優(yōu)化現(xiàn)代太陽能裝置

1 引言

除了諸如《京都協(xié)議書》等政治策略所帶來的動力和壓力之外，多種形式能源不斷增長的成本以及“更潔凈”動力源的搜尋也在推動著對諸如太陽能等替代能源的關(guān)注。許多新設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，從而最有效和高效地利用這些能源。這些設(shè)計(jì)具有當(dāng)今電子技術(shù)的支持，其中包括電流傳感器。

2 太陽能電池板的輸出連接

當(dāng)太陽能電池板所產(chǎn)生的電能反饋回電網(wǎng)時(shí)（一個(gè)“電網(wǎng)連接”系統(tǒng)），可以采用兩種連接方式。

（1） 將太陽能電池組件與逆變器連接，經(jīng)變壓器（圖1）接入電網(wǎng)。

圖1

（2） 將逆變器直接與電網(wǎng)連接，避免使用變壓器（無變壓器系統(tǒng)）（圖2）。

圖2

另外一個(gè)解決方案是不將電能送進(jìn)電網(wǎng)，而是對用于自動化裝置加電的電池進(jìn)行充電。這就是“離網(wǎng)”。對于偏僻建筑的應(yīng)用，如開采沉陷、澳大利亞或加拿大或第三世界國家村莊內(nèi)的偏僻沉陷，以及路標(biāo)和地下光等。

3 太陽能逆變器

現(xiàn)在，市場上可供應(yīng)處理從500W到10KW功率的太陽能逆變器，以及高達(dá)500KW能力的裝置也有可能，例如大型體育館地下停車場的連續(xù)照明。系統(tǒng)使用壽命可能長達(dá)20年。兩種類型的系統(tǒng)（有變壓器和無變壓器）均可提供一個(gè)單相輸出（用于較小功率系統(tǒng)）或三相輸出（用于大功率系統(tǒng)），這取決于目標(biāo)電網(wǎng)和電力裝置。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的不同（包括尺寸、重量、穩(wěn)固性、與電網(wǎng)的電氣分離、價(jià)格、效率和損失），現(xiàn)在大多使用兩種或三種不同的逆變器。為了幫助提高效率和保護(hù)系統(tǒng)，對所有類型太陽能逆變器內(nèi)的電流進(jìn)行測量很重要。

由于無變壓器設(shè)計(jì)中不會產(chǎn)生變壓器損失，因此是最有效的類型。在這種配置中，有時(shí)在光伏（PV）方陣和逆變器（DC/AC）之間使用一臺升壓轉(zhuǎn)換器將組件的電壓轉(zhuǎn)換成逆變器的輸入電壓。

通常在PV 方陣后使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）組件來確保方陣工作在其最大功率運(yùn)行水平。通過使用用于跟蹤功能的電流和電壓傳感器，應(yīng)用一種特殊軟件算法和專用電子元件一起來控制電池板（電池）的工作點(diǎn)。一般來說，一臺電流傳感器可用于測量單相輸出（供到電網(wǎng)的電流），而另一臺傳感器可用于測量輸入直流電流（10A-25A）。在三相輸出的情況下，兩臺傳感器可用于測量三相輸出的交流電流。接入電網(wǎng)的DC/AC逆變器是一臺將直流信號轉(zhuǎn)換為正弦波的全橋逆變器。

4 直流偏移電流測量

流入電網(wǎng)的逆變器輸出電流（15 ARMS -50ARMS）由一臺傳感器進(jìn)行測量，以便反饋至控制器進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）正弦波控制?？刂破髦饕诠┯?5V電壓并與電子控制系統(tǒng)其他有源元件共享基準(zhǔn)電壓的微處理器或DSP（數(shù)字信號處理器）。LEM公司的HMS電流傳感器通過一個(gè)+5V電源來運(yùn)行。其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（2.5V）由一個(gè)單獨(dú)的端子提供，允許通過DSP或微處理器輕松使用傳感器。但是，傳感器還能接受來自這些相同DSP的外部基準(zhǔn)電壓（2V到2.8V之間），傳感器從這些DSP上獲得其自身基準(zhǔn)電壓?？刂葡到y(tǒng)所有電子元件之間的這種共生使得整個(gè)應(yīng)用效率更高（錯(cuò)誤計(jì)算中的基準(zhǔn)漂移消除）。HMS電流傳感器非常適合太陽能逆變器所需要的所有電流測量。

電流傳感器可用于峰值電流檢測，用于真實(shí)值與設(shè)定點(diǎn)的對比。逆變器還在控制輸出頻率的系統(tǒng)中使用電流傳感器。實(shí)際上，無論頻率何時(shí)移出預(yù)選范圍，逆變器都會停止運(yùn)行一會兒（短于兩秒）。

由于在電網(wǎng)上（交流側(cè)）需要不能超出的低直流值，因此偏移和溫度漂移必須盡可能最小。對電網(wǎng)連接的另一個(gè)要求是不能將直流電流供進(jìn)電網(wǎng)。由傳感器偏移或IGBT通信產(chǎn)生的直流電流可能會引起網(wǎng)絡(luò)麻煩。該電流可能會使變壓器產(chǎn)生飽和，這樣會使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多損失和更多諧波。對于無變壓器配置，這不是個(gè)大問題。

盡管各國都有自己各自不同的接受值，但是共同要求都是標(biāo)稱輸出電流的0.5%或1%，或者在一些國家是一個(gè)限定值（英國為20mA，德國和比荷盧三國關(guān)稅同盟為1A，日本為100mA，中國和美國為50mA）。如果直流電流大于這個(gè)限定值，則必須將系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。對于是否需要測量直流電流或只是檢測臨界值，現(xiàn)在還沒有清晰的界定。

在未來的太陽能設(shè)計(jì)中，該電流可能會予以補(bǔ)償。直流元件會通過測量交流電流的平均值來計(jì)算,以代表直流元件。因此，逆變器控制環(huán)路中所使用的電流傳感器直流偏移應(yīng)該盡可能的低。而且，應(yīng)避免由于逆變器IGBT切換延遲而產(chǎn)生的直流偏移或使其盡可能的小。該直流偏移可導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分配變壓器產(chǎn)生飽和。為了減小這個(gè)直流偏移，正在開發(fā)新的逆變器拓?fù)浼夹g(shù)。

5 HMS電流傳感器
HMS電流傳感器外形尺寸僅僅為16 （長） x 13.5（寬） x 12（高）mm，如圖3所示。

圖 3
當(dāng)印刷電路板上用于電流測量的空間很緊張時(shí)，理想情況是將初級導(dǎo)體進(jìn)行集成。將這些模塊直接表面貼裝到印刷電路板上，從而降低制造成本，同時(shí)也避免混淆各種焊接工藝。除了外形尺寸小之外，HMS設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了8mm漏電和間隙距離。通過一個(gè)600 CTI對其塑料管殼進(jìn)行累積，使得HMS具有高隔離性能（測試隔離電壓：4.3 kVRMS/50 Hz/1分鐘）。

可提供涵蓋標(biāo)稱交流、直流、脈沖和混合隔離電流測量的四種標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊可在寬至± 3 x IPN的測量范圍內(nèi)測量高達(dá)50kHz的5ARMS、10ARMS、15ARMS或20 ARMS電流。四種模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)完全相同，因此這些模塊可用于測量整個(gè)最終產(chǎn)品范圍的電流。增益和偏移為固定值并進(jìn)行了設(shè)定在lpn，輸出電壓等于輸入或輸出基準(zhǔn)電壓± 0.625 V。

設(shè)計(jì)與開環(huán)霍爾效應(yīng)技術(shù)共同使用的獨(dú)特LEM ASIC已經(jīng)用于改善性能。除了與傳統(tǒng)離散技術(shù)相比更寬的工作溫度范圍（-40℃到+85℃）之外，這些性能改善還包括更好的偏移和增益漂移以及線性度。

傳感器標(biāo)有CE標(biāo)識，符合EN 50178標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

這些傳感器可用于諸如電力逆變器（太陽能、風(fēng)力等）等工業(yè)場合以及家用電器、變速驅(qū)動器、UPS、開關(guān)電源（SMPS）和空調(diào)，使這些裝置的效率更高。