太阳能逆变器的重要子系统
mouser 2020-09-17

据一家研究公司[1]预测:2015年太阳能装机容量可能创纪录地增长25%,而全球太阳能发电量也将从2014年的40GW猛增至50GW。在每一台太阳能采集器中,其中一个关键终端设备就是太阳能逆变器。太阳能逆变器,或任何一种此类逆变器均接受直流(DC)输入,然后将其转换为可用于住宅或商业用途的标准电器和电子元器件设备的交流供电(AC)输出。虽然几乎可以应用于任何高功率直流源,逆变器增长的绝大部分仍然是可再生能源领域,尤其是太阳能领域的应用。

当安装在住宅或公司中时,太阳能逆变器可连接至电网,以抵消一部分能耗,或者在某些情况下甚至将能量传回电网。为实现这一目的,必须将其交流输出与电网电压同步,并符合某些安全要求,比如在电网电压消失时关闭交流输出。我们可不希望工人在大风暴过后维修高压线路时向电网输电。

传统意义上,一系列太阳能电池板会连接至一个串型逆变器。这些逆变器接受大约600 V Dc(在使用住宅用串型逆变器的情况下)输入,相当于几千瓦的太阳能装机容量。对于一个太阳能电厂来说,一个逆变器需要具有合适的尺寸,但是在转换集中在一起(中央逆变器),并且在设计正确时,可以使得整个太阳能采集器系统的安装成本更低。另一个拓扑是太阳能微型逆变器,其大小与单个太阳能电池板相当或大约为200 W至300 W。通过分步执行逆变过程,太阳能阵列能够适应更复杂的屋顶,并能够实现更小阵列的安装,而通常情况下,这些较小的阵列无法达到串型逆变器的输入电压。

这些不同类型太阳能逆变器的核心是几个重要的子系统:

数字控制器

太阳能逆变器一般包括一个连接至电网、用于DC-AC的全桥,以及一个连接至太阳能电池板、提高逆变器电压增强并将清洁能源馈入电网的DC-DC级。太阳能逆变器的目的是从电池板中提取最大功率,并且将清洁能源馈入电网。为确保这一点,必须准确采样功率级电压和电流,并需要为DC-AC和DC-DC中的电源开关准确生成脉宽调制(PWM)。通过更快地感测到线路负载变化,数字控制器可以更加高效,并且会由于更高的工作频率而具有更大的功率密度,此外由于我们采用了一个完整的中央处理器内核,它能够为系统级集成提供一些其它功能。了解更多有关TI的信息。

隔离

克服电压限制对任何电力电子设计来说都是一大难题。为了感测和控制这些电压,我们采用电容隔离器件。这些器件允许高频信号穿过功率边界,但能阻断高压DC。这种隔离技术具有较长的使用预期和低电磁辐射,因此非常适合工业应用。在逆变器中,我们同样使用了隔离式电源,以便能够在隔离边界的另一侧为电子元器件有效供电,并且为高压MOSFET和IGBT供电以控制电源路径。

栅极驱动器

我们采用MOSFET和IGBT来控制电源路径(参见:
)。这些器件在设计上能够开关非常高的电压和电流,因而非常适合用作逆变器中的数字降压转换器。使用这些器件的关键在于正确地驱动它们。输入运行为电容器,每次开关FET时,必须对电容器进行充放电。当按照逆变器要求的高速开关这些器件时,可能需要几安培的电流来正确驱动它们。若开关速度不够快,转换级的效率就会受到较大损失。为了正确实现这点,可以使用专用驱动器,这些驱动器将来自控制器的数字PWM转换为FET所需的电流。

一个即将出现的趋势是能够监视和控制住宅/商用太阳能装机数量的能源生产统计数据。在太阳能采集系统中,增加 ZigBee®、6LowPAN等低功率无线连接标准或诸如电力线通信(PLC)等的有线通信正变得越来越普遍。一旦连接至回程网络,将传入至云端,用户可以在任何地方轻易地查看这些数据。此外,通信系统可用于监视系统,以及警告所有者任何可能即将进行的维护工作。

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