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太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統為半導體行業(yè)帶來(lái)新機會(huì )
太陽(yáng)能和其它可再生能源將逐漸替代石油、煤炭等化石能源。據預測，到2050年各種一次性能源在世界能源消費構成中所占的比例將為：天然氣13%、煤20%、核能10%、水電5%、可再生能源(含太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)50%。太陽(yáng)能以其儲量的“無(wú)限性”、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性、安全性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟性等優(yōu)勢，將成為人類(lèi)理想的替代能源。
根據歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì )(EPIA)的數據顯示，2010年太陽(yáng)能發(fā)電量的增幅可達4倍，達 5550 兆瓦。如圖1所示，為歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì )對全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電量的預測。
圖1? 歐洲光伏行業(yè)學(xué)會(huì )對全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電量的預測
在中國，據報道2010年以前太陽(yáng)能電池多數是用于獨立光伏發(fā)電系統，從2011年到2020年，光伏發(fā)電市場(chǎng)主流將會(huì )由獨立發(fā)電系統轉向并網(wǎng)發(fā)電系統。未來(lái)15年內，中國將投資2000多億元，充分利用西部地區和沿海地區太陽(yáng)日照時(shí)間長(cháng)的優(yōu)勢，興建太陽(yáng)能供熱系統、太陽(yáng)能光熱應用示范工程和大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，大力發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)。預計到2015年，中國的光伏產(chǎn)量將達到1GWp，位居世界先進(jìn)水平，2020年將達到35GWp。
因此，市場(chǎng)上有望出現并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統的建設高潮，本文首先介紹太陽(yáng)能供電系統的基本概念，并結合具體電路說(shuō)明用于并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統的逆變器智能控制技術(shù)，從而說(shuō)明太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將給半導體行業(yè)帶來(lái)的新機遇。
太陽(yáng)能供電系統：概念和發(fā)展方向
太陽(yáng)能供電系統由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：
1. 太陽(yáng)能電池組件是太陽(yáng)能供電系統中的核心部分，也是太陽(yáng)能供電系統中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來(lái)，或推動(dòng)負載工作。太陽(yáng)能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統的質(zhì)量和成本。
2. 太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過(guò)充電保護、過(guò)放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應當是控制器的可選項。
3. 蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池組件所供出的電能儲存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。
4. 逆變器：由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽(yáng)能供電系統所供出的直流電能轉換成交流電能，因此，需要使用DC-AC逆變器。
隨著(zhù)全球能源需求的增長(cháng)，大型和超大型并網(wǎng)光伏電站系統的建設已經(jīng)在全球如火如荼地展開(kāi)，它們發(fā)出的電能直接并入高壓輸電網(wǎng)絡(luò )，并可參與電力的輸送和調配，因此，是世界各國未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電的重要發(fā)展方向。圖2所示為Navigant Consulting對未來(lái)幾年全球光伏市場(chǎng)發(fā)展趨勢的預測，其中可見(jiàn)，并網(wǎng)發(fā)電系統的增長(cháng)最快。
圖2? 未來(lái)幾年全球光伏市場(chǎng)發(fā)展趨勢的預測
在光伏發(fā)電系統中，除了防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放、防反充電等的控制器之外。逆變器也是光伏發(fā)電系統中的另一個(gè)關(guān)鍵部件，光伏發(fā)電系統用的逆變器對可靠性和逆變效率有很高的要求，其中，如何提高逆變器的DC/AC轉換效率是業(yè)內面臨的關(guān)鍵挑戰之一。
光伏發(fā)電系統逆變器：半導體行業(yè)發(fā)展的新機遇
逆變器電路的基本框圖如圖3所示，首先，由DC/DC轉換(圖中沒(méi)有顯示DC/DC轉換和調整部分)提升或降低輸入的電壓，調節其輸出以實(shí)現最大的效率。在經(jīng)過(guò)一些附加的電壓緩沖之后，左側電橋中的MOSFET通常由18~20KHz的開(kāi)關(guān)頻率，把DC電壓轉換為AC電壓。一般來(lái)說(shuō)，單相H橋是DC/AC級的常見(jiàn)配置，但是，也可以采用三相和其它配置。最后，低通濾波器平滑由開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的交變電壓，從而產(chǎn)生用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的正弦交流電輸出。
圖3? 逆變器電路的基本方框圖
一般來(lái)說(shuō)，輸入直流電壓要比交流輸出電壓的電平要高，但是，由太陽(yáng)能電池板提供的輸入源電壓通常沒(méi)有那么高，因此，系統可以在交流輸出一側采用變壓器提升電壓，或在DC/DC轉換級提升直流電壓。
在變壓器方案中，雖然它增加重量和逆變器的體積，并增加成本及造成轉換效率的降低，但是，通過(guò)隔離變壓器兩側的電路，它們提高了電路保護和人的安全性，防止直流電流到交流電一側，而交流電的漏電流也不會(huì )造成光伏電池板與地之間的潛在問(wèn)題。
在不采用變壓器的系統中，為了防止負載切換時(shí)或者當外電路有嚴重擾動(dòng)時(shí)燒毀MOSFET，在設計中要采用一種剩余電路保護器件(RCD)來(lái)監測各相的電流，如果電流超過(guò)某個(gè)數值，該器件就會(huì )觸發(fā)保護繼電器斷路，從而保護轉換和充電電路部分，使之免受電網(wǎng)上電壓浪涌的破壞。
此外，如果電力線(xiàn)受到破壞或被迫關(guān)閉，逆變器就要停止向用電設備或電網(wǎng)供電。如果電力線(xiàn)電壓偏低或欠壓、或出現巨大的擾動(dòng)時(shí)，要采用一種用于“非孤島”逆變器的傳感器來(lái)感測這種情況。當出現這種情況時(shí)，逆變器將自動(dòng)地關(guān)閉向電網(wǎng)供電，或把電力傳輸到其它地方，從而防止它成為電力發(fā)電的“孤島”。
正如DC/AC轉換的效率取決于輸入電壓一樣，電池充電的效率也取決于輸入電壓。光伏板由于受到季節、云層覆蓋及日照時(shí)間的影響，電池的充電狀態(tài)也會(huì )不斷地變化。
有時(shí)候，降低給電池的電壓而提高電流會(huì )提高總功率并加速充電;在另一些時(shí)候，可能有必要犧牲一些電流以實(shí)現更高的電壓，從而實(shí)現完全地充電。如圖4所示，對電池的最大輸出功率出現在電壓和電流積的峰值處。
圖4? 當電壓和電流之積為峰值時(shí)，對電池的輸出功率為最大
最大功率點(diǎn)輸出跟蹤(MPPT)被設計為確定這個(gè)峰值并調節DC/DC電壓轉換，以最大化充電輸出。在冬季里，MPPT能夠把太陽(yáng)能發(fā)電系統的效率提高1/3。確定MPP的一種方式就是在每一個(gè)MPPT周期中，由控制器調節PV板的工作電壓，并觀(guān)察其輸出電壓。
為了確定真正的MPP點(diǎn)，MPPT算法在足夠寬的范圍內振蕩，以避免因云層覆蓋或平靜的微風(fēng)導致錯誤地選擇功率曲線(xiàn)上的局部峰值作為MPP點(diǎn)。但是，這種方法的不足之處在于：在每一個(gè)周期中，它都偏離MPP點(diǎn)振蕩，跟蹤的效率低下。
作為一種替代解決方案，人們提出了一種增量自感算法，通過(guò)定義一個(gè)峰值，然后，求解功率曲線(xiàn)的微分，從而得出MPP點(diǎn)。雖然這種方法沒(méi)有因寬范圍振蕩引起的低效率問(wèn)題，但是，它存在把本地峰值誤設為MPP點(diǎn)的可能。
把上述兩種方法結合起來(lái)，既能夠在較寬的范圍內掃描，避免把局部峰值作為MPP點(diǎn)，同時(shí)，又能夠提高最大功率點(diǎn)輸出跟蹤的效率，但是，這就需要采用性能最強的控制器。
用于逆變器的數字信號控制器必須滿(mǎn)足若干實(shí)時(shí)處理的需要，以有效地執行精密的算法，從而提高DC/AC轉換的效率并實(shí)現電路保護的功能。例如，德州儀器(TI)不久前宣布推出業(yè)界首款浮點(diǎn)數字信號控制器(DSC)—TMS320F2833x，在世界環(huán)境日之際以創(chuàng )新技術(shù)推動(dòng)工業(yè)應用的環(huán)保發(fā)展。新型 TMS320F2833x 能夠以150MHz頻率提供每秒3億次浮點(diǎn)運算(MFLOPS)，同時(shí)還能降低定點(diǎn)處理器的相關(guān)成本。該浮點(diǎn)處理器可幫助工業(yè)控制設計人員簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，增強系統性能，提高節能效率，因此，能夠使太陽(yáng)能逆變器提高太陽(yáng)能板的能量轉換效率，改善變速交流(AC)驅動(dòng)的功率與性能。
目前，全球領(lǐng)先的太陽(yáng)能逆變器制造商大都采用TI的DSC，以最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法以及不同負載情況下(如陰天、光照不強等)的動(dòng)態(tài)算法調節來(lái)實(shí)現最大化系統峰值效率。
此外， 近來(lái)科學(xué)家研究發(fā)現，SiC器件具有優(yōu)于GaAs和Si器件數倍的熱傳導率和電場(chǎng)擊穿電壓，因其效率高，性能好，制成的肖特基二極管成為了太陽(yáng)能系統的理想解決方案，同樣值得關(guān)注。
結語(yǔ)
中國政府在《可再生能源長(cháng)期規劃》提出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機容量到2010年將發(fā)展到450MWp，而2005年全國太陽(yáng)能發(fā)電裝機容量?jì)H為6.5MWp，這就意味著(zhù)中國太陽(yáng)能裝機容量的復合增長(cháng)率將會(huì )高達38%以上。了解目前太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)，把握太陽(yáng)能光伏行業(yè)發(fā)展趨勢，對于半導體行業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。