泽)

  事实上,我们必须了解从太阳中到底能提取多少功率。太阳辐射到达地球大气上层平均约为1千瓦/平方米,或0.1瓦/平方厘米。

  即使在晴天,只有一小部分辐射能到达地面,由于大气吸收,太阳能电池的效率只有15-20%,因此乐观的估计,太阳能电池释放出的可利用能量约为10毫瓦/平方厘米。排除获取,存储和输出转换的损失,太阳能电池每平方厘米释放的可利用能源相当低,而且还不包括黑暗、多云、季节性辐射和经纬度等因素的影响。

  由此可看,尤其是在中波收集器技术(MW-range harvesting applications) 中(不必担心I2R的损耗),经太阳能供电系统造成的任何微小损失,都是至关重要的。这种优化最具挑战性的是在前端,那里太阳能电池的功率输出必须被提取并采集。这是因为任何损失或低效率在这之后都不能弥补,撞击太阳能也将永远丢失。

  与大多数传统的电源(比如内阻,其电流或电压源具有固定参数)不同,太阳能电池具有不寻常的特性。忽略不计输出电压和电流,设计者的目标是从太阳能电池中获得最大功率,但电压和电流都将随着操作条件的变化而变化。

  根据一组给定的工作条件,有一个独特的“工作点”称为最大功率点(MPP),电池提供最大功率(V×I)的输出。为提取功率,连接电路的电阻 - 必须与电池的电阻的特性相匹配。

  该匹配情况与任何电源匹配到负载,以实现最大功率传输相类似,诸如功率放大器的输出阻抗和负载天线,或者从一个天线到RF前端之间。大多数这样的情况下,源和负载阻抗的参数是相对恒定的,所以形成了一个固定电路(某些应用中,特别是高性能的射频,也考虑到由于自热和环境条件,一些参数不随温度而变化)。

  然而,太阳能电池的操作条件是不恒定的,并且由于照明的变化、电池的温度、电池的年龄和其它因素的变化而反复移位。其结果是,为获得最大效率,太阳能系统必须动态改变电池上的负载,称为最大功率点追踪(以下简称MPPT)。MPPT反应负载线、最大功率线和电流电压之间的关系、负载线、最大功率线和功率电压之间的关系(图2a和图2b)。

  表格 1 电阻负载和光伏电源;电流电压曲线电阻负载和光伏电源;电流电压曲线a:表a和表b的光伏阵列很复杂。负载线(红线)和最大功率线(蓝线)的交点是效率最高的。(纽卡斯尔大学,电力电子驱动器和机械研究组)

  MPPT可以通过几种方法来实现:在“扰动和观察”技术中,电路板的输出被监测时,前端电阻是“抖动”的; 如果它在这一方向上持续增加,则会在一定范围内检测出哪里的输出为最大,这是优化问题的标准方法。其它方法包括操纵电池跨导,用扫电流或电压驱动,以确定电池的内部参数。每个方法都有利弊:在寻找最大功率点时存在潜在的过度振荡或“摆动”,或者寻求最大功率点时存在的次最佳性能。

  除了MPPT的算法,实际上可以通过硬件中的专用集成电路或通过(也叫软件,作为系统微控制器的编程的一部分)来实现最大功率点追踪。而选择固件,最大程度上微调甚至改变了最大功率点(MPPT)追踪算法,也可能成为一个系统的负担;和固定功能的集成电路相比,因此需要更高的速度,更耗电的处理器。伴随着所有的工程决策,决定一定会有利弊,与此同时,主要的成本或功率增量会越过阈值。

  对于小的收集系统,通过专用集成电路实现单个最大功率点追踪,通常是成本效益和效率最高的; 尽管作为单独的电池和区具有不同的特性,但因为多单元阵列分布在更大的区域,有的甚至只有几平方米,所以有必要提供单独的MPPT对分区。在具有专用MPPT的前端集成电路,具有嵌入式MPPT的收集子系统集成电路,和基于固件的MPPT处理器中进行选择,这取决于太阳能阵列,功率电平的大小,和灵活需要。

  一个嵌入MPPT的前端集成电路例子是来自意法半导体公司的SPV1020,图3.该集成电路集成了一个四相位交错直流 / 直流( DC/ DC)升压转换器,以最大限度地提高由光电板产生的功率辐射水平。SPV1020控制脉宽调变(PWM),是一个固定频率转换器,通过嵌入逻辑运行的扰动 - 观察算法,实现循环控制。电源的开关频率内部默认值为100千赫,生成转换器,但是外部值从50千赫至200千赫,而占空比范围可从5%变至90%(紧步骤增量值0.2%)。

  供应商认为,自从最大功率点计算当地化(以下简称MPP)后,系统效率比使用拓扑时要高,使用拓扑时,MPP计算通过一个集中逆变器拓扑结构来实现。由于集成电路由场效电晶体和同步整流电源组成,从而最大限度地减少外部设备的数量。至于长期的可靠性,直流/ 直流(DC / DC)转换器的四相交织拓扑无需使用电解电容,往往成为限制系统长寿命的因素。设计者可以在一个面板阵列中使用多个SPV1020s,每个面板一个装置;这些面板可以串联连接,并联,或串联/并联的组合。供应商还提供了集成电路的评估板,演示在不同的功率水平和结构中的使用。

  光谱,复杂且灵活,其另一端是一个完全可编程控制器,如TMDSHVMTRPFCKIT(高电压、太阳能开发工具包、德州仪器公司出品,以下简称TMDSHVMTRPFCKIT)。这个完整的评估包,图4,是针对高功率系统的。(输入200-300直流电压和高达500W的能力)它基于C2000系列Piccolo F28035处理器,和两交错升压级(用于最大功率点跟踪,以及一个半桥谐振LLC隔离级),两者都由一个单个MCU数字控制。设计者可以通过增量电导或扰乱-观察算法选择MPPT,使他们能够检测应用程序的两个选项和有效性。

  它还包括USB连接的边界扫描仿真(),从而消除了对外部硬件,和快速启动图形用户界面的需要。所有的硬件和软件都被完整的记录,并作为设计使用的“开放源码”。该评估板弥补了德州仪器公司产品 TMSHV1PHINVKIT的不足; 评估板和TMSHV1PHINVKIT提供了一个完整的从直流、到交流的太阳能供电逆变器系统。

  一个中等大小的MPPT,使用像PIC16F1503单片机(美国微芯科技公司)这样的设备。这个集成电路是一系列增强型核心设备之一,其中包括外围设备,如NCO(数控振荡器),CWG(互补波发生器)或CLC(可配置逻辑单元)。微芯公司提供MPPT流程图和应用笔记中的代码模块[参考文献1(AN1467)和2(AN1521)]; 两者都可以与正抗阻变换器(PIC器件)使用,同时单独的流程图可以用作任何处理器编程工作的指南。

  对于电子电路来说,从小型物联网到大型备份,甚至主电源,太阳能由于其免费、永不耗竭的优势,具有巨大的吸引力。然而,现有可供利用的太阳能只是一小部分,所以任何设计必须注重其前端效率(如MPPT问题)从而使这种方法在经济上合理,技术上可行。无论设计师选择专用前端集成电路或完全可编程集成电路,处理器的设计都必须考虑以下几个因素:太阳能电池阵列的尺寸,物理布局,所需模块化和成本。