太陽(yáng)能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　從太陽(yáng)能面板的直流輸入開(kāi)始，經(jīng)由直流-交流轉(zhuǎn)換過(guò)程，直到輸送給電網(wǎng)的交流輸出，以及這種設(shè)計(jì)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(duì)進(jìn)入其電網(wǎng)上的信號(hào)的嚴(yán)格要求。

　　我們以一款典型的太陽(yáng)能逆變器SMA“陽(yáng)光男孩”(Sunny Boy) 為例看到其中設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)器。

　　光伏功率系統(tǒng)包括多個(gè)組成部分，例如，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)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(yáng)能逆變器。太陽(yáng)能逆變器是將太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能傳送給電網(wǎng)的關(guān)鍵。圖1所示是一個(gè)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(yáng)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(chǔ)的來(lái)自太陽(yáng)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(gè)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(guó)的艾思瑪太陽(yáng)能技術(shù)股份公司(SMA Solar Technology AG)開(kāi)發(fā)出“陽(yáng)光男孩”（Sunny Boy）系列太陽(yáng)能逆變器。圖2所示的逆變器主板被用于“陽(yáng)光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的無(wú)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(gè)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(gè)濾波器還包括繞在一個(gè)共用磁芯上的DC共模濾波器電感和一個(gè)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(gè)繼電器用于監(jiān)測(cè)純IT AC系統(tǒng)中符合IEC 61557-8標(biāo)準(zhǔn)的絕緣電阻。見(jiàn)圖2左上象限。需要測(cè)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(shí)，輸出繼電器就會(huì)切換到故障狀態(tài)。借助這些繼電器，一個(gè)疊加的直流測(cè)量信號(hào)可被用于執(zhí)行測(cè)量功能。通過(guò)來(lái)自疊加的直流測(cè)量電壓及其合成電流，可以計(jì)算出被測(cè)系統(tǒng)絕緣電阻的阻值。請(qǐng)注意圖2中的霍爾效應(yīng)電流傳感器。

　　這個(gè)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(wú)源元件，從而增強(qiáng)了該逆變器設(shè)計(jì)的可靠性和性能。

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

　　在這個(gè)信號(hào)鏈上遇到的第一個(gè)直流功能是最大功率點(diǎn)(MPP)。

　　該逆變器致力于對(duì)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(duì)溫度變化和每個(gè)電池單元面積上的光強(qiáng)(參見(jiàn)“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(dòng)。逆變器通過(guò)采用閉環(huán)控制來(lái)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(wèn)題。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率點(diǎn)跟蹤器。利用這個(gè)附加的功能，即使光伏電站受到部分遮蔽，這個(gè)已被驗(yàn)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(gè)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(gè)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(dòng)觀測(cè)法要在每個(gè)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(wèn)題，即定義為峰值的問(wèn)題，然后穩(wěn)定為分解的電壓電平。不過(guò)，盡管這種方法避免了振蕩導(dǎo)致的低效率問(wèn)題，但又會(huì)產(chǎn)生其它的低效問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)穩(wěn)定在一個(gè)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(duì)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(shí)間和面板熱量條件下的MPP(TI提供)

　　電容器通常用于儲(chǔ)存那些必須被存儲(chǔ)并被逆變器提取的能量。這個(gè)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。