太陽(yáng)能逆變器架構組件全揭秘（圖文）

　　光伏逆變器設計時(shí)會(huì )面臨許多設計折中，如果做出錯誤的折中就會(huì )令設計人員焦頭爛額。例如，光伏系統要能可靠工作并滿(mǎn)額輸出至少25年，而且價(jià)格要有競爭力，這就迫使設計人員做出成本/可靠性折中。光伏系統需要高效率的逆變器，因為更高效率的逆變器產(chǎn)生的熱量少，并比低效率的同類(lèi)器件壽命更長(cháng)，同時(shí)它們能為光伏系統制造商和用戶(hù)節省資金。SMA在這方面已經(jīng)做了出色的工作。

　　控制架構

　　逆變器的“大腦”是它的控制器，通常是一顆數字功率控制器(DPC)，或本例中的數字信號處理器(DSP)?；贒SP的控制器，例如在本設計中采用的TI TMS320F2812，提供太陽(yáng)能逆變器實(shí)時(shí)信號處理所需的高級運算性能和可編程的靈活性。高度集成的數字信號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(mǎn)足未來(lái)幾年快速增長(cháng)的太陽(yáng)能應用需求。

　　逆變器的控制處理器必須應對大量的實(shí)時(shí)處理挑戰，以便有效執行高效DC/AC轉換和電路保護所需的精確算法。盡管MPPT和電池充電控制僅需要近實(shí)時(shí)響應，但也涉及高級處理算法。結合了高性能DSP和集成控制外圍電路的數字信號處理器，為太陽(yáng)能逆變器中的DC/AC轉換橋、MPPT和保護電路的實(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學(xué)計算。諸如模數轉換器(ADC)和脈寬調制 (PWM)等集成外設能夠直接感測輸入并控制功率IGBT或MOSFET，從而節省系統空間和費用。片上閃存有助于編程和數據采集，通信端口可實(shí)現電表和其他逆變器等設備的聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)化設計。太陽(yáng)能逆變器中DSP控制器的高效率已經(jīng)被設計所證明，能將轉換效率損失削減了50%以上，同時(shí)顯著(zhù)降低了成本?！　⊥ǔ?，為了實(shí)現非阻塞(直通)代碼的最高執行效率，控制器固件是以狀態(tài)機格式實(shí)現的，可以防止執行不慎進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。固件執行是分級的，相比于低階的功能，一般更頻繁服務(wù)于最高優(yōu)先級的功能。在光伏逆變器中，隔離反饋回路補償和電源開(kāi)關(guān)調制通常是最高優(yōu)先級，接下來(lái)是關(guān)鍵的保護功能以支持安全標準，最后是效率控制或最大功率點(diǎn)(MPP)。剩余的固件任務(wù)大多與當前工作點(diǎn)的優(yōu)化運行、監測系統操作和支持系統通信相關(guān)。

　　集成功能保持了系統運作的成本效益。TI的TMS320F2812控制器內有一個(gè)超快速的12位ADC，能夠支持多達16個(gè)輸入通道，用于執行電流和電壓感應以實(shí)現規則的正弦波。為安全起見(jiàn)，這顆ADC還能提供殘余電流保護裝置(RCD)中的電流感測。

　　12個(gè)單獨控制的增強型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，以相同頻率驅動(dòng)多級電路。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)。多標準通信端口，包括CAN總線(xiàn)，可提供簡(jiǎn)單的接口給其他組件和系統。

　　隔離

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

　　在SMA逆變器主板的正中心，我們發(fā)現5個(gè)Avago的隔離柵極驅動(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驅動(dòng)器是Avago的HCPL-316J，帶有集成(VCE)去飽和探測和故障狀態(tài)反饋的2.5安培柵極驅動(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驅動(dòng)器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培輸出電流MOSFET柵極驅動(dòng)光耦。H5配置如圖5所示。

　　尤其在無(wú)變壓器逆變器設計中，光耦提供強化的隔離性能，并在出現故障情況時(shí)提供故障安全保護。

　　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。對于更大型和更小型的系統，對太陽(yáng)能工程師和光伏系統操作人員而言，無(wú)功功率的重要性正在增加。最重要的現實(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，在德國以中壓饋入電網(wǎng)的光伏系統必須為電網(wǎng)提供無(wú)功功率。這已經(jīng)在德國聯(lián)邦能源與水利協(xié)會(huì )（BDEW）2008年版的中壓設備接入規范中提及。對于低壓電網(wǎng)，更為嚴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)，對于交流電，事情就有些復雜了，因為電流和電壓的強度及方向都會(huì )定期變化。見(jiàn)圖7。