太阳能设计中集成MCU比微逆变器更经济高效

微逆变器通过在单个电池板级别上进行电能转换，为太阳能收集提供了有效的解决方案。高度集成的MCU的出现为微逆变器设计提供了一种有吸引力的方法，降低了复杂性的成本，这是过去限制微逆变器广泛采用的问题。

 

太阳能收集系统已经从传统的集中式解决方案发展出来。与基于单个中央逆变器或多个串联逆变器的系统不同，微逆变器将电能从单个电池板上进行转换。然后，微逆变器在输出端将每个电池板上产生的交流电能进行合并，供给负载。

通过在每个太阳能电池板上产生交流电能，微逆变器的方法减少或消除了与中央逆变器甚至串联逆变器系统相关的昂贵布线、冷却和其他设施要求的成本。在设施级别，由于照明、阴影、污垢或电池板老化所产生的整体转换效率的损失大大降低。虽然使用微逆变器会增加单个电池板的成本，但太阳能系统的总体成本通常较低，并且具有更高的转换效率。

 

经济实惠的解决方案

 

尽管微逆变器具有明显的优势，但作为传统逆变器系统的经济实惠替代方案，它们发展缓慢。过去，太阳能逆变器设计的复杂功能增加了这些系统的成本，足以抵消集中太阳能解决方案的缺点。事实上，为了最大限度地提高太阳能转换，需要对不断变化的环境条件做出响应，需要复杂的系统设计，难以实现适用于单个太阳能电池板所需的成本和效果。

在理想情况下，太阳能电池板在其IV曲线上的特定点上产生最大功率输出，这由环境和电池板自身的特性所决定。实际上，在实际应用中，这个最大功率点（MPP）可能很难捕捉，它会随着阴影从云层或污垢的遮挡而移动到功率曲线上的不同点。复杂的太阳能系统使用最大功率点跟踪（MPPT）方法来修改电池板的工作电压，以确保在不同条件下电池板产生其最大功率输出。

 

流行的MPPT方法，如扰动观察（P&O），使用简单的方法定期调整电池板的工作电压，以寻找能够提高电池板功率输出的任何电压增加或减少。如果电压的增加导致功率输出降低，P&O算法将在下一个调整步骤中逐步减小工作电压，然后重复此过程，直到在任何方向上进行电压的增量变化都会导致电池板功率输出降低。然而，在实践中，功率输出曲线中出现的局部极大值通常需要更复杂的方法，而不仅仅是简单的步骤增量。

 

基于MCU的解决方案

 

在过去，构建有效的MPPT系统是一个复杂的任务，工程师们可能不得不面对局部极大值或其他因素这样的特殊情况，这可能会快速增加成本和延长进度。如今，工程师们可以找到各种可用的设备，能够提供完整的解决方案，并且只需要最少的额外组件。事实上，集成的MCU提供了芯片上的功能，能够满足测量和分析的要求，通常只需要在输入端进行电压和电流传感的补充模拟电路，以及在输出端进行电源调节。MCU制造商通常提供相关的软件库，其中包括即用的MPPT算法，进一步简化了微逆变器设计师的设计流程。

对于MPPT实现，适用的MCU结合了处理器核心、存储器和一整套模拟外设。至少，这些MCU提供了用于测量电池板电压和电流的模数转换器（ADC）、用于精确模拟处理的电压参考和模拟比较器，以及在电压转换阶段所需的脉宽调制（PWM）输出。

 

除了需要具有必要的片上外设和实时性能的MCU之外，开发太阳能收集中的高电压应用的工程师还可能面临安全要求，例如IEC 61508 SIL-3安全标准。为了应对这一新要求，MCU厂商提供出许多不同的地系列产品，这些设备围绕一对在锁步运行的ARM Cortex-R4F核心构建，结合了ADC和PWM，具有能够不断监控其自身运行并提供几乎即时的故障检测而不影响性能的功能。

 

将微逆变器放置在每个太阳能电池板上可以实现高效的太阳能转换并降低成本。然而，过去，提取太阳能阵列的最大功率所需的复杂设计使这种分散式方法的广泛使用受限。如今，工程师们可以利用广泛的MCU系列，这些MCU集成了执行高效能量收集所需的外设，实现基于MCU的经济高效的微逆变器设计，满足各种应用性能要求和功能能力。