太陽(yáng)能逆變器中能量緩沖器電容器的選擇

太陽(yáng)能逆變器在太陽(yáng)能電池板和主電網(wǎng)之間扮演著(zhù)接口的角色。如圖1所示，在太陽(yáng)能逆變器內部會(huì )發(fā)生兩個(gè)功率轉換過(guò)程。一個(gè)DC/DC轉換器控制著(zhù)太陽(yáng)能電池板的工作點(diǎn)，使之達到最大的功率輸出。DC/AC轉換器把這部分功率輸送到主電網(wǎng)，同時(shí)執行主電網(wǎng)運營(yíng)商設立的各種管控規則。能量緩沖器會(huì )吸收掉兩個(gè)轉換器之間功率流的差值。成功實(shí)現這個(gè)過(guò)程在很大程度上取決于你為能量緩沖器選擇的電容器。本文介紹了在薄膜電容器和鋁電容器之間如何進(jìn)行取舍，以及你在選擇一個(gè)或其他電容器時(shí)需要考慮的因素。

圖1：太陽(yáng)能逆變器框圖：太陽(yáng)能電池板及U/I特性，DC/DC，能量緩沖器，DC/AC，主電網(wǎng)

初步考慮因素

通過(guò)安裝能量緩沖器，你可以把從太陽(yáng)能電池板汲取最大功率，同如何把這種能量注入到主輸配電系統這兩件事分開(kāi)處理。而且，這么做會(huì )降低設計的復雜度。

能量緩沖器的大小是由需要儲存能量的多少決定的，能量的多少取決于太陽(yáng)能逆變器的功率等級，以及儲存和釋放能量這兩個(gè)過(guò)程之間的時(shí)間長(cháng)短?？晒﹨⒖嫉氖?，如果時(shí)間差小于1秒鐘，使用薄膜電容器或鋁電容器都沒(méi)問(wèn)題。如果時(shí)間超過(guò)1秒鐘，你就應該考慮使用一個(gè)電化學(xué)雙層電容器或電池組。但這兩種技術(shù)都要求每個(gè)電池單元的電壓在1V至4V之間。接到主電網(wǎng)需要的電壓等級更高，要求把幾個(gè)電池連成一串，因此就需要增加用來(lái)保持平衡的電子器件。由于驅動(dòng)電池或電化學(xué)雙層電容器單元有一些特殊要求，這種功能通常是由一個(gè)獨立的功率電子模塊來(lái)實(shí)現的，對模塊的詳細介紹超出了本文的討論范疇。

薄膜電容器和鋁電容器有一些使用限制，會(huì )影響到太陽(yáng)能逆變器的服務(wù)壽命和可靠性。因此你需要詳細列舉在長(cháng)時(shí)間工作條件下的變化情況，重要參數是器件環(huán)境溫度、工作電壓、紋波電流和持續時(shí)間。表1給出了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的工作狀況的例子。

表1：工作狀況的簡(jiǎn)單示例

電容器基礎知識

薄膜和鋁電容器是兩種在平行基板電容器基礎上演變出來(lái)的電容器。圖2顯示了這兩種電容器的基本結構，標出了主要的不同點(diǎn)。

圖2：電容器結構：平行基板，薄膜電容器，鋁電容器

圖片顯示內容：平行基板電容器，金屬，隔離層，從金屬基板上延展出來(lái)的金屬和引線(xiàn);薄膜電容器，兩個(gè)水平相互錯開(kāi)的金屬箔的金屬面通過(guò)小顆粒及小顆粒上延展出來(lái)的引線(xiàn)實(shí)現接觸;鋁電容器，帶有兩個(gè)細孔和氧化物的刻蝕鋁箔、紙/電解液，以及帶有從鋁基板上延展出來(lái)的引線(xiàn)的鋁箔

在太陽(yáng)能逆變器中，用做能量緩沖器的薄膜電容器由兩層卷繞在一起的金屬化聚丙烯組成。聚丙烯的厚度決定了電壓等級，電壓等級可以達到數千伏。聚丙烯上的金屬化部分通過(guò)噴灑在卷繞膜上的金屬微粒實(shí)現接觸。接頭引線(xiàn)就焊在這個(gè)金屬化部分上。

鋁電容器由兩層鋁箔組成，中間夾著(zhù)一層或兩層紙，用導電液體即電解液填充。接頭焊在每個(gè)鋁層上。第一層鋁有孔洞，以增加表面積，上面覆蓋一個(gè)厚氧化物層。第二層鋁只用來(lái)接觸電解液。電壓等級受氧化物層厚度和電解液成分的限制，在實(shí)際應用中一般在500V左右。

薄膜電容器與鋁電容器的性能特性

圖3：采用鋁電容器的太陽(yáng)能逆變器

薄膜電容器幾乎說(shuō)是一種理想的電容器。這種電容器的容量不會(huì )隨著(zhù)溫度而顯著(zhù)變化，在充電/放電 (紋波電流) 時(shí)幾乎不會(huì )發(fā)熱。由于電容器結構的原因，對于電流回路來(lái)說(shuō)是短路，因此電感很低，使其能用在很寬的頻率范圍內，通?？梢赃_到數兆赫茲。

鋁電容器的問(wèn)題要多一些。細孔加上導電性一般的電解液，使這種電容器的容值會(huì )隨著(zhù)溫度和頻率而發(fā)生變化。在鋁和紙/電解液組合結構中產(chǎn)生的歐姆損耗，以及在不完美的氧化物層中會(huì )產(chǎn)生與頻率相關(guān)的損耗，使電容器在充電/放電的時(shí)候會(huì )發(fā)熱，限制了電容器的紋波電流處理能力。最后還有一點(diǎn)尤其重要，由于電解液會(huì )與電容器中的其他材料發(fā)生化學(xué)反應，電特性過(guò)一段時(shí)間后會(huì )發(fā)生變化，使電容器達到使用壽命后失效率會(huì )增高。由于化學(xué)反應的速度隨電容器溫度的降低而降低，需要根據太陽(yáng)能逆變器的工作狀況計算電容器的壽命。

如果在薄膜電容器中出了什么問(wèn)題，比如電介質(zhì)擊穿或是碰到一個(gè)非常高的電流脈沖(高dU/dt)，金屬化層或是連到金屬化層的觸點(diǎn)就會(huì )被破壞。最后，薄膜電容器會(huì )變成開(kāi)路狀態(tài)。

如果鋁電容器中出了什么問(wèn)題，結果更難預料。由于電介質(zhì)擊穿導致的接頭損壞，表現出來(lái)的結果可以是短路、開(kāi)路，或是中間的什么狀態(tài)，比如泄漏電流會(huì )增高。如果鋁電容器過(guò)熱，而且還連到電源上，其溫度會(huì )升到電解液的沸點(diǎn)以上，大概能達到200 °C。所產(chǎn)生的內部壓力會(huì )使泄壓裝置打開(kāi)，電解液會(huì )流出來(lái)，卷繞層會(huì )變干。

薄膜電容器與鋁電容器的設計要點(diǎn)

當需要在兩種技術(shù)中間進(jìn)行選擇時(shí)，性能并不是全部考慮因素，元件的尺寸也很重要，價(jià)格也是一個(gè)因素。要始終牢記的是薄膜電容器和鋁電容器如何達到預期的效果?

鋁電容器的空間效率肯定比薄膜電容器要高。一個(gè)470 µF/450 V鋁電容器的體積只有一個(gè)470 µF/450 V薄膜電容器的15%。

另一方面，鋁電容器的壽命有限，損耗更大。對于一個(gè)要求能工作20年或高功率等級的太陽(yáng)能逆變器，薄膜電容器因其具有更低的損耗和無(wú)限的壽命，是更佳的選擇。

僅就元件成本而言，鋁電容器占有絕對優(yōu)勢，同樣是470 µF/450 V，薄膜電容器的成本是相對應的鋁電容器的5倍甚至更多。然而，鋁電容器一般需要額外的保護電路。相反，薄膜電容器幾乎不需要用來(lái)防止發(fā)生故障的外圍元件。尤其是高功率等級的太陽(yáng)能逆變器，能夠處理發(fā)熱問(wèn)題的電容器是更佳選擇，因為這樣有助于大大降低成本，例如不需要用水來(lái)冷卻元器件。

結論

選擇太陽(yáng)能逆變器中能量緩沖器的技術(shù)可不是一件簡(jiǎn)單的事情。你需要考慮很多因素，這些因素可能涉及到元器件行為的一些細節問(wèn)題。因此，明智的選擇是找一個(gè)經(jīng)驗豐富的供應商，在設計過(guò)程的初期就充分利用供應商的設計專(zhuān)長(cháng)，確保你所選擇的技術(shù)能夠最終滿(mǎn)足你的所有需求。

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