太陽(yáng)能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　光伏逆變器設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)面臨許多設(shè)計(jì)折中，如果做出錯(cuò)誤的折中就會(huì)令設(shè)計(jì)人員焦頭爛額。例如，光伏系統(tǒng)要能可靠工作并滿額輸出至少25年，而且價(jià)格要有競(jìng)爭(zhēng)力，這就迫使設(shè)計(jì)人員做出成本/可靠性折中。光伏系統(tǒng)需要高效率的逆變器，因?yàn)楦咝实?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/逆變器">逆變器產(chǎn)生的熱量少，并比低效率的同類器件壽命更長(zhǎng)，同時(shí)它們能為光伏系統(tǒng)制造商和用戶節(jié)省資金。SMA在這方面已經(jīng)做了出色的工作。

　　控制架構(gòu)

　　逆變器的“大腦”是它的控制器，通常是一顆數(shù)字功率控制器(DPC)，或本例中的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)?；贒SP的控制器，例如在本設(shè)計(jì)中采用的TI TMS320F2812，提供太陽(yáng)能逆變器實(shí)時(shí)信號(hào)處理所需的高級(jí)運(yùn)算性能和可編程的靈活性。高度集成的數(shù)字信號(hào)控制器幫助逆變器制造商推出更有效率、更具成本效益的產(chǎn)品，能夠滿足未來(lái)幾年快速增長(zhǎng)的太陽(yáng)能應(yīng)用需求。

　　逆變器的控制處理器必須應(yīng)對(duì)大量的實(shí)時(shí)處理挑戰(zhàn)，以便有效執(zhí)行高效DC/AC轉(zhuǎn)換和電路保護(hù)所需的精確算法。盡管MPPT和電池充電控制僅需要近實(shí)時(shí)響應(yīng)，但也涉及高級(jí)處理算法。結(jié)合了高性能DSP和集成控制外圍電路的數(shù)字信號(hào)處理器，為太陽(yáng)能逆變器中的DC/AC轉(zhuǎn)換橋、MPPT和保護(hù)電路的實(shí)時(shí)控制提供絕佳的解決方案。

　　DSP控制器本身就支持實(shí)時(shí)控制算法中的快速數(shù)學(xué)計(jì)算。諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和脈寬調(diào)制 (PWM)等集成外設(shè)能夠直接感測(cè)輸入并控制功率IGBT或MOSFET，從而節(jié)省系統(tǒng)空間和費(fèi)用。片上閃存有助于編程和數(shù)據(jù)采集，通信端口可實(shí)現(xiàn)電表和其他逆變器等設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能逆變器中DSP控制器的高效率已經(jīng)被設(shè)計(jì)所證明，能將轉(zhuǎn)換效率損失削減了50%以上，同時(shí)顯著降低了成本?！　⊥ǔ＃瑸榱藢?shí)現(xiàn)非阻塞(直通)代碼的最高執(zhí)行效率，控制器固件是以狀態(tài)機(jī)格式實(shí)現(xiàn)的，可以防止執(zhí)行不慎進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。固件執(zhí)行是分級(jí)的，相比于低階的功能，一般更頻繁服務(wù)于最高優(yōu)先級(jí)的功能。在光伏逆變器中，隔離反饋回路補(bǔ)償和電源開(kāi)關(guān)調(diào)制通常是最高優(yōu)先級(jí)，接下來(lái)是關(guān)鍵的保護(hù)功能以支持安全標(biāo)準(zhǔn)，最后是效率控制或最大功率點(diǎn)(MPP)。剩余的固件任務(wù)大多與當(dāng)前工作點(diǎn)的優(yōu)化運(yùn)行、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作和支持系統(tǒng)通信相關(guān)。

　　集成功能保持了系統(tǒng)運(yùn)作的成本效益。TI的TMS320F2812控制器內(nèi)有一個(gè)超快速的12位ADC，能夠支持多達(dá)16個(gè)輸入通道，用于執(zhí)行電流和電壓感應(yīng)以實(shí)現(xiàn)規(guī)則的正弦波。為安全起見(jiàn)，這顆ADC還能提供殘余電流保護(hù)裝置(RCD)中的電流感測(cè)。

　　12個(gè)單獨(dú)控制的增強(qiáng)型PWM (EPWM)通道為換流器橋和電池充電電路中的高速切換提供可變占空比。每個(gè)EPWM都有自己的定時(shí)器和相位寄存器，可對(duì)相位延遲進(jìn)行編程，并且所有的EPWM都能被同步，以相同頻率驅(qū)動(dòng)多級(jí)電路。多個(gè)定時(shí)器給出多個(gè)頻率，并且快速中斷管理能支持額外的控制任務(wù)。多標(biāo)準(zhǔn)通信端口，包括CAN總線，可提供簡(jiǎn)單的接口給其他組件和系統(tǒng)。

　　隔離

圖6：可替代能源系統(tǒng)需要在高壓功率電路以及控制器管理功率流之間設(shè)置隔離連接(紅色)(Avago提供)

　　在SMA逆變器主板的正中心，我們發(fā)現(xiàn)5個(gè)Avago的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。見(jiàn)圖2。

　　在電網(wǎng)為50Hz頻率時(shí)，控制T1和T3切換的兩個(gè)隔離MOSFET驅(qū)動(dòng)器是Avago的HCPL-316J，帶有集成(VCE)去飽和探測(cè)和故障狀態(tài)反饋的2.5安培柵極驅(qū)動(dòng)光耦?？刂芓2、T4和T5在更高頻率切換的其他三個(gè)隔離MOSFET驅(qū)動(dòng)器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培輸出電流MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)光耦。H5配置如圖5所示。

　　尤其在無(wú)變壓器逆變器設(shè)計(jì)中，光耦提供強(qiáng)化的隔離性能，并在出現(xiàn)故障情況時(shí)提供故障安全保護(hù)。

　　為何光伏逆變器中的無(wú)功功率控制很重要？

　　帶有無(wú)功功率控制的“陽(yáng)光男孩”3000TL/4000TL/5000TL逆變器目前已經(jīng)面市。

　　無(wú)功功率通常發(fā)生在經(jīng)由交變電流傳送能量的任何時(shí)候。對(duì)于更大型和更小型的系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能工程師和光伏系統(tǒng)操作人員而言，無(wú)功功率的重要性正在增加。最重要的現(xiàn)實(shí)是：無(wú)功功率完全沒(méi)有問(wèn)題。實(shí)際上，它還是一些問(wèn)題的解決方案。

　　從2010年7月1日開(kāi)始，在德國(guó)以中壓饋入電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)必須為電網(wǎng)提供無(wú)功功率。這已經(jīng)在德國(guó)聯(lián)邦能源與水利協(xié)會(huì)（BDEW）2008年版的中壓設(shè)備接入規(guī)范中提及。對(duì)于低壓電網(wǎng)，更為嚴(yán)苛的要求正在討論中。

　　無(wú)功功率是如何發(fā)展而來(lái)的？

　　對(duì)于直流電，這個(gè)方程式很簡(jiǎn)單：功率是電壓和電流之積。不過(guò)，對(duì)于交流電，事情就有些復(fù)雜了，因?yàn)殡娏骱碗妷旱膹?qiáng)度及方向都會(huì)定期變化。見(jiàn)圖7。