太陽能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　從太陽能面板的直流輸入開始，經(jīng)由直流-交流轉(zhuǎn)換過程，直到輸送給電網(wǎng)的交流輸出，以及這種設(shè)計需要實現(xiàn)哪些特性，以滿足各種各樣的安規(guī)和其他性能標準，以及電力廠商對進入其電網(wǎng)上的信號的嚴格要求。

　　我們以一款典型的太陽能逆變器SMA“陽光男孩”(Sunny Boy) 為例看到其中設(shè)計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)計特別強調(diào)隔離和保護，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)動器。

　　光伏功率系統(tǒng)包括多個組成部分，例如，負責將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的光伏面板，機械和電氣連接及裝配，以及太陽能逆變器。太陽能逆變器是將太陽能產(chǎn)生的電能傳送給電網(wǎng)的關(guān)鍵。圖1所示是一個基本的、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的來自太陽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)。當然，這個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

　　總部位于德國的艾思瑪太陽能技術(shù)股份公司(SMA Solar Technology AG)開發(fā)出“陽光男孩”（Sunny Boy）系列太陽能逆變器。圖2所示的逆變器主板被用于“陽光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的無變壓器版本，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),由于帶有兩個獨立的DC轉(zhuǎn)換器，因而使得高度復雜的發(fā)生器配置變得易于實現(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，這個濾波器還包括繞在一個共用磁芯上的DC共模濾波器電感和一個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)，采用兩個繼電器用于監(jiān)測純IT AC系統(tǒng)中符合IEC 61557-8標準的絕緣電阻。見圖2左上象限。需要測量的是系統(tǒng)線和系統(tǒng)地之間的絕緣電阻。當下降到可調(diào)的閾值以下時，輸出繼電器就會切換到故障狀態(tài)。借助這些繼電器，一個疊加的直流測量信號可被用于執(zhí)行測量功能。通過來自疊加的直流測量電壓及其合成電流，可以計算出被測系統(tǒng)絕緣電阻的阻值。請注意圖2中的霍爾效應(yīng)電流傳感器。

　　這個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)量的有源和無源元件，從而增強了該逆變器設(shè)計的可靠性和性能。

圖2： SMA的“陽光男孩”系列太陽能逆變器主板

　　最大功率點(MPP)

　　在這個信號鏈上遇到的第一個直流功能是最大功率點(MPP)。

　　該逆變器致力于對影響電力輸出的環(huán)境條件進行補償。例如，光伏面板的輸出電壓和電流對溫度變化和每個電池單元面積上的光強(參見“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)導致最佳逆變器電壓/電流工作點大幅移動。逆變器通過采用閉環(huán)控制來保持工作在最大功率點(此處電壓與電流之積為最大值)，從而解決了上述問題。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率點跟蹤器。利用這個附加的功能，即使光伏電站受到部分遮蔽，這個已被驗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，實現(xiàn)好的輸出產(chǎn)率。TI DSP控制器是最大功率點跟蹤(MPPT)的大腦。

　　判定MPP的最常用的方法是在每個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)生局部的誤導性變化。這種擾動觀測法要在每個周期中均保持振蕩遠離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數(shù)為零的問題，即定義為峰值的問題，然后穩(wěn)定為分解的電壓電平。不過，盡管這種方法避免了振蕩導致的低效率問題，但又會產(chǎn)生其它的低效問題，因為它會穩(wěn)定在一個局部峰值而非MPP處。將上述兩種方法進行綜合，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、時間和面板熱量條件下的MPP(TI提供)

　　電容器通常用于儲存那些必須被存儲并被逆變器提取的能量。這個電容器通常位于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。

　　電解電容非常適合控制紋波，因為它們具有較低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和較高的電容容量。沿著圖2中PCB上邊緣的是平滑電容器組。

　　升壓型DC-DC步進轉(zhuǎn)換器

　　下一個器件是步進DC-DC轉(zhuǎn)換器，它負責將直流輸入升壓到開關(guān)MOSFET橋，以便逆變器能夠高效地產(chǎn)生230V, 50Hz交流正弦波傳輸給電網(wǎng)。這個DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器連同H5開關(guān)橋包含在單獨的電源模塊中，該電源模塊附在逆變器主板的背面，可以很好地散熱到底座。這個模塊在最終裝配時將被安裝在圖2主板上部的中間部分。

　　圖4顯示了典型的無變壓器配置系統(tǒng)中的基本的DC/AC轉(zhuǎn)換電路或逆變器。其中：DC/DC轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的PV電壓，調(diào)整其輸出以達到DC/AC轉(zhuǎn)換級中的最大效率；電容器提供進一步的電壓緩沖；H4橋中的IGBT或MOSFET利用20kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率產(chǎn)生交流電壓；線圈使交流電壓平滑切換為正弦信號，用于產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流輸出。　　無變壓器逆變器技術(shù)

　　早在光伏市場發(fā)展之前，無變壓器開關(guān)技術(shù)的理念就已存在了。設(shè)備工程師知道，一對場效應(yīng)管在完全開啟或關(guān)閉的狀態(tài)下工作效率最高，因為這時沒有電流經(jīng)過它們，而且它們也不產(chǎn)生功率損耗。因此，放大一個理想方波的理論效率可達100%。信號被一個更高頻率的方波調(diào)制，其結(jié)果就是脈寬調(diào)制(PWM),這個電路被稱為D類電路。用這種方式，就可能實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，或DC到AC的高效切換。對于太陽能逆變器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以這種技術(shù)在以往并不適用。不過，隨著這些器件成本不斷降低并且速度更快，相比于模擬切換到大量的銅鐵器件，該技術(shù)更具成本效益。這種技術(shù)也可用于制造電動汽車。

　　在歐洲，無變壓器逆變器至今已經(jīng)應(yīng)用了幾年，SMA公司在2010年8月獲得UL認證在美國銷售此類產(chǎn)品。這個認證適用于SMA的無變壓器逆變器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保證符合針對光伏和電池供電逆變器的UL 1741標準，該標準首次涵蓋了無變壓器逆變器的規(guī)范要求。與采用電隔離的器件相比，無變壓器逆變器要簡潔得多；而且，憑借先進的開關(guān)電路，無變壓器逆變器能提供比傳統(tǒng)逆變器更寬的工作電壓范圍。

圖4： 無變壓器DC/AC轉(zhuǎn)換電路—逆變器(TI提供)

　　沒有電隔離的負面結(jié)果是可能導致接地故障，損壞逆變器并引發(fā)電火花。在有變壓器的情況下，如果次級電路發(fā)生短路，那么所有電流都將流經(jīng)初級電路，一旦變壓器過熱，就將被熱切斷阻止（希望如此）。在無變壓器情況下，如果沒有保護電路或保護電路失效，未能探測到接地故障或跳閘，大功率MOSFET或IGBT將立刻以一種災(zāi)難性的方式失效。幸運的是，這類事件的發(fā)生非常罕見，而且所有這種逆變器都要遵循UL 1741要求，具備接地故障保護功能。無論如何，都要保持具備這種功能，以確保在調(diào)整合路器及隔離熔斷器大小時將未探測到接地故障時的反饋電流考慮進去。

　　如果能夠執(zhí)行準確簡單的計算，無變壓器逆變器就幾乎沒有缺點，而且具有眾多優(yōu)點。

　　不過，光伏逆變器還有很多其他的關(guān)鍵功能。

　　光伏逆變器還提供電網(wǎng)切斷功能，以防光伏系統(tǒng)給已經(jīng)切斷的設(shè)施供電；也就是說，在電網(wǎng)切斷期間或者通過一個不可靠的連接傳輸電力時，逆變器保持在線，這會導致光伏系統(tǒng)回輸給本地設(shè)備變壓器，在設(shè)備端產(chǎn)生數(shù)千伏電壓，并危及作業(yè)人員。安全標準規(guī)范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流線電壓或頻率不在規(guī)定限制內(nèi)時，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時完全關(guān)斷。在重新連接時，要等到逆變器探測到額定設(shè)備電壓和頻率超過5分鐘的時間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個額定值為22A、250VAC的LF-G繼電器。

　　但這還不是逆變器的最后職責。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動和自動的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導和輻射干擾抑制、接地故障中斷、PC兼容通信接口(“陽光男孩”系列具有藍牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個堅固的封箱中，以期在戶外滿功率工作25年以上！像SMA主板這樣的典型單相光伏逆變器使用了一顆數(shù)字功率控制器、DSP，以及一對高邊/低邊柵極驅(qū)動器來驅(qū)動全橋PWM轉(zhuǎn)換器。該逆變器和許多性能優(yōu)良的逆變器應(yīng)用都采用全H橋拓撲，因為它具有任何開關(guān)模式拓撲的最高功率承載能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個功率半導體器件阻止了電荷