太陽能光伏逆變器

 

利用太陽輻射直接產(chǎn)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(zhuǎn)換成電子流，進(jìn)而形成電流。圖1所示為大型光伏發(fā)電設(shè)備的航拍照片。

 

圖1. 亞利桑那州尤馬縣太陽能光伏發(fā)電設(shè)備1

 

太陽能光伏 (PV) 逆變器轉(zhuǎn)換來自太陽能電池板的電能并高效地將其部署到公用電網(wǎng)中。來自太陽能電池板的直流電（類似于直流電流源）會(huì)被轉(zhuǎn)換成交流，并以正確的相位關(guān)系饋送到公用電網(wǎng)上，效率高達(dá)98%。PV逆變器轉(zhuǎn)換過程可以分為一級(jí)或多級(jí)。

 

第 1 級(jí)通常為從構(gòu)成太陽能電池板的低電壓高電流太陽能電池到與電網(wǎng)交流電壓兼容的高電壓低電流水平的DC/DC轉(zhuǎn)換。根據(jù)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果直流端以串聯(lián)方式連接有足夠多的太陽能電池，那么可能無需該級(jí)，便可確保所有負(fù)載條件下均具有穩(wěn)定的高電壓。

 

在第 2級(jí)中，通常利用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流轉(zhuǎn)換成交流。PV逆變器設(shè)計(jì)可能會(huì)使用中性點(diǎn)箝位(NPC)等H橋變體來提高功效，并降低系統(tǒng)無功功率。

 

早期太陽能PV逆變器只是將電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)到公用電網(wǎng)的模塊。較新設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)安全性、智能電網(wǎng)整合并削減成本。設(shè)計(jì)人員正在考慮采用現(xiàn)有太陽能逆變器模塊中未使用的新技術(shù)來改善性能和降低成本。

 

一個(gè)關(guān)鍵因素是基于計(jì)算機(jī)的儀器儀表和控制，但必須使用隔離柵來保護(hù)測(cè)量和計(jì)算電路，使其不受功率處理電路以及開關(guān)所引起的瞬態(tài)信號(hào)影響。本文將討論iCoupler® 隔離技術(shù) 如何利用ADI公司的隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和柵極驅(qū)動(dòng)器來降低太陽能PV逆變器的成本、增加智能電網(wǎng)整合度并提高其安全性。

 

智能電網(wǎng)

 

什么是智能電網(wǎng)？ IMS Research將智能電網(wǎng)定義為"一種自身能夠高效匹配和管理發(fā)電和用電并可最大程度地利用各種可用資源的公用供電基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)連接，尤其是處理多個(gè)來源供電大于電網(wǎng)所需電能時(shí)出現(xiàn)的不平衡情況。因此，PV系統(tǒng)智能需要重點(diǎn)關(guān)注電網(wǎng)整合，其中貢獻(xiàn)系統(tǒng)電能的每個(gè)方面必須相互配合，以穩(wěn)定電網(wǎng)，而不是簡(jiǎn)單地開環(huán)供電。電網(wǎng)整合要求更好地對(duì)饋入電網(wǎng)的電能進(jìn)行測(cè)量、控制和質(zhì)量分析。此外，新指令和更高的技術(shù)要求也需要新技術(shù)。

 

因此，智能電網(wǎng)整合的一項(xiàng)重要局部特性可能是儲(chǔ)能，即通過將不需要的電能儲(chǔ)存起來供高峰時(shí)段使用，從而減少電網(wǎng)中的湍流。本文余下部分將重點(diǎn)討論電氣隔離在保護(hù)儀器儀表電路（用于測(cè)量和控制來源、互連和儲(chǔ)能元件）上的作用，并首要強(qiáng)調(diào)iCoupler技術(shù)的重要作用。具體而言，AD7401A隔離式ADC和ADuM4223隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可提供滿足新型太陽能PV逆變器設(shè)計(jì)要求的性能。

 

隔離技術(shù) 

 

在iCoupler技術(shù)中，變壓器會(huì)在兩個(gè)單獨(dú)供電的電路之間耦合數(shù)據(jù)，同時(shí)避免這兩個(gè)電路之間存在任何電流連接。變壓器采用晶圓級(jí)工藝直接在片內(nèi)制造。位于鍍金層下方的高擊穿電壓聚酰亞胺層將上方線圈與下方線圈隔離開來。利用1 ns脈沖編碼的輸入邏輯轉(zhuǎn)換送至變壓器的原邊。從一個(gè)變壓器線圈耦合到另一個(gè)變壓器線圈的脈沖由變壓器副邊上的電路來檢測(cè)。

 

隔離式ADC

 

圖2顯示的是一對(duì)與簡(jiǎn)介中所述類似的太陽能PV逆變器。它們接到與電網(wǎng)相連的電源總線，可以單獨(dú)地進(jìn)行測(cè)量和開關(guān)。每個(gè)太陽能電池板均連接到其DC/DC升壓電路，然后連接到DC/AC逆變器。（使用時(shí)，儲(chǔ)能電池的連接和開關(guān)均受控制。為了簡(jiǎn)便起見，本文忽略了關(guān)于儲(chǔ)能的所有討論內(nèi)容。

 

圖2. 太陽能PV系統(tǒng)示例

 

A數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)控制該過程。AD7401A隔離式ADC測(cè)量約為25 A的交流輸出電流。太陽能PV逆變器系統(tǒng)可能在輸出端連接有隔離變壓器，也可能沒有。如果為節(jié)省成本而省略該變壓器，太陽能PV逆變器還必須測(cè)量輸出電流的任何直流成分。該"直流注入"存在與否及其幅度是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)槿绻⑷腚娋W(wǎng)的直流電流過多，則可能導(dǎo)致其路徑上的所有變壓器發(fā)生飽和。該值必須限制在很低的微安范圍內(nèi)；因此，AD7401A必須測(cè)量25 A左右的交流電流和毫安范圍內(nèi)的低直流電流。

 

AD7401A iCoupler隔離式Σ-?調(diào)制器ADC對(duì)分流電阻上的電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，如圖3所示。其輸出為1位數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流會(huì)被隔離并直接饋入DSP。輸出流中1的密度代表輸入幅度，可利用DSP中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器來重構(gòu)。

 

圖3. 隔離式AD7401A ADC

 

太陽能PV逆變器系統(tǒng)中需要隔離，主要原因是交流電網(wǎng)上的高電壓。即使是在單相系統(tǒng)中，交流電壓也可能高達(dá)380 V。AD7401A的隔離能力能夠處理高達(dá)561 V的雙極性電壓，因此非常適合該應(yīng)用。采用AD7401A的主要優(yōu)勢(shì)之一是其小型封裝允許ADC非常靠近實(shí)際的交流分流電阻，而DSP可能相距較遠(yuǎn)，甚至可能位于系統(tǒng)的其它電路板上。這可以提高測(cè)量和控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)精度和可靠性。ADC輸出數(shù)據(jù)通過單個(gè)位流以串行方式發(fā)送至DSP，其中時(shí)鐘速率為16 MHz并由DSP提供。

 

這個(gè)系統(tǒng)可以測(cè)量高達(dá)25 A的交流電流和較低微安范圍內(nèi)的直流注入。圖4展示的是AD7401A SMS太陽能模塊的失調(diào)和線性誤差。這表明整個(gè)溫度范圍內(nèi)分流電阻上的失調(diào)電流范圍為±20 mA。因此，該模塊可以利用單個(gè)解決方案測(cè)量低至20 mA的直流注入以及25 A（或以上）的系統(tǒng)電流。電流變壓器及其它類型的測(cè)量系統(tǒng)可能需要兩個(gè)器件，一個(gè)用于測(cè)量較大的交流電流（25 A左右），一個(gè)用于測(cè)量較小的直流電流（300 mA左右）。這是顯示iCoupler技術(shù)如何降低智能電網(wǎng)整合成本的一個(gè)例子。

 

為將分流電阻上的功率損耗（以及因自熱效應(yīng)而導(dǎo)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(zhuǎn)換器的極高分辨率使得可將分流電阻損耗保持在與傳統(tǒng)磁換能器解決方案同等水平，同時(shí)提高精度并降低失調(diào)，如圖4所示。

 

圖4. AD7401A SMS太陽能模塊的失調(diào)和線性度

a. 失調(diào)與溫度的關(guān)系b. 誤差與輸出電流的關(guān)系

 

雖然滿量程精度非常好，但器件線性度的真正考驗(yàn)在于其絕對(duì)誤差，尤其是低電平范圍內(nèi)。絕對(duì)誤差是指與其值范圍內(nèi)測(cè)量相關(guān)的誤差，而不只是滿量程時(shí)的誤差。有些電流變壓器是按0.1%滿量程范圍來規(guī)定器件規(guī)格。雖然這看起來不錯(cuò)，但可能無法說明完整情況。

 

根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)，利用AD7401A測(cè)量電流時(shí)的絕對(duì)誤差在整個(gè)范圍內(nèi)都相當(dāng)小，這表明太陽能PV逆變器的輸出波形具有低非線性度和更少的諧波失真。在與電網(wǎng)集成時(shí)，這樣有助于降低諧波失真，這也是該新技術(shù)如何提高性能的另一個(gè)例子。

 

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

 

對(duì)于給定太陽能輸入，太陽能PV逆變器的效率越高，其每年發(fā)電量就越多，因而太陽能電廠的投資回報(bào)率也就越高。由于其成本較低，目前趨勢(shì)是使用無變壓器型電氣系統(tǒng)來饋入公用電網(wǎng)。由于逆變器的效率水平相當(dāng)高，因此需要更加注意其測(cè)量和控制電子設(shè)備的內(nèi)部隔離，即逆變器MOSFET和/或柵極驅(qū)動(dòng)器的電源部分和低壓電路之間需要進(jìn)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(zhuǎn)換器的一種可能的H橋配置實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于當(dāng)今市場(chǎng)上的新型SiC型JFETS，該電路的直流鏈路電壓范圍為300 V至1000 V。H橋的電流輸出波形由電感和電容進(jìn)行濾波。輸出繼電器將經(jīng)過濾波的輸出以受控方式連接到電網(wǎng)。在高壓環(huán)境中，需要使用柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極和源極——太陽能PV逆變器中又一個(gè)需要隔離的場(chǎng)合。

 

舉例來說，圖6所示的ADuM4223就是一款具有兩個(gè)獨(dú)立隔離通道的4 A隔離式、雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器。其最大傳播延遲為60 ns，共模瞬變抗擾度大于100 kV/μs（最大值）。該器件符合DIN VDE0110、DIN VDE 088410和UL1577等多種標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分要求，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。

 

圖6. ADuM4223柵極驅(qū)動(dòng)器

 

下面是ADuM4223的一些最重要的隔離參數(shù)：

 

● 下面是ADuM4223的一些最重要的隔離參數(shù)：

 

   ○ 交流單極性和直流電壓：1131 V

   ○ 交流單極性和直流電壓：1131 V

 

● 浪涌隔離電壓：6 kV

● 額定電介質(zhì)隔離電壓：5 kV

 

該器件在單個(gè)封裝中有兩個(gè)通道，分別用于高端和低端MOSFET。通過在單個(gè)封裝內(nèi)集成這兩個(gè)通道，不僅可以節(jié)省成本，而且還可以節(jié)省PCB空間。

 

使用傳統(tǒng)光耦合器時(shí)，要么需要一個(gè)隔離式柵極上具有電平轉(zhuǎn)換功能的光耦合器，要么可能需要兩個(gè)光耦合器（有關(guān)更多詳情，請(qǐng)參考MS-2318 技術(shù)文章）——這是該創(chuàng)新隔離技術(shù)如何降低成本的另一個(gè)例子。

 

太陽能PV逆變器的另一個(gè)重要問題是需要具有高共模瞬態(tài)抗擾度，以確保系統(tǒng)中的任何大瞬態(tài) (dV/dt)不能以容性耦合或其他方式跨越隔離柵，因?yàn)檫@可能會(huì)使高端和低端MOSFET同時(shí)（突發(fā)）打開。ADuM4223具有高共模瞬變抗擾度：>100 kV/μs（最大值），這是該創(chuàng)新技術(shù)如何提高系統(tǒng)安全性的另一個(gè)例子。

 

結(jié)論

 

電流隔離是實(shí)施智能電網(wǎng)來整合大量太陽能光伏逆變器時(shí)所需測(cè)量和控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要要求。ADI公司的隔離式ADC能夠利用單個(gè)解決方案測(cè)量大電流和直流注入電流，有助于構(gòu)建高效而緊湊的智能電網(wǎng)整合電路。ADI公司的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器具有良好的共模瞬變抗擾度特性，有助于確保這些新型PV逆變器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

 

新技術(shù)是促成智能電網(wǎng)整合和綠色能源安全高效生產(chǎn)的主要因素——在穩(wěn)定電網(wǎng)和提高電網(wǎng)系統(tǒng)上所有工作人員的安全性方面扮演著重要角色。本文所述隔離產(chǎn)品是ADI公司針對(duì)工業(yè)測(cè)量和控制的豐富創(chuàng)新產(chǎn)品中當(dāng)前和未來設(shè)計(jì)的突出例子。

 

我邀請(qǐng)您在中文技術(shù)論壇上的ADI社區(qū)對(duì)智能電網(wǎng)隔離技術(shù)發(fā)表評(píng)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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