基于太陽能電力系統(tǒng)的微型逆變器的介紹

當(dāng)由多個(gè)太陽能電池板供電的系統(tǒng)連接到單個(gè)逆變器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)的效率水平與陣列中效率最低的面板一樣好。這些傳統(tǒng)設(shè)備被稱為串式逆變器，其額定功率選擇非常有限。實(shí)際上，如果想要通過添加更多模塊來升級(jí)，則房主被限制為原始面板的額定功率。相反，微型逆變器沒有這樣的限制。

基于可再生能源的家庭能源系統(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能，在消費(fèi)者中越來越受歡迎，并將獲得政府機(jī)構(gòu)越來越多的支持。

在本文中，將討論功率逆變器將在太陽能背景下進(jìn)行討論，特別是因?yàn)樗婕白钚碌牡凸β饰⒛孀兤骷軜?gòu)，這些架構(gòu)在將光伏(PV)面板的DC輸出轉(zhuǎn)換為AC時(shí)最有意義。住宅用信號(hào)。

微型逆變器安裝在每個(gè)單獨(dú)的PV面板上，通?？梢蕴幚?00 W。微型逆變器為那些想要從小規(guī)模起步但具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的完整DC/AC轉(zhuǎn)換的用戶提供可擴(kuò)展性的好處。許多人希望將多余的電力重新投入電網(wǎng)，這將加快投資回報(bào)(ROI)時(shí)間，最終可以避免電網(wǎng)依賴。在我們的屋頂上實(shí)現(xiàn)這種無處不在的架構(gòu)的技術(shù)越來越近了。

微型逆變器可以最大限度地提高從每個(gè)面板收集的功率，并且不受特定太陽能電池板性能不佳的影響。串逆變器將被限制為串內(nèi)最低效太陽能電池板產(chǎn)生的實(shí)際功率。如果單個(gè)面板有灰塵，有缺陷，對(duì)齊方式不同，或者太陽能電池板等不同型號(hào)，它會(huì)拖拽整個(gè)燈串。與串聯(lián)逆變器配置相比，微型逆變器的個(gè)性化太陽能電池板收獲量將提供5%至25%的電力輸出增長(zhǎng)。

固態(tài)逆變器已被證明是將光伏系統(tǒng)投入電網(wǎng)的支持技術(shù)。因此，每個(gè)逆變器瓦特的成本降低對(duì)于使光伏發(fā)電的電力更具吸引力非常重要(圖1)。

圖1：微型逆變器及其組件和外設(shè)支持功能(由Microchip提供)。

讓我們跟蹤從直流電源到交流電源輸出的光伏信號(hào)，并檢查系統(tǒng)的關(guān)鍵組件塊。

逆變器的一般結(jié)構(gòu)

基本上有三種類型的PV逆變器架構(gòu)(圖2)。圖2a顯示了一個(gè)典型的集中式逆變器，它可以自行處理所有任務(wù)，例如MPPT(通常由微控制器)，電網(wǎng)電流控制和電壓放大(如果需要)，因?yàn)镻V電源的低電壓不能輕易地轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)電壓水平有效。

圖2b是雙級(jí)逆變器。如果需要，DC/DC執(zhí)行MPPT和電壓放大。根據(jù)DC/AC逆變器的控制，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出是純DC電壓(DC/DC轉(zhuǎn)換器僅處理額定功率)或DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流被調(diào)制以遵循整流的正弦波(DC/DC轉(zhuǎn)換器將處理標(biāo)稱功率的兩倍的峰值功率)。前一種解決方案中的DC/AC逆變器通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)或“bang-bang”操作來控制電網(wǎng)電流。在后者中，DC/AC逆變器以線路頻率切換，將整流電流“展開”為全波正弦，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)電流控制。如果額定功率低，則后一解決方案可以達(dá)到高效率。另一方面，如果額定功率很高，建議在PWM模式下運(yùn)行并網(wǎng)逆變器，在我們的情況下通常不會(huì)出現(xiàn)問題。

圖2c是多串逆變器的解決方案。每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的唯一任務(wù)是MPPT和電壓放大。 DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到公共DC/AC逆變器的DC鏈路，其負(fù)責(zé)電網(wǎng)電流控制。這是有益的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)PV模塊/串的更好控制。

圖2：三種類型的光伏逆變器。 (a)單個(gè)功率處理級(jí)，處理MPPT，電壓放大和電網(wǎng)電流控制。 (b)雙功率處理逆變器，其中DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)MPPT，DC/AC逆變器控制電網(wǎng)電流。兩級(jí)都可以包括電壓放大。 (c)雙級(jí)逆變器，其中每個(gè)PV模塊或串連接到專用DC/DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連接到公共DC/AC逆變器。 (由IEEE工業(yè)應(yīng)用交易¹提供)

DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器

我們將首先討論DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(或某些情況下的降壓/升壓)，如圖1所示.DC/DC轉(zhuǎn)換升高或降低輸入的PV電壓，調(diào)節(jié)其輸出以獲得最高效率(MPPT)到DC/AC逆變器級(jí)。包含分立設(shè)計(jì)元件的原理圖如圖3所示，采用Maxim的MAX1605，但如果設(shè)計(jì)人員愿意，甚至可以使用功率模塊。

圖3：三種拓?fù)渲械倪@些高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器用于從PV器件的低輸入電壓產(chǎn)生高輸出電壓(由Maxim Semiconductor提供)。

德州儀器/美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SM72442是這一前端級(jí)的集成解決方案。 SM72442是一款可編程MPPT控制器，能夠控制四開關(guān)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的四個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

DC/AC逆變器

下一階段是實(shí)際的逆變器本身，由具有多個(gè)PWM輸出的DSP或微控制器驅(qū)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)功率IGBT或MOSFET。根據(jù)PV板和公用電網(wǎng)之間的電氣隔離，逆變器可以是隔離的或非隔離的。這種電流隔離通常通過變壓器實(shí)現(xiàn)，該變壓器對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的DC/AC效率具有重大影響。

大多數(shù)單相H橋逆變器使用單極性PWM，以改善逆變器的注入電流質(zhì)量，這是通過將輸出電壓調(diào)制為具有兩倍開關(guān)頻率的三個(gè)電平來完成的。此外，這種類型的調(diào)制可降低輸出濾波器的壓力，并降低逆變器的損耗(圖4)。

圖4：采用單極性PWM的H橋拓?fù)?，?yīng)用于負(fù)載的有源矢量(由TamásKerekes論文提供)。

在效率方面，可以使用無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)光伏逆變器系統(tǒng)，但需要處理與漏電流相關(guān)的新問題。必須注意可能損壞太陽能電池板并造成安全問題的漏電流現(xiàn)象。在使用這種拓?fù)浜驼{(diào)制的無變壓器光伏系統(tǒng)中(圖4)，高頻共模電壓將導(dǎo)致非常高的漏電接地電流，使其對(duì)于無變壓器光伏應(yīng)用而言不安全，因此無法使用。最好在基于變壓器的逆變器設(shè)計(jì)中使用該技術(shù)。

另一項(xiàng)獲得專利的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再次成為H橋混合動(dòng)力。 SMA Solar將其稱為H5拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖5所示，它由標(biāo)準(zhǔn)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，在DC側(cè)增加了第五個(gè)開關(guān)(So)。使用此電路配置，根據(jù)輸入電壓，已報(bào)告最高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%。 H橋通過非對(duì)稱單極調(diào)制工作。非對(duì)稱H橋的高壓側(cè)應(yīng)由50 Hz(歐洲)或60 Hz(美國(guó))半波驅(qū)動(dòng)，具體取決于主電源的極性，而相反的低壓側(cè)則采用PWM調(diào)制以形成電源正弦形狀。這里將進(jìn)行一些重濾波，如圖5所示，電感器作為交流輸出濾波器的一部分，包括EMI抑制電容器，以提供可在電網(wǎng)上接受或在家中使用的平滑AC。

圖5：SMA Solar使用的專利H-5橋接技術(shù)(由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供)。

還有許多其他更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們是多個(gè)升壓或降壓 - 升壓?jiǎn)渭?jí)逆變器的組合。²

微控制器或DSP

微控制器或DSP可以像德州儀器這樣的設(shè)備TMS320F2812，飛思卡爾的56F8036或Microchip的dsPIC DSPIC33FJ16GS504。圖6顯示了橋接器的微控制器PWM控制以及板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

圖6：包括微控制器的并網(wǎng)太陽能微型逆變器框圖(由Microchip Semiconductor提供)。

住宅規(guī)模的并網(wǎng)系統(tǒng)是當(dāng)今最常見的系統(tǒng)。它們通常提供3至10 kW的輸出功率，通常不配備備用電池。輸出交流電源必須在相位，頻率和電壓方面與電網(wǎng)同步，并且總諧波失真較小。串聯(lián)逆變器控制一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的PV模塊串，是用于住宅應(yīng)用的最常見類型的逆變器。飛思卡爾56F83xx系列數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)為MPPT和DC/AC轉(zhuǎn)換提供單芯片控制解決方案。有關(guān)DC/DC升壓器，DC/AC逆變器和DSC/微控制器的典型內(nèi)部工作原理的更詳細(xì)視圖，請(qǐng)參見圖7。

圖7：住宅太陽能逆變器細(xì)節(jié)(由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供)。

隔離

現(xiàn)在讓我們看看逆變器設(shè)計(jì)中的隔離。無論逆變器是基于變壓器還是無變壓器，都需要某種隔離(圖8)。

圖8：需要隔離(紅線)來保護(hù)敏感的微控制器和相關(guān)的低壓支持設(shè)備和高壓電源電路(由Avago提供)。

系統(tǒng)控制器在與其控制的元件不同的電壓域中運(yùn)行。電源工作在幾十伏特，DC鏈路工作在幾百伏特，但系統(tǒng)控制器的邏輯電路通常工作在3到5伏左右。為了最大限度地減少在故障情況下?lián)p壞控制器的可能性，那里必須是電源和邏輯電壓域之間的某種隔離。這種隔離不僅用于保護(hù)控制器邏輯免受高DC鏈路電壓的影響，還有助于保護(hù)用戶，用戶通常通過控制器的接口與系統(tǒng)交互。

Avago Technologies的光耦合器提供增強(qiáng)的電流隔離，可提高安全性和系統(tǒng)可靠性。 Avago的HCPL-316J等器件是柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器，具有集成保護(hù)功能，可隔離H橋中的MOSFET或IGBT。