太陽能逆變器架構組件全揭秘（圖文）

　　光伏逆變器設計時會面臨許多設計折中，如果做出錯誤的折中就會令設計人員焦頭爛額。例如，光伏系統要能可靠工作并滿額輸出至少25年，而且價格要有競爭力，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生的熱量少，并比低效率的同類器件壽命更長，同時它們能為光伏系統制造商和用戶節(jié)省資金。SMA在這方面已經做了出色的工作。

　　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，提供太陽能逆變器實時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、更具成本效益的產品，能夠滿足未來幾年快速增長的太陽能應用需求。

　　逆變器的控制處理器必須應對大量的實時處理挑戰(zhàn)，以便有效執(zhí)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時響應，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，為太陽能逆變器中的DC/AC轉換橋、MPPT和保護電路的實時控制提供絕佳的解決方案。

　　DSP控制器本身就支持實時控制算法中的快速數學計算。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(jié)省系統空間和費用。片上閃存有助于編程和數據采集，通信端口可實現電表和其他逆變器等設備的聯網簡化設計。太陽能逆變器中DSP控制器的高效率已經被設計所證明，能將轉換效率損失削減了50%以上，同時顯著降低了成本。　　通常，為了實現非阻塞(直通)代碼的最高執(zhí)行效率，控制器固件是以狀態(tài)機格式實現的，可以防止執(zhí)行不慎進入一個死循環(huán)。固件執(zhí)行是分級的，相比于低階的功能，一般更頻繁服務于最高優(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關調制通常是最高優(yōu)先級，接下來是關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(MPP)。剩余的固件任務大多與當前工作點的優(yōu)化運行、監(jiān)測系統操作和支持系統通信相關。

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

　　12個單獨控制的增強型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EPWM都有自己的定時器和相位寄存器，可對相位延遲進行編程，并且所有的EPWM都能被同步，以相同頻率驅動多級電路。多個定時器給出多個頻率，并且快速中斷管理能支持額外的控制任務。多標準通信端口，包括CAN總線，可提供簡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Avago的隔離柵極驅動器。見圖2。

　　在電網為50Hz頻率時，控制T1和T3切換的兩個隔離MOSFET驅動器是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安培柵極驅動光耦?？刂芓2、T4和T5在更高頻率切換的其他三個隔離MOSFET驅動器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培輸出電流MOSFET柵極驅動光耦。H5配置如圖5所示。

　　尤其在無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提供故障安全保護。

　　為何光伏逆變器中的無功功率控制很重要？

　　帶有無功功率控制的“陽光男孩”3000TL/4000TL/5000TL逆變器目前已經面市。

　　無功功率通常發(fā)生在經由交變電流傳送能量的任何時候。對于更大型和更小型的系統，對太陽能工程師和光伏系統操作人員而言，無功功率的重要性正在增加。最重要的現實是：無功功率完全沒有問題。實際上，它還是一些問題的解決方案。

　　從2010年7月1日開始，在德國以中壓饋入電網的光伏系統必須為電網提供無功功率。這已經在德國聯邦能源與水利協會（BDEW）2008年版的中壓設備接入規(guī)范中提及。對于低壓電網，更為嚴苛的要求正在討論中。

　　無功功率是如何發(fā)展而來的？

　　對于直流電，這個方程式很簡單：功率是電壓和電流之積。不過，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定期變化。見圖7。