太陽能光伏逆變器

 

利用太陽輻射直接產生的電能絕大部分來自太陽能光伏(PV)電池
，它將光子能量轉換成電子流，進而形成電流。圖1所示為大型光伏發電設備的航拍照片。

 

圖1. 亞利桑那州尤馬縣太陽能光伏發電設備1

 

太陽能光伏 (PV) 逆變器轉換來自太陽能電池板的電能並高效地將其部署到公用電網中。來自太陽能電池板的直流電（類似於直流電流源）會被轉換成交流，並以正確的相位關係饋送到公用電網上，效率高達98%。PV逆變器轉換過程可以分為一級或多級。

 

第 1 級通常為從構成太陽能電池板的低電壓高電流太陽能電池到與電網交流電壓兼容的高電壓低電流水平的DC/DC轉zhuan換huan。根gen據ju具ju體ti拓tuo撲pu結jie構gou，如ru果guo直zhi流liu端duan以yi串chuan聯lian方fang式shi連lian接jie有you足zu夠gou多duo的de太tai陽yang能neng電dian池chi

，那na麼me可ke能neng無wu需xu該gai級ji，便bian可ke確que保bao所suo有you負fu載zai條tiao件jian下xia均jun具ju有you穩wen定ding的de高gao電dian壓ya。

 

在第 2級中，通常利用H橋拓撲結構將直流轉換成交流。PV逆變器設計可能會使用中性點箝位(NPC)等H橋變體來提高功效，並降低係統無功功率。

 

早期太陽能PV逆變器隻是將電能轉儲到公用電網的模塊。較新設計則強調安全性、智能電網整合並削減成本。設計人員正在考慮采用現有太陽能逆變器模塊中未使用的新技術來改善性能和降低成本。

 

一yi個ge關guan鍵jian因yin素su是shi基ji於yu計ji算suan機ji的de儀yi器qi儀yi表biao和he控kong製zhi，但dan必bi須xu使shi用yong隔ge離li柵zha來lai保bao護hu測ce量liang和he計ji算suan電dian路lu，使shi其qi不bu受shou功gong率lv處chu理li電dian路lu以yi及ji開kai關guan所suo引yin起qi的de瞬shun態tai信xin號hao影ying響xiang。本ben文wen將jiang討tao論luniCoupler® 隔離技術 如何利用ADI公司的隔離式模數轉換器(ADC)和柵極驅動器來降低太陽能PV逆變器的成本、增加智能電網整合度並提高其安全性。

 

智能電網

 

什麼是智能電網
？ IMS Research將智能電網定義為"一種自身能夠高效匹配和管理發電和用電並可最大程度地利用各種可用資源的公用供電基礎設施"。這意味著新一代太陽能PV逆變器需要更加智能，以便與智能電網連接，尤其是處理多個來源供電大於電網所需電能時出現的不平衡情況。因此

，PV係xi統tong智zhi能neng需xu要yao重zhong點dian關guan注zhu電dian網wang整zheng合he
，其qi中zhong貢gong獻xian係xi統tong電dian能neng的de每mei個ge方fang麵mian必bi須xu相xiang互hu配pei合he
，以yi穩wen定ding電dian網wang
，而er不bu是shi簡jian單dan地di開kai環huan供gong電dian。電dian網wang整zheng合he要yao求qiu更geng好hao地di對dui饋kui入ru電dian網wang的de電dian能neng進jin行xing測ce量liang、控製和質量分析。此外，新指令和更高的技術要求也需要新技術。

 

因yin此ci，智zhi能neng電dian網wang整zheng合he的de一yi項xiang重zhong要yao局ju部bu特te性xing可ke能neng是shi儲chu能neng，即ji通tong過guo將jiang不bu需xu要yao的de電dian能neng儲chu存cun起qi來lai供gong高gao峰feng時shi段duan使shi用yong，從cong而er減jian少shao電dian網wang中zhong的de湍tuan流liu。本ben文wen餘yu下xia部bu分fen將jiang重zhong點dian討tao論lun電dian氣qi隔ge離li在zai保bao護hu儀yi器qi儀yi表biao電dian路lu（用於測量和控製來源、互連和儲能元件）上的作用，並首要強調iCoupler技術的重要作用。具體而言，AD7401A隔離式ADC和ADuM4223隔離式柵極驅動器可提供滿足新型太陽能PV逆變器設計要求的性能。

 

隔離技術 

 

在iCoupler技術中
，變壓器會hui在zai兩liang個ge單dan獨du供gong電dian的de電dian路lu之zhi間jian耦ou合he數shu據ju，同tong時shi避bi免mian這zhe兩liang個ge電dian路lu之zhi間jian存cun在zai任ren何he電dian流liu連lian接jie。變bian壓ya器qi采cai用yong晶jing圓yuan級ji工gong藝yi直zhi接jie在zai片pian內nei製zhi造zao。位wei於yu鍍du金jin層ceng下xia方fang的de高gao擊ji穿chuan電dian壓ya聚ju酰xian亞ya胺an層ceng將jiang上shang方fang線xian圈quan與yu下xia方fang線xian圈quan隔ge離li開kai來lai。利li用yong1 ns脈衝編碼的輸入邏輯轉換送至變壓器的原邊。從一個變壓器線圈耦合到另一個變壓器線圈的脈衝由變壓器副邊上的電路來檢測。

 

隔離式ADC

 

圖2顯示的是一對與簡介中所述類似的太陽能PV逆變器。它們接到與電網相連的電源總線，可以單獨地進行測量和開關。每個太陽能電池板均連接到其DC/DC升壓電路，然後連接到DC/AC逆變器。（使用時，儲能電池的連接和開關均受控製。為了簡便起見，本文忽略了關於儲能的所有討論內容。

 

圖2. 太陽能PV係統示例

 

A數字信號處理器負責控製該過程。AD7401A隔離式ADC測量約為25 A的交流輸出電流。太陽能PV逆變器係統可能在輸出端連接有隔離變壓器，也可能沒有。如果為節省成本而省略該變壓器
，太陽能PV逆變器還必須測量輸出電流的任何直流成分。該"直流注入"存cun在zai與yu否fou及ji其qi幅fu度du是shi一yi個ge關guan鍵jian問wen題ti，因yin為wei如ru果guo注zhu入ru電dian網wang的de直zhi流liu電dian流liu過guo多duo，則ze可ke能neng導dao致zhi其qi路lu徑jing上shang的de所suo有you變bian壓ya器qi發fa生sheng飽bao和he。該gai值zhi必bi須xu限xian製zhi在zai很hen低di的de微wei安an範fan圍wei內nei
；因此，AD7401A必須測量25 A左右的交流電流和毫安範圍內的低直流電流。

 

AD7401A iCoupler隔離式Σ-∆調製器ADC對分流電阻上的電壓進行連續采樣，如圖3所示。其輸出為1位數據流
，該數據流會被隔離並直接饋入DSP。輸出流中1的密度代表輸入幅度
，可利用DSP中實現的數字濾波器來重構。

 

圖3. 隔離式AD7401A ADC

 

太陽能PV逆變器係統中需要隔離
，主要原因是交流電網上的高電壓。即使是在單相係統中，交流電壓也可能高達380 V。AD7401A的隔離能力能夠處理高達561 V的雙極性電壓，因此非常適合該應用。采用AD7401A的主要優勢之一是其小型封裝允許ADC非常靠近實際的交流分流電阻，而DSP可能相距較遠，甚至可能位於係統的其它電路板上。這可以提高測量和控製係統中的數據精度和可靠性。ADC輸出數據通過單個位流以串行方式發送至DSP，其中時鍾速率為16 MHz並由DSP提供。

 

這個係統可以測量高達25 A的交流電流和較低微安範圍內的直流注入。圖4展示的是AD7401A SMS太陽能模塊的失調和線性誤差。這表明整個溫度範圍內分流電阻上的失調電流範圍為±20 mA。因此
，該模塊可以利用單個解決方案測量低至20 mA的直流注入以及25 A（或以上）的係統電流。電流變壓器及其它類型的測量係統可能需要兩個器件，一個用於測量較大的交流電流（25 A左右），一個用於測量較小的直流電流（300 mA左右）。這是顯示iCoupler技術如何降低智能電網整合成本的一個例子。

 

為將分流電阻上的功率損耗（以及因自熱效應而導致的熱誤差）降至最小，其電阻值必須盡可能小，典型值為1 mΩ。Σ-∆型轉換器的極高分辨率使得可將分流電阻損耗保持在與傳統磁換能器解決方案同等水平，同時提高精度並降低失調，如圖4所示。

 

圖4. AD7401A SMS太陽能模塊的失調和線性度

a. 失調與溫度的關係b. 誤差與輸出電流的關係

 

雖sui然ran滿man量liang程cheng精jing度du非fei常chang好hao
，但dan器qi件jian線xian性xing度du的de真zhen正zheng考kao驗yan在zai於yu其qi絕jue對dui誤wu差cha，尤you其qi是shi低di電dian平ping範fan圍wei內nei。絕jue對dui誤wu差cha是shi指zhi與yu其qi值zhi範fan圍wei內nei測ce量liang相xiang關guan的de誤wu差cha，而er不bu隻zhi是shi滿man量liang程cheng時shi的de誤wu差cha。有you些xie電dian流liu變bian壓ya器qi是shi按an0.1%滿量程範圍來規定器件規格。雖然這看起來不錯
，但可能無法說明完整情況。

 

根據圖4所示的數據，利用AD7401A測量電流時的絕對誤差在整個範圍內都相當小
，這表明太陽能PV逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)具(ju)有(you)低(di)非(fei)線(xian)性(xing)度(du)和(he)更(geng)少(shao)的(de)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)。在(zai)與(yu)電(dian)網(wang)集(ji)成(cheng)時(shi)
，這(zhe)樣(yang)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)，這(zhe)也(ye)是(shi)該(gai)新(xin)技(ji)術(shu)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)。

 

隔離式柵極驅動器

 

對於給定太陽能輸入
，太陽能PV逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)越(yue)高(gao)
，其(qi)每(mei)年(nian)發(fa)電(dian)量(liang)就(jiu)越(yue)多(duo)，因(yin)而(er)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)廠(chang)的(de)投(tou)資(zi)回(hui)報(bao)率(lv)也(ye)就(jiu)越(yue)高(gao)。由(you)於(yu)其(qi)成(cheng)本(ben)較(jiao)低(di)

，目(mu)前(qian)趨(qu)勢(shi)是(shi)使(shi)用(yong)無(wu)變(bian)壓(ya)器(qi)型(xing)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)來(lai)饋(kui)入(ru)公(gong)用(yong)電(dian)網(wang)。由(you)於(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)水(shui)平(ping)相(xiang)當(dang)高(gao)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)更(geng)加(jia)注(zhu)意(yi)其(qi)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)內(nei)部(bu)隔(ge)離(li)，即(ji)逆(ni)變(bian)器(qi)MOSFET和/或柵極驅動器的電源部分和低壓電路之間需要進行隔離。

 

圖5. 太陽能PV逆變器的H橋電路示例

 

圖5所示為典型太陽能PV逆變器中DC/AC轉換器的一種可能的H橋配置實現方法。對於當今市場上的新型SiC型JFETS

，該電路的直流鏈路電壓範圍為300 V至1000 V。H橋qiao的de電dian流liu輸shu出chu波bo形xing由you電dian感gan和he電dian容rong進jin行xing濾lv波bo。輸shu出chu繼ji電dian器qi將jiang經jing過guo濾lv波bo的de輸shu出chu以yi受shou控kong方fang式shi連lian接jie到dao電dian網wang。在zai高gao壓ya環huan境jing中zhong，需xu要yao使shi用yong柵zha極ji驅qu動dong器qi來lai驅qu動dongMOSFET的柵極和源極——太陽能PV逆變器中又一個需要隔離的場合。

 

舉例來說，圖6所示的ADuM4223就是一款具有兩個獨立隔離通道的4 A隔離式、雙通道柵極驅動器。其最大傳播延遲為60 ns，共模瞬變抗擾度大於100 kV/μs（最大值）。該器件符合DIN VDE0110、DIN VDE 088410和UL1577等多種標準的相關部分要求，如數據手冊中所述。

 

圖6. ADuM4223柵極驅動器

 

下麵是ADuM4223的一些最重要的隔離參數：

 

● 下麵是ADuM4223的一些最重要的隔離參數：

 

   ○ 交流單極性和直流電壓：1131 V

   ○ 交流單極性和直流電壓：1131 V

 

● 浪湧隔離電壓：6 kV

● 額定電介質隔離電壓：5 kV

 

該器件在單個封裝中有兩個通道，分別用於高端和低端MOSFET。通過在單個封裝內集成這兩個通道，不僅可以節省成本
，而且還可以節省PCB空間。

 

使用傳統光耦合器時


，要麼需要一個隔離式柵極上具有電平轉換功能的光耦合器，要麼可能需要兩個光耦合器（有關更多詳情，請參考MS-2318 技術文章）——這是該創新隔離技術如何降低成本的另一個例子。

 

太陽能PV逆變器的另一個重要問題是需要具有高共模瞬態抗擾度
，以確保係統中的任何大瞬態 (dV/dt)不能以容性耦合或其他方式跨越隔離柵
，因為這可能會使高端和低端MOSFET同時（突發）打開。ADuM4223具有高共模瞬變抗擾度：>100 kV/μs（最大值），這是該創新技術如何提高係統安全性的另一個例子。

 

結論

 

電流隔離是實施智能電網來整合大量太陽能光伏逆變器時所需測量和控製係統的一項重要要求。ADI公司的隔離式ADC能夠利用單個解決方案測量大電流和直流注入電流
，有助於構建高效而緊湊的智能電網整合電路。ADI公司的隔離式柵極驅動器具有良好的共模瞬變抗擾度特性，有助於確保這些新型PV逆變器係統的安全性和可靠性。

 

新技術是促成智能電網整合和綠色能源安全高效生產的主要因素——在穩定電網和提高電網係統上所有工作人員的安全性方麵扮演著重要角色。本文所述隔離產品是ADI公司針對工業測量和控製的豐富創新產品中當前和未來設計的突出例子。

 

我邀請您在中文技術論壇上的ADI社區對智能電網隔離技術發表評論。

 

參考電路

 

1Photograph: First Solar.

 

“Defining Smart Grids and Smart Opportunities.”

 

“‘Smart’ PV Inverter Shipments to Grow to 27 GW by 2015—Grid Integration the Key Driving Factor.”

 

Technical Article MS-2318, Design Fundamentals of Implementing an Isolated Half-Bridge Gate Driver.

 

 

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