- 研究逆變器的原理與特性
- 高效微型太陽能逆變器測試方法的探討
- 通過逆變器可將直流電轉(zhuǎn)化為交流電
- 在電路的設(shè)計中須考慮峰值功率和跟頻率
經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了自然資源的快速枯竭，從而引發(fā)了人們對可再生性能源日益強(qiáng)烈的需求。因此太陽能、風(fēng)能、水力和地?zé)崮艿葻o污染、永不枯竭的能源將越來越受到人們的重視。在歐美國家，以太陽能為首的可再生能源已經(jīng)得到了廣泛的使用。與中國的情況不同(由政府和大公司出面集中建設(shè)太陽能發(fā)電站)，歐美國家大力地發(fā)展家用型太陽能供電系統(tǒng)，在建筑物屋頂上建立小型的發(fā)電設(shè)施。他們所使用的單塊太陽能電池板的最大輸出功率一般在100～200瓦左右。通過連接逆變器可將太陽能電池板所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能并將其并網(wǎng)輸送到市電網(wǎng)絡(luò)。這些電能既可供給自己家庭使用，也可以將多余的電量出售給電力公司。
微型逆變器具有體積小巧、可以靈活安裝在房頂或墻壁上、轉(zhuǎn)化效率高以及價格相對便宜等優(yōu)勢，非常適合家庭使用。國內(nèi)很多公司已經(jīng)開始了對微型逆變器的研發(fā)和生產(chǎn)，并形成了很大的出口規(guī)模。
太陽能電池板的輸出不同于一般直流供電設(shè)備的輸出，其輸出I-V特性曲線與光照、溫度等環(huán)境因素密切相關(guān)，工作點的電壓電流值在曲線上隨負(fù)載的變化而變化。為最大化太陽能電池板的輸出功率，逆變器往往還需要具有峰值功率追蹤功能，保證工作點始終處于I-V曲線上的最大功率點附近。對逆變器進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)與認(rèn)證的關(guān)鍵是要在不同的環(huán)境條件下(即不同的I-V曲線上) 測試驗證逆變器的輸入輸出特性。
測試的主要內(nèi)容包括：開發(fā)和驗證逆變器峰值功率跟蹤電路(MPPT)算法的性能；
測量和驗證逆變器的效率；
驗證逆變器在極高、極低輸入電壓條件下產(chǎn)生的電網(wǎng)電平輸出的穩(wěn)定性；
性能認(rèn)證測試: 確認(rèn)不同環(huán)境條件下的輸出性能；
性能加速壽命測試：僅用幾周時間來推算工作數(shù)年后的結(jié)果；
針對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證測試。
為達(dá)到這些測試目的，必須創(chuàng)造出一種可預(yù)期、可重復(fù)的太陽光照條件，并控制其環(huán)境溫度，以得到固定的I-V輸出曲線。自然界的光照和其他環(huán)境因素難于控制，因此直接使用太陽能電池板對逆變器的性能進(jìn)行測試是不可行的。
為了能夠精確仿真太陽能電池板在特定環(huán)境條件下的輸出(特別是對于小功率逆變器，仿真精度的要求往往更高)，很多廠家推出了專用的太陽能方陣模擬器，用于模擬各種環(huán)境下太陽能電池板的輸出特性，精確地復(fù)現(xiàn)出不同環(huán)境條件下的I-V輸出特性曲線。I-V曲線的數(shù)據(jù)多來自于用戶對太陽能電池板輸出的實際測量結(jié)果。為了簡化操作，目前國際上通用的曲線設(shè)置方式是：通過I-V曲線上的四個特征值，即Voc(開路電壓值)、Isc(短路電流值)、Vmp(最大功率點電壓值)、Imp(最大功率點電流值)來擬合得到完整的I-V曲線。所使用到的公式如下所示：
在上述公式的指導(dǎo)下，在太陽能方陣模擬器內(nèi)部可以精確的建立一條I-V曲線，用來仿真某一特定環(huán)境條件下太陽能電池板的輸出，如圖1所示。無論負(fù)載如何改變，太陽能方陣模擬器的工作點將始終位于這條曲線之上。
在實際工作環(huán)境下，由于光線照度和入射角時刻發(fā)生著變化，另外還有來自于云層遮擋的影響，太陽能電池板的輸出I-V曲線也將不斷發(fā)生變化。為了測試動態(tài)條件下太陽能逆變器的工作效果，需要事先保存多條I-V曲線，通過連續(xù)地對這些曲線進(jìn)行切換來實現(xiàn)動態(tài)光照變化的仿真。為取得良好的仿真效果，需要太陽能方陣模擬器具有足夠深度的存儲空間來存儲幾百條I-V曲線，并能及時快速地在曲線之間進(jìn)行切換，來模擬連續(xù)變化的工作環(huán)境。此外，通過對已有曲線增加不同的電壓或電流偏置，也可達(dá)到動態(tài)改變I-V曲線的目的。
如果目標(biāo)是為了驗證峰值功率追蹤電路的性能，開發(fā)出能在不同環(huán)境條件下始終工作在I-V曲線最大功率點上的太陽能逆變器，在電路的設(shè)計和開發(fā)中就必須考慮峰值功率跟蹤范圍和跟蹤頻率。峰值功率跟蹤范圍是I-V曲線最大峰值功率點附近的一段區(qū)間，這也是逆變器峰值功率跟蹤電路算法的工作區(qū)間，跟蹤頻率則是工作區(qū)間內(nèi)曲線的擺動速率，如圖2所示。為確保逆變器在模塊I-V曲線變化時始終能夠找到最大峰值功率點，它必須具有足夠?qū)挼母櫡秶妥銐蚋叩母欘l率。為驗證設(shè)計的有效性，需要根據(jù)精確復(fù)現(xiàn)太陽能電池板的I-V曲線來驗證在不同曲線下逆變器能否穩(wěn)定地工作在峰值功率點附近。
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安捷倫推出的E4360A模塊化太陽能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽能逆變器測試工具。它提供了三種I-V曲線生成方式，可以靈活的產(chǎn)生出所需要的各種I-V曲線，并可以儲存多達(dá)512條曲線，以及動態(tài)地模擬環(huán)境變化對太陽能電池板輸出的影響，從而測定逆變器的性能。用戶可用E4360A執(zhí)行加速壽命測試：為加快壽命測試，必須大大加快環(huán)境條件的變化速度，同時增加模塊輸出，這樣僅用短短幾周時間便可得到工作數(shù)年后的結(jié)果。利用E4360A，用戶通過生成模擬環(huán)境條件變化的I-V曲線，在很短的時間內(nèi)對一天中溫度和太陽輻射的變化對太陽能電池板輸出的影響進(jìn)行重復(fù)仿真，便可達(dá)到加速測試的目的。
總結(jié)
本文是對高效微型太陽能逆變器測試方法的探討，高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽能電池板中獲取電能外，還能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娔鼙M可能多地轉(zhuǎn)換為交流電能。而安捷倫推出的E4360A模塊化太陽能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽能逆變器測試工具。工程師們可以從中發(fā)現(xiàn)和選擇合適的方案來完成微型太陽能逆變器測試方法。
