06-陕西新通--MPPT专利技术提升绿色能源转换效率V0.1

MPPT专利技术提升绿色能源转换效率 陕西新通智能科技有限公司 余新洛 摘要 绿色一体化供电系统主要由太阳能电池板、一体化控制系统、风机、市电、油机、蓄电池等组成。绿色新能源供电系统供电可靠、长期成本低、维护量少，且能耗极低，符合国家节能减排政策。本文介绍了绿色节能站点建设工程中新通太阳能电池最大功率点跟踪 MPPTMaximum Power Point Track 技术特点，阐述了具备 MPPT功能的控制器在效率转换、系统投资、运行成本、节能减排等方面的优势，在绿色新能源低成本建设中有广阔的应用前景。 关键字 绿色新能源供电，节能减排，系统工作转换效率、 MPPT、低成本 中国通信市场 3G建设速度不断加快， 各通信运营商都在加快 3G网络基站建设， 优化网络布局。 预计到 2011 年底，各通信运营商基站数量将超过 40 万。随着基站数量的突增，一个不可回避的问题摆在了中国三大主要通信运营商面前，其年电力消耗将突破 300 亿度，而基站设备能耗就占据了通信网络设备能耗的 90，巨额电费成为运营商巨大的成本支出组成部分，以中联通为例，目前近 30 万个 2G站点， 10 万余3G基站，每年仅电费支出超出 30 亿元。另外，从节能减排、低碳环保，环境可持续发展的角度讲，能耗问题已经上升到国家层面。 国家提出要加大攻坚力度， 确保节能减排领域取得重大进展。 中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要将节约资源和环境保护作为基本国策，明确提出“建设资源节约型、环境友好型社会”，设定到 2010 年单位 GDP能耗要比 2005 年降低 20的节能减排目标，到目前这个目标基本得以实现，新的十二五规划中要求单位 GDP能耗进一步降低。 国内各大运营商理智面对 3G基站建设，纷纷采用节能环保新技术， 2007 年起，中移动在通信业率先提出以节能减排为核心的“绿色行动计划”，以“绿色”为中心，建设太阳能、风能等新能源站点，减少甚至最后摒弃化石能源。 以太阳能为基础的可再生绿色能源替代化石能源带动基站运行是最好的应用模式。 各运营商开始在偏远无市电地区发展独立太阳能或风光互补供电基站，如中移动在西藏，中联通和中电信在新疆、青海、内蒙等地已建成国内通信领域最大的绿色新能源基站群；但由于独立太阳能或风光互补供电基站存在一次性投资大、转换效率低下、电池寿命短、风光资源区域性限制、供电可靠性相对较差的特点，限制了该类方案在基站节能方面的大规模应用，目前主要应用在荒漠、高山、海岛等偏远无市电及市电造价过高地区。 如何提高太阳能系统的利用效率，实现太阳能组件在不同使用条件下的最大功率输出，减少组件使用数量，降低单位建设成本，这对太阳能电源系统的低成本网络建设发展及其重要。为满足基站大规模利用可再生绿色能源需求， 陕西新通智能科技有限公司潜心研发十年而成的具有 MPPT 技术的新能源供电系统，能全面提供光风电油互补一体化系统解决方案。具有太阳能最大功率自动跟踪 MPPT（以下简称 MPPT）结构的一体化控制系统。除具备一般太阳能电源控制器功能外，还能大幅提升太阳能电池和电源系统的整体输出效率（提升 2030），与普通太阳能控制器相较，在负载相同的情况下，使用 MPPT 控制器可减少客户站点投资，或在投资相同的情况下，可向更大容量的客户通信站点供电。该方案采用太阳能输入优先、风能或市电加以补充、蓄电池后备的供电方式，最大化利用太阳能，可大范围、大规模应用于太阳能资源丰富或可利用地区的众多通信基站， 以帮助运营商达成节能减排指标， 建设低碳网络， 树立企业形象。太阳能电池是太阳能的能量转换关键设备，但目前在对太阳能的利用中，有相当一部分“死角”未被充分开发，从而在可再生绿色能源的开发利用方面形成了相当的浪费。显然，引入先进的控制转换技术，进一步优化现行控制设备，最大限度地挖掘可再生绿色能源的裕量“死角”，是太阳能应用领域的高端突破。国内以太阳能为基础的绿色电源系统大部分为离网型供电系统，大部分太阳能控制器控制功能简单，主要存在以下问题1．系统利用效率低，不能让太阳能电池组件输出最大功率；2．对蓄电池的充放电管理功能较差，蓄电池运行寿命短；3．控制器对系统的监控和管理功能较差；4．系统为非模块化设计，扩容改造难度大；以上问题是否可以得到有效解决，是否能够提高太阳能系统的转换和利用效率，实现太阳能组件在不同使用条件下的最大功率输出，这对太阳能电源系统的发展极其重要。这就要求在满足通信可靠性要求的前提下，最大限度的利用风光等绿色能源。为此我们在两个方面进行了细致的研究第一个方面、最大限度提高太阳能、风能电源的系统转换效率在绿色能源基站系统建设中，太阳能电池成本占系统投资比例在 60以上，因此，如何在满足使用的前提下，尽可能提高太阳能电池发电效率，减少太阳能电池用量，大幅降低系统投资就是应关注的重点。在通讯太阳能电源中引入 MPPT 技术，使太阳能系统的工作效率提高就是一个好的解决途径。第二个方面、 存在多种能源输入可行的站点， 可引入多能量输入模式为通讯负载供电， 在风、 光、 电、油、蓄等混合能源系统中设计能量使用优先权。一体化混合能源系统中，设计了能量优选使用功能，优先使用太阳能、风能；市电、油机能源作为在线式候补电能，自动补足太阳能、风能的欠缺部分；蓄电池作为系统的 “ 机动 ” 电能。市电供应有规律的站点，合理参加供电组合，使得在不影响系统供电可靠性和蓄电池使用寿命的前提下，最大限度的利用风光资源。采用风光油电蓄互补一体化供电系统，能保证重要基站全年供电不间断供电。为此，我们采用以下技术和手段来实现一、 MPPT 技术1．太阳能电池的输出特性曲线图 1 不同太阳能辐照度下太阳能电池的输出特性曲线 图 1 的电流－电压特性曲线显示了通过太阳能电池（组件）传送的电流 I 与电压 U在特定的太阳能辐照度下的关系。太阳能电池电路短路，即 U0，此时电流为短路电流；电路开路即 I ＝ 0，此时电压为开路电压。太阳能电池的输出功率等于流经该电池的电流与电压的乘积，即 P＝ IU。 从图中可以看出，当太阳能电池的电压上升时，太阳能电池的输出功率亦从 0 开始增加；当电压达到一定值时，功率可以达到最大；如果阻值继续增加，功率将越过最大点，并逐渐减少至 0，即太阳能电池达到开路电压。太阳能电池输出功率达到最大的点称为最大功率点；该点所对应的电压为最大功率点电压Um；该点对应的电流为最大功率点电流 Im；该点的功率则称为最大功率 Pm。 由此可见，太阳能电池的输出功率不仅受到日照、气温等自然环境的影响，在同等自然条件下，输出功率也会受到负载特性的制约。若要获得最大功率输出，则应将太阳能电池的输出电压稳定在最大功率点电压 Um。 以 12V 标准 85Wp太阳能组件为例，在不同的光照下，虽然太阳能电池的最大功率随辐射度下降而降低，但最大功率对应的电压点（最大工作电压）却几乎不变，均为 18V 附近。 图 2 不同照度下，组件功率分布曲线 在太阳能控制器中引入 MPPT技术（最大功率跟踪 Maximum Power Point Track ，以下简称 MPPT），使太阳能组件始终追踪其最大工作点，则相对于早期的 PWM脉宽调制型、方阵投切型控制器来讲，最大功率跟踪型控制器系统增加的输出功率就会增加很多，如图 3 所示。 2． MPPT型控制器 MPPT型控制器在太阳能电池的输入端设有 MPPT电路，采用高频开关电源工作方式设计，利用内部斩波器将太阳能方阵输入的波动直流电能转换成脉冲电能，再通过内部的脉冲变压器将脉冲电压调整到需要的电压值上，最后经过输出稳压滤波器输出给负载。 MPPT型控制器的工作原理框图 4 所示。 MPPT型控制器的工作等效电路如图 5 所示。 控制器工作时，按图 6 所示不断地给阵列输出电压的脉冲以一个电压增量 Δ U。假设测得阵列当前的输出功率为 Pd，被存储的前一时刻的功率为 Pj ，若通过乘法器计算测得 Pd＞ Pj ，则取 UUΔU 后再测量和比较；反之，测得 Pd＜ Pj ，则取 UU－ΔU 后再测量和比较，直至实时搜索到阵列的最大输出功率点，并动态地保持它。 图 6 扰动观察法实现 MPPT的过程示意图 控制器后部的高频脉冲变压器将最大功率点的脉冲电压（ 64～ 70V DC） 变换为负载供电电压（ 43～ 57V DC），在降压过程中，电压降低，电流增大，控制器输出给负载的电流大于太阳能方阵提供的输入电流，实现了太阳能电池的最大功率点输出，提高了系统工作效率。 环境温度越低，太阳能的最大功率点电压就越高，此时输入电压也就越高；太阳能控制器的输入输出压差越大，系统的效率提高也就越大。 太阳能电池最大功率跟踪的好处在于 早晨温度低， 蓄电池亏欠， 输入输出压差大； 冬季虽然照度小，但温度低，使得输入输出压差也大，这就使得电源系统在关键的时候，能得到更大的输出功率。 3． MPPT型制器的优势 1）具备 MPPT功能，系统工作效率高，节约投资 蓄电池稳压型控制器自身工作效率较高，一般可达到 98％以上，但因为输出电压受蓄电池电压钳制，无 MPPT功能，系统的整体工作转换效率只能达到 80％左右。 DC-DC直流变换型控制器具备 MPPT功能， 系统的工作效率决定于控制器的转换效率， 目前 DC-DC直流变换效率可达到 94，故 DC-DC直流变换太阳能控制系统工作转换效率可达到 92％以上，相对于蓄电池稳压型太阳能控制器可以提高约 10％以上的系统利用率，相应可以减少 10以上的太阳能组件配置而不降低输出功率，电源系统整体建设成本可大幅降低。 陕西新通智能科技有限公司 2008 年 4 月在泰尔实验室、 2008 年 8 月在黑龙江省进行了两次 MPPT型控制器与蓄电池稳压型控制器的对比测试。两次测试均采用相同容量的控制器，并接入相同容量和规格的太阳能电池组件进行对比。 第一次测试为简单的实时输出功率对比，实际测试结果为具备 MPPT功能的控制器比不具备 MPPT功能的控制器输出功率高 15％以上。 第二次测试分成以下两种方法进行 ①测试 MPPT控制器与 PWM控制器，在相同太阳能电池方阵（ 3000Wp）输入、相同负载（ 5Ω）时，其输出总功率的差异。此测试结果为 MPPT 比非 MPPT控制器输出总功率增大 51.8。 ②测试 MPPT控制器与 PWM控制器， 在相同太阳能电池方阵 （ 3000Wp） 输入情况下、 相同负载 （ 300W） 、相同荷电状态的蓄电池组（ 48V/1000Ah，放电至 80％容量）时；此项测试进行了两次，测试结果分别为MPPT比非 MPPT控制器输出功能增大 12.0和 9.0 ％。 具体测试过程请见如下说明 图片说明 2008 年 9 月中移动在哈尔滨对 MPPT（ MPPT）太阳能电源和 PWM投撤型太阳能电源进行了对比测试。采用了两组同型号 3000WP太阳能方阵，通过不同控制器，分别接到两组 48V1000Ah 的同型号同亏电状态的蓄电池上，用计算机实时记录工作参数。对比结果见后。 对比结果 1 MPPT（ MPPT）太阳能电源与蓄电池稳压型电源的测试比较数据（ 080913 纯电阻负载） 0500100015002000250030001 158 315 472 629 786 943 1100 1257 1414 1571 1728 1885 2042 2199 2356 2513 2670 2827 2984 3141 3298 3455 3612 3769系列1系列2系列 1 MPPT 控制器（红 黄） 系列 2 非 MPPT控制器（黄） MPPT 控制器的输出功能 4443040/360 12341.78WH 非 MPPT控制器的输出功能 2926584/3608129.4WH MPPT 比非 MPPT控制器输出功能增大率 51.8 因为测试记录是 10 秒采样 1 次 , 每小时有 360 个 10 秒，除 360 是将瓦秒换算成瓦时 . ） 对比结果 2 MPPT（ MPPT）太阳能电源与蓄电池稳压型电源的测试比较数据（ 080921 蓄电池负载） 050010001500200025001 179 357 535 713 891 10691247 1425160317811959 213723152493 26712849 30273205 338335613739 39174095 4273系列1系列2系列 1 MPPT 控制器（红 黄） 系列 2 非 MPPT控制器（黄）MPPT 控制器的输出功能 4407622/360 12243.39W 非 MPPT控制器的输出功能 3935595/360 10932.21WH MPPT 比非 MPPT控制器输出功能增大率 12.0 对比结果 3 蓄电池进入均充控制点时， MPPT 和 PWM投撤型控制系统功率波形比较（ 081203） 050010001500200025001 33 65 97 129 161 193 225 257 289 321 353 385 417 449 481 513 545 577 609 641 673 705输出功率 1W输出功率 2W在蓄电池刚进入均充控制点时， PWM投撤控制器进行子阵投撤动作，出现较大的能量脉冲（ PWM 尚未动作），意味着在投切过程中，接入太阳能子阵时仍以大电流充电，而撤出太阳能子阵后，停止充电，蓄电池处于频繁的充放电状态，，没有均充管理。这和 MPPT系统的差异很大， MPPT 在平稳地进行均充。 系列 1 MPPT 控制器 黄 红 系列 2 非 MPPT控制器 黄 MPPT 控制器的输出功能 607190.5/360 1686.64WH 非 MPPT控制器的输出功能 507880.1/360 1410.78WH MPPT 比非 MPPT控制器输出功能增大率 19.6 对比结果 4 MPPT和 PWM太阳能系统在蓄电池达均充状态时，温度补偿性能的比较（ 081130） 050010001500200025001 37 73 109 145 181 217 253 289 325 361 397 433 469 505 541 577 613 649 685 721输出功率 1W输出功率 2W由于环境温度的降低， MPPT自动抬高了均充电压， 使得充电电能增大， 而 PWM系统处于脉宽调制状态，温度补偿不明显。 系列 1 MPPT 控制器 黄 红 系列 2 非 MPPT控制器 黄 MPPT 控制器的输出功能 1487848/360 4132.91WH 非 MPPT控制器的输出功能 1184776/360 3291.04WH MPPT 比非 MPPT控制器输出功能增大率 25.6 对比结果 5 MPPT和 PWM太阳能系统在蓄电池在均充状态后期时，均充功率波形比较（ 081203） 050010001500200025001 35 69 103 137 171 205 239 273 307 341 375 409 443 477 511 545 579 613 647 681 715输出功率 1W输出功率 2W在蓄电池接近饱满时，能够明显的看出在蓄电池达到均充控制点时， PWM 系统的能量脉冲；当太阳能电池接入时，仍然是高能脉冲为蓄电池充电，当太阳能电池切出时，由蓄电池为负载供电。此时 MPPT系统以稳定的功率为蓄电池均充。 以中国通讯行业每年需采购太阳能电池组件容量为 10MWp为例，若全部采用具备 MPPT功能的控制器，可以至少节省太阳能组件容量 10MWp 10％＝ 1000000Wp。 按 2011 年平均采购价格 10 元 /Wp 计算，可以节约太阳能组件采购成本 1000000Wp 10 元 /Wp＝ 10， 000， 000 元（1 千万）。 同时，太阳能组件、支架的制作、安装、运输成本也相应减少，其地基基础建设可以相应减小规模，同样可以节约可观的投资。 目前 MPPT型控制器在所有各型控制器中价格居中。由此可见，若在太阳能电源系统中采用 MPPT型控制器可以节约大量投资。 2）模块化设计，系统可靠性高 MPPT型一体化控制系统是模块式控制设备， 可采用 N1的工作方式组建控制系统， 设备的电能管理由多个模块共同承担，系统工作可靠性大大提高。模块化设计也便于设备使用和维护。 系统中太阳能组件被分成多个子方阵，每个子方阵分别连接至不同的 DC-DC直流变换稳压模块；系统由多个 DC-DC直流变换稳压模块并联组合而成，模块输出侧的正极和负极分别汇流到直流配电公用正极和负极汇流排。每个模块均为独立的可插拔式单元，单个 DC-DC直流变换稳压模块故障时，不影响其他模块正常工作。 同时系统具有多种输入能量选择功能， 太阳能优先， 上一级能量不足时， 不足部分由下一级自动补足，蓄电池电能只有在最需要时才启用，充分延长蓄电池的待机时间。 MPPT型一体化控制系统为稳压输出模式， 系统不依靠蓄电池组稳压， 蓄电池的优劣不影响控制模块的正常工作；晴天时，系统可在切除蓄电池组的情况下正常为负载供电，有利于随时拆卸检修蓄电池，而蓄电池稳压型控制器在蓄电池失效或者拆除时，系统无法正常工作。 3）对蓄电池的充放电具有很好的管理功能 MPPT型一体化控制系统采用统一的监控管理模块， 根据蓄电池的荷电状态， 调整系统的输出电压至浮充电压值或者均充电压值（也可以调整输出电压值为恒定值）。控制系统可以依据蓄电池的电压、充电电流准确判定蓄电池是否充满，从而调整输出电压。 MPPT型控制一体化系统的太阳能方阵始终挂接在系统初级回路上， 负载连接在次级回路上； 太阳能方阵不需分组，不存在甩接，只是输入电压、电流的占空比会产生变化，因而在日照较好的天气中，不会让蓄电池组充满后放电，可以充分延长蓄电池的待机工作时间。 4）扩容性好、维护方便 MPPT型控制器采用模块化设计， 可实现 N1方式扩容； 而蓄电池稳压型控制器无法实现 N1方式扩容。采用模块化设计，模块可互换，易于维护。 5）监控功能 离网型太阳能电源系统建设站点一般都比较偏远， 维护距离远、 难度大， 因而远程监控尤其重要。 MPPT控制器具有监控功能，具备 RS232/RS485通信接口并提供相应的通信协议。控制器可以监控以下内容直流输出电压高、蓄电池组端电压过高、蓄电池欠压、太阳能控制器故障、蓄电池充电电流、负载电流和控制器总输出电流。 推荐控制器应增加以下监控内容 控制器机箱内温度、 蓄电池温度、 控制器机箱外温度、太阳能电池组件被盗和蓄电池实时端电压。 4． MPPT节能减排推算 2009 年我国用于离网型太阳能电源的建设资金超过一百亿元人民币。 考虑到可再生绿色能源的发展已被提升到国家能源战略高度，则预计有每年 30的增长速率。现以上述参数作三年增量核算，则离网型太阳能电源 MPPT控制系统的大规模应用所带来的经济和社会效益请见下表所示。 201012 年离网型太阳能 MPPT控制系统全国应用增产节能减排状况 序号 项目 参数 单位 备注 1 投资建设总量 519 亿元 三年递增总量，下同 2 投资建设总容量 2076 M工程瓦 3 减少投资 100.69 亿元 4 增产电力 2275200 MWh 按应用省区年均日照 2500h 计算 5 减耗标煤 659.81 MT 按火电生产标煤消耗量 290 T/Mwh 计算 6 减排炭粉尘 448.21 MT 按火电生产粉尘排放量 197T/Mwh折算 7 减排 CO2 1749.63 MT 按火电生产 CO2排放量 769T/Mwh 折算 8 减排 SO2 13.13 MT 按火电生产 SO2排放量 5.77T/Mwh 折算 9 减排 NO2 4.37 MT 按火电生产 NO2排放量 1.92T/Mwh 折算 二、能量使用优先权设计 在现有基站通信系统中，往往存在一体化多能源输入，如图 7 所示，采用一体化控制器系统，在多能量输入时采用能量优先权设计，使用太阳能、风能优先、市电、油机补充、电池后备的供电方式，最大化利用太阳能、风能等绿色能源，可大范围、大规模应用于太阳能、风能资源丰富或可利用地区的众多通信基站，以帮助运营商达成节能减排指标，建设低碳网络，树立企业形象。 图 7 风光油电一体化电源控制系统结构示意图 一体化控制器为模块化组合结构，太阳能、风能、市电、油机功率模块均为独立的“恒压源”，具有稳压功能和防反灌功能，并能够自由设定各模块的工作电压（电动势），并机“线与”工作。 一体化控制器采用电位比较法排列能量使用顺序。太阳能、风能经各自模块整流稳压后，其输出电位被设置为同一电位，列为第一级别（最高级别），只要风、光能量具有输出能力，一体化控制器就能够同时利用太阳能、风能能量。 简而述之，太阳能电源本质是一个充电器，不论均充还是浮充，系统实际输出电压都等于蓄电池组电压。 新通一体化控制系统中太阳能、风能模块和交流模块、油机模块是直接并联在母排上， 相当于“线与”在一起，如果蓄电池组亏电，只要模块的设置工作电压（以后简称电动势）高于蓄电池组电压（暂不考虑防反灌二极管压降），各个模块都具有输出能力（图 8 中的 Uo）；当充电的蓄电池组电压升高，设置电动势低于蓄电池组电压的功率模块将失去供电能力。 竞争输出原则是 电位低的模块不能阻停电位高的模块，电位高的模块可以阻停电位低的模块。这样利用电压源“线与”的竞争输出原理，实现了各个模块的供电顺序控制。当两个模块的输出电压设置相同时，其输出能力也一样，这就实现了太阳能、风能同时被利用的要求。 当然不可能设置出完全一样的电动势，实际使用时，同一供电级别的各个模块，设置的电动势也会有很小的差异，肯定会出现竞争输出现象，即电动势高的模块阻止电动势低的模块输出。但对于蓄电池组而言， 特别是在接近饱满时， 已经不需要很大的能量， 只要满足需要， 不论是太阳能还是风能模块提供电能，都是利用了风光能源，对系统输出特性没有影响。 由于太阳能比风能稳定可靠，二选一时，我们会侧重选择太阳能供电，因此，新通在设置太阳能模块电动势时，会略微高于风能模块 0.1V 左右。（同一级别的市电和油机模块的处理方式也一样，二选一时，市电模块会略微高于油机模块 0.3V 左右。 两个模块的工作电动势一样时，本应该是均流输出，而有等同的输出功率。不过，由于太阳能和风能的输入端能量是变化的，等同电动势的风能和太阳能模块并联在一起，太阳能风能的输入功率不同时，其模块的输出功率也会相应不同。通过设计，只要模块的输入端的能量能够驱动控制模块电路本身的启动功耗，模块就能够有恒定的工作电动势。这样当等同电动势的模块输入的能量不同时，模块的输出能量会与其输入能量等比增减，使每个等同电势的模块都有相应的能量输出，达到最佳的输出效果。不会因模块的输入端能量的不同，造成弱势模块雪崩式的阻断停机。此性能体现在 N个等同电动势的太阳能模块或风能模块上。图 8 一体化控制器各类模块连接方式等效图目前新通公司研发生产的具有 MPPT 技术的太阳能供电方案已经在新疆、西藏、四川、青海、内蒙、云南、黑龙江、辽宁、宁夏、海南、浙江等十几个省市通信运营商中大规模使用。在同样的投资状况下，能增加 10效能，并延长蓄电池的更新周期，为通信绿色新能源低成本建设做出了巨大贡献。 作为新能源解决方案的先锋，新通智能科技有限公司基于 MPPT技术打造的可再生能源解决方案在可用性、可靠性、灵活性、智能化等方面都独具优势。随着国家节能减排战略的不断推动，这一解决方案将帮助运营商更好控制成本，同时也为中国的节能减排事业做出更大的贡献。