太陽能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　從太陽能面板的直流輸入開始，經(jīng)由直流-交流轉(zhuǎn)換過程，直到輸送給電網(wǎng)的交流輸出，以及這種設(shè)計需要實(shí)現(xiàn)哪些特性，以滿足各種各樣的安規(guī)和其他性能標(biāo)準(zhǔn)，以及電力廠商對進(jìn)入其電網(wǎng)上的信號的嚴(yán)格要求。

　　我們以一款典型的太陽能逆變器SMA“陽光男孩”(Sunny Boy) 為例看到其中設(shè)計中的主要組件和元器件選擇，包括從Vishay 的EMI抑制電容器到TI的TMS320F2812 DSP。該設(shè)計特別強(qiáng)調(diào)隔離和保護(hù)，明智地采用了諸如Avago的HCPL-316J和 HCPL-312J這類光隔離MOSFET柵極驅(qū)動器。

　　光伏功率系統(tǒng)包括多個組成部分，例如，負(fù)責(zé)將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的光伏面板，機(jī)械和電氣連接及裝配，以及太陽能逆變器。太陽能逆變器是將太陽能產(chǎn)生的電能傳送給電網(wǎng)的關(guān)鍵。圖1所示是一個基本的、但非常完整的光伏系統(tǒng)框圖。

圖1：完整的光伏系統(tǒng)框圖

　　太陽能光伏逆變器是什么？

　　逆變器的主要功能是將光伏面板或電池存儲的來自太陽光的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為供電器設(shè)備使用的、特定的交流電壓和頻率，并可以回輸給電網(wǎng)。當(dāng)然，這個交流輸出因不同地區(qū)而各異，在北美是60Hz/115VAC，而在歐洲的大部分地區(qū)則是50Hz/230VAC

　　總部位于德國的艾思瑪太陽能技術(shù)股份公司(SMA Solar Technology AG)開發(fā)出“陽光男孩”（Sunny Boy）系列太陽能逆變器。圖2所示的逆變器主板被用于“陽光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的無變壓器版本，分別適用于3kW、4kW 和4.6kW交流輸出電力系統(tǒng)(@230V, 50Hz)。

　　該逆變器主板采用多串(multi-string)技術(shù),由于帶有兩個獨(dú)立的DC轉(zhuǎn)換器，因而使得高度復(fù)雜的發(fā)生器配置變得易于實(shí)現(xiàn)。輸入部分如圖2左下象限所示。兩路DC輸入均采用Vishay 的EMI抑制電容器#339MKP作為濾波器的一部分，這個濾波器還包括繞在一個共用磁芯上的DC共模濾波器電感和一個15μF升壓轉(zhuǎn)換器平滑電容器#MKPC4AE系列，如圖2左下象限所示。

　　還是在直流輸入側(cè)，采用兩個繼電器用于監(jiān)測純IT AC系統(tǒng)中符合IEC 61557-8標(biāo)準(zhǔn)的絕緣電阻。見圖2左上象限。需要測量的是系統(tǒng)線和系統(tǒng)地之間的絕緣電阻。當(dāng)下降到可調(diào)的閾值以下時，輸出繼電器就會切換到故障狀態(tài)。借助這些繼電器，一個疊加的直流測量信號可被用于執(zhí)行測量功能。通過來自疊加的直流測量電壓及其合成電流，可以計算出被測系統(tǒng)絕緣電阻的阻值。請注意圖2中的霍爾效應(yīng)電流傳感器。

　　這個SMA逆變器主板上最令人印象深刻的特色之一就是采用了極高質(zhì)量的有源和無源元件，從而增強(qiáng)了該逆變器設(shè)計的可靠性和性能。

圖2： SMA的“陽光男孩”系列太陽能逆變器主板　　最大功率點(diǎn)(MPP)

　　在這個信號鏈上遇到的第一個直流功能是最大功率點(diǎn)(MPP)。

　　該逆變器致力于對影響電力輸出的環(huán)境條件進(jìn)行補(bǔ)償。例如，光伏面板的輸出電壓和電流對溫度變化和每個電池單元面積上的光強(qiáng)(參見“輻照度”)極為敏感。電池輸出電壓與電池溫度成反比，電池電流與輻照度成正比。這種變化以及其他關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)致最佳逆變器電壓/電流工作點(diǎn)大幅移動。逆變器通過采用閉環(huán)控制來保持工作在最大功率點(diǎn)(此處電壓與電流之積為最大值)，從而解決了上述問題。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率點(diǎn)跟蹤器。利用這個附加的功能，即使光伏電站受到部分遮蔽，這個已被驗證的工作跟蹤器管理系統(tǒng)OptiTrac也能夠發(fā)現(xiàn)并采用最佳工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)好的輸出產(chǎn)率。TI DSP控制器是最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的大腦。

　　判定MPP的最常用的方法是在每個MPPT周期，用控制器干擾面板的工作電壓并觀察輸出。這種方法是在MPP附近一個大范圍內(nèi)持續(xù)振蕩，以避免由于云層遮擋或其他條件引起的功率曲線發(fā)生局部的誤導(dǎo)性變化。這種擾動觀測法要在每個周期中均保持振蕩遠(yuǎn)離MPP，其效率就很低。增量電感法是一種替代方法，可以解決功率曲線導(dǎo)數(shù)為零的問題，即定義為峰值的問題，然后穩(wěn)定為分解的電壓電平。不過，盡管這種方法避免了振蕩導(dǎo)致的低效率問題，但又會產(chǎn)生其它的低效問題，因為它會穩(wěn)定在一個局部峰值而非MPP處。將上述兩種方法進(jìn)行綜合，既可以保持增量電感法的電平，又能在更大范圍內(nèi)定期掃描，以避免選中局部峰值。這種方法效率最高，但對控制器的性能要求也非常高。

　　圖3顯示MPP的判定如何隨不同條件而變化。

圖3：在各種天氣、時間和面板熱量條件下的MPP(TI提供)

　　電容器通常用于儲存那些必須被存儲并被逆變器提取的能量。這個電容器通常位于PV總線上，并且必須足夠大以控制總線紋波電壓。否則，該紋波可能有損MPPT的精確度。