离网太阳能系统设计中的电源电子解决方案

光伏太阳能安装成本的迅速下降使此技术逐渐成为支持离网应用的实际解决方案。美国国家可再生能源实验室(NREL)在2010年计算的太阳能系统安装成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系统定价正向每千瓦时15.50美元发展。这是整个系统的定价，包括太阳能电池、能量存储设备以及充电器和逆变器电源电子装置。

从便携式公路施工标志和闪光指示灯，到偏远的泵站和通信网络，离网应用看起来有无尽的机遇。成本过高正是此类项目实施的主要障碍，而不断降低的价格正逐步打破这样的屏障，使项目的实施变得切实可行。

本文将着重介绍电源电子系统，以及在设计离网太阳能系统时需要牢记的一些关键机遇和权衡利弊。在解决大多数系统级问题时，最简单的方式通常是从最终应用要求开始，然后回过头来确定和定义整个系统，并确定系统的规模。

负载

负载几乎可以是任何设备，但离网应用之所以离网是有原因的。应用可能需要是便携式的，如施工信息标志或简单的危险报警闪光灯。考虑到其便携性，将每个负载都接入电网明显不可行。或者，也许应用位于偏远地点，如蜂窝通信塔或偏远泵站。

我们首先应该确定在开发离网太阳能解决方案时需要考虑的一些关键因素。图1给出了高阶系统框图。使用能量平衡方法时，关键是了解负载，包括其类型和随时间表现出的特性。

图1:高阶系统框图

首先要确定负载类型和所有特殊要求。是恒定负载还是可变负载?是仅在白天使用还是仅在夜晚使用?是间断使用还是持续使用?了解负载类型及其特性有助于确定系统的实现方案。例如，施工危险报警闪光器通常是恒定脉动负载，可能仅需要在夜晚使用。因此，我们应该在白天对这些负载充电并确定电池的容量，然后在夜晚运行这些负载。信息标志可能是脉动负载，但在白天和夜晚都需要运行。在这种情况下，系统需要确定为在白天支持恒定负载运行，同时对电池组充电以支持整晚连续运行。同样，泵负载需要日夜工作，而且不一定是恒定负载。这里，系统需要能应对最坏情况，或者需要备用系统来解决最坏情况。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常适合离网太阳能应用，因为下雨时没有多少阳光可对电池充电。很明显，能采用的负载类型几乎无穷无尽，图2仅列举了上面讨论过的一些负载类型。

图2:常见负载类型

在给定幅值和频率以及工作特性的情况下，关键是了解平均日负载。当充分了解负载和工作条件之后，指定能量存储要求就变得简单直接了。

确定能量存储的规模

由于太阳每天都升起和落下，我们可以通过简单的24小时能量平衡法来计算基本的能量存储要求。注意图3,图中标识了工作情况。很明显，确定能量存储的规模时必须支持图左侧的情况。

图3:工作状态

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负载可能有明确的量，如若干个施工危险报警闪光灯，也可能有大量变化，如泵应用。处理变化的负载时，最好考虑以下两种情况。第一种情况是“正常”情况，覆盖百分之95的工作情况。能量存储组件应该在白天充电，其容量应设定为足以在其余的夜晚时间驱动负载。第二种情况是最坏的正常工作情况，覆盖超过百分之95的情况(即，泵在黄昏开始工作，然后整夜满载运行)。

下面的公式通过将未进行充电的时间段内的每小时最大负载功率合并在一起，来捕获最坏情况的能量存储要求。

还有更坏的情况，即在负载需要工作且无太阳光时，电池组尚未完全充电。考虑的重点是故障成本(即不闪光或不抽吸)。如果泵不抽吸，成本可能非常可观。最显而易见的解决办法是增加能量存储组件的容量。但是，总会有更坏的情况。在不容许出现故障或很少需要使用最大功率的情况下，安装一个备用系统(如柴油发电机)并将系统其余部分的规模调整为仅适用于正常情况是最合理的。

图3的左侧用于确定能量存储要求，图3的右侧用于确定太阳能阵列的规模。

确定太阳能阵列的规模

更好地了解负载要求后，我们可以确定太阳能阵列的规模。根据图3,太阳能阵列的规模必须设定为在规定的充电时间内使充电量满足能量存储要求，同时在该时间段内支持平均负载输出。下面的公式标识了此高阶关系。

太阳能阵列输出功率 = 能量存储容量/充电时间+平均负载功率

我们可以通过简化的能量平衡方法估算能量存储和太阳能阵列组件的尺寸。但是，要对估算值进行精确的调整，还需了解一些内在和外在因素。从外部因素角度来看，最重要的因素之一是离网应用的地点，尤其是纬度。仅凭这一点就可以预计太阳照射峰值量及其在一年中的变化。例如，仅凭应用地点相对于太阳的位置就可以预计太阳照射量在冬季最少，在夏季最多。还有其它外部因素(包括云层覆盖和环境温度)也可能对系统预计接收的阳光照射量以及能量转换效率产生不利影响。应该清楚这些外部因素将随着应用和地点的不同而发生变化。

此外，系统架构(尤其是设备的连接方式)等内部因素也会影响组件的尺寸。遗憾的是，不可能实现100%的转换效率，因此必须要考虑到损失。在以上论述中，能量存储和太阳能阵列的规模决定了可提供的能量和功率。要计算需要产生的功率，需要考虑电源电子装置。

电源电子装置拓扑

尽管图1中的系统框图有助于了解能量平衡，但要考虑影响组件尺寸的内部因素，还需要更多细节。图4更详细地描述了系统实现。它也提出了会影响电源电子装置策略的问题。

基于单片机的电源策略可提供极大的灵活性。它允许在各种应用中使用标准参考设计，同时仍然可以满足应用特定的需求并实现高级功能。它不仅可支持基本电源转换，还在选择核心组件方面提供了灵活性，支持各种工作条件下的变化并实现优化。此外，还可以轻松实现通信和诊断等高级功能。专用的分立式电源转换器则无法实现这一点。

在此实现方案中，最大的问题来自于负载;关键问题是负载的性质是什幺，以及“负载控制”需要是什幺样子的?需要电压还是电流?电压或电流设定值需要精确到什幺程度?负载控制可能像继电器一样简单，也可能像3相逆变器一样复杂。不管怎样，它都需要充电器功能(即电源电子装置)，使用太阳能为能量存储设备充电。而且，如果系统允许，它还可以提供最大峰值功率跟踪(MPPT)功能。

图4:详细的系统架构总览 

可能首先要做出的决策之一是应该使用公共电源轨架构还是分布式电源轨架构。图5展示了两者的差别，负载特性很可能对选择起决定作用。如果负载需要恒定电压，则图5a中显示的公共轨可能是最佳选择。在这种情况下，负载控制器是一个简单的继电器或固态开关。太阳能直流/直流转换器使公共轨保持在电压设定值，电池充电器从母线汲取电力为能量存储设备充电。这种方法的优点和缺点均在于功率转换步骤。考虑到85%的平均功率转换效率，这意味着每次转换有15%的损失。如果太阳能直流/直流转换器能够支持负载，那幺仅需要一个电源转换步骤。但要给电池充电，则需要两个电源转换步骤(太阳能直流/直流转换器到公共轨以及公共轨到双向直流/直流转换器)，外加一次额外的转换(双向直流/直流转换器到公共轨)才能支持负载。

如果仅在太阳能直流/直流转换器不工作时(即夜晚)使用负载，则也可以使用公共轨。在这种情况下，可去掉太阳能直流/直流转换器，并且可使用能量存储设备上的双向直流/直流转换器通过太阳能阵列为电池充电;也可以使用替代方案为负载供电。此时，能量仅需要经过两个电源转换步骤(太阳能直流/直流转换器到双向直流/直流转换器，以及双向直流/直流转换器到负载)。

图6中的分布式架构更灵活，可支持不断变化的负载需求。在这种情况下，可使用太阳能直流/直流转换器支持能量存储轨(即充电)，直流/直流转换器可支持负载需求。这种方法的缺点是始终有两次电源转换。但总的来说，如果预计太阳能阵列和负载同时工作，则这是最优的解决方案。

图5:电源轨架构

简单示例

在从高阶角度查看电源结构后，我们现在来看一个简单的低功耗示例。设想一个可经常在施工桶或混凝土护栏顶部看到的“施工区危险报警闪光灯”.从高阶角度看，报警闪光灯仅在夜晚工作，电池将在所有其它时间充电。这种特性允许我们使用公共母线架构，因为报警闪光灯或者在充电，或者在闪烁，两种操作不会同时进行。我们可以将太阳能直流/直流转换器、双向直流/直流转换器和负载控制合并成一个单独的双向转换器来进一步简化拓扑。图6给出了建议的电路设计。

图6:建议的电路图

建议的电路设计采用Microchip的PIC16F690单片机和两个MCP1630模拟PWM控制器来驱动双向反激式转换器。在白天，此配置使用太阳能作为输入并对电池充电。在夜晚，由于在太阳能阵列上检测到的能量低到可忽略不计，转换器开始按照编程的“闪烁”模式为LED灯供电。表1列出了这些假设和计算结果。

表1:应用假设和结果

结论

分布式应用将继续利用太阳能安装成本不断降低这一趋势。最终应用需求将对系统拓扑起决定作用并突出关键的性能权衡问题。基于单片机的电源转换架构在支持各种最终应用以及支持光伏太阳能技术的持续发展方面具有极大的灵活性。这种灵活性意味着当前的设计在未来仍有可用性。