太陽(yáng)能光伏逆變器接入電網(wǎng)布局與安全問(wèn)題

各國(guó)政府和電力公司預(yù)計(jì)，光伏(PV)發(fā)電將在它們供應(yīng)的能源總量中占到很大比例。把太陽(yáng)能電池的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同步的交流電，在設(shè)計(jì)上有苛刻的要求，將來(lái)更是如此。光伏逆變器必須在寬功率范圍和運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)最高效率，并且必須同時(shí)符合嚴(yán)格的安全要求。逆變器的性能最終取決于精確地測(cè)量基礎(chǔ)電量。光伏逆變器制造商需要與傳感器制造商密切合作，確保支持光伏技術(shù)的最新趨勢(shì)。

我們的世界要求用“綠色”的可再生能源替代化石燃料以造福于環(huán)境。預(yù)測(cè)不久的將來(lái)的供電系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情景包括多種能源，其中太陽(yáng)能有多種配置規(guī)模，既有占地?cái)?shù)公頃的大型電站，也有單戶家庭使用的裝置。這將推動(dòng)光伏(PV)太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。即使在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)低迷的情況下，預(yù)計(jì)光伏市場(chǎng)將在2013年達(dá)到340億美元。關(guān)于光伏市場(chǎng)的考慮因素中，較新的是預(yù)計(jì)各種規(guī)模的裝置都將接入電網(wǎng);即使家用的單戶系統(tǒng)，如果發(fā)電量超出局部負(fù)載的需要，也能向電力公司輸送和出售電力。

光伏系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)其潛能，就必須提高發(fā)電效率以降低每千瓦成本。眾所周知，太陽(yáng)能電池制造商一直努力提升把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為電力的基礎(chǔ)效率;光伏制造商也在設(shè)計(jì)下一代逆變器，通過(guò)增加診斷和其他功能提高功率和效率，增加智能化和功能。最新的動(dòng)向是多串技術(shù)：把系列相連的太陽(yáng)能電池組成的多個(gè)串連接到單個(gè)逆變器上，其中每塊電池都有自己的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)裝置，從而最大限度地產(chǎn)生能量。太陽(yáng)能電池是不易使用的電源。電池是開(kāi)路，輸出的額定電壓約0.6伏：通常每個(gè)太陽(yáng)能電池板最多有72塊電池，形成44伏的開(kāi)路。短路電池可以輸出一定水平的電流。在這些極限之間的一個(gè)點(diǎn)上，電池將在一定電壓和電流下輸出最大功率。這個(gè)最大功率點(diǎn)隨運(yùn)行條件(如投射的太陽(yáng)輻射水平)變化，因此逆變器必須跟蹤這個(gè)點(diǎn)以保持最高效率。設(shè)計(jì)人員依靠瞬時(shí)采集數(shù)據(jù)的電壓和電流傳感器，通過(guò)軟件運(yùn)算法則做到這一點(diǎn)。

逆變器的輸出電流一般在15到50Arm，通過(guò)傳感器測(cè)量到脈寬調(diào)制(PWM)正弦波控制器的反饋輸出，測(cè)量進(jìn)入電網(wǎng)的電量?？刂破髦饕谖⑻幚砥骰驍?shù)字信號(hào)處理器，這些處理器備有+5伏電源，與電子控制系統(tǒng)的其他有功組件共用工作電壓基準(zhǔn)。LEM的HMS電流傳感器使用+5伏電源運(yùn)行。通過(guò)單獨(dú)的管腳提供內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(2.5伏)，使它們易于和DSP或微處理器一同使用。但是，它們也能承受這些DSP的外部基準(zhǔn)(1.5到2.8伏之間)，從中生成自己的基準(zhǔn)。這使整個(gè)應(yīng)用更加高效，有利于在計(jì)算誤差時(shí)消除基準(zhǔn)漂移。

太陽(yáng)能電池板采用的逆變器通過(guò)變壓器或者使用直連式無(wú)變壓器設(shè)計(jì)接入電網(wǎng)。根據(jù)布局情況，前一種方法可在電網(wǎng)接入點(diǎn)使用工頻變壓器，或者使用高頻變壓器作為逆變器電路內(nèi)部的隔離點(diǎn)?；诘皖l變壓器的電路提供內(nèi)在的保護(hù)，能夠防止直流電注入交流電網(wǎng)，但變壓器本身的損耗會(huì)造成效率損失。由于IGBT交換不夠精確等原因，逆變器的交流輸出可能有直流成分;逆變器控制回路中采用的電流傳感器的直流偏移本身顯示為輸出電路的直流成分，因此偏移應(yīng)當(dāng)盡量減小。電網(wǎng)可接受的直流供電受到非常嚴(yán)格的限制;設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題不僅是這些限制在各國(guó)存在差異，而且有的以額定電流百分比表示(如0.5%)，有的以低至20mA(英國(guó)標(biāo)準(zhǔn))的絕對(duì)限值表示。所有情況下，都需要測(cè)量很大的交流電流中的很小的直流電流，同時(shí)需要有最小的偏移和漂移。

另一個(gè)安全問(wèn)題是對(duì)地漏電。無(wú)變壓器的配置下，任何情況下太陽(yáng)能電池板漏電容或人體阻抗都有接地通路。需要采用剩余電流裝置(RCD)探測(cè)不安全的入地電流，或者再次采用適當(dāng)規(guī)格的電流傳感器，把RCD功能嵌入逆變器設(shè)計(jì)。通過(guò)這種方法，系統(tǒng)能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公認(rèn)的不同安全水平上(幾mA)(交流和直流)啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)承受太陽(yáng)能電池裝置與附近地面間的電容產(chǎn)生的較強(qiáng)交流接地電流。

當(dāng)今的太陽(yáng)能逆變器布局需要基于電流傳感器的緊湊、低成本和可靠的接地電流檢測(cè)方案。LEM據(jù)此特別設(shè)計(jì)了CT系列傳感器。它們是額定范圍為100mA、200mA和400mA的不同電流裝置，在額定電流下提供5伏的線性輸出。在額定電流的80%和90%的條件下，響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)20毫秒和60毫秒。采用高技術(shù)設(shè)計(jì)(“磁通門(mén)”)是關(guān)鍵，要在低偏移或漂移的條件下準(zhǔn)確測(cè)量很小的直流或交流電流更是如此;可測(cè)量直流和最高18千赫的交流電流。CT產(chǎn)品可以安裝在PCB上，尺寸小，重量輕，有供相線穿過(guò)的通孔。安裝在PCB上的CAS/CASR/CKSR電流傳感器采用相同的閉環(huán)磁通門(mén)技術(shù);可對(duì)交流和直流電流進(jìn)行隔離測(cè)量，它們涵蓋6到50Arms的額定范圍，最高測(cè)量值為額定值的三倍，同時(shí)頻率可達(dá)到300千赫(+/-3dB)。按照最新的逆變器設(shè)計(jì)趨勢(shì)的要求對(duì)它們進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，改進(jìn)了以下方面的性能：共模干擾，溫度漂移(偏移和增益;根據(jù)型號(hào)的不同，最大零點(diǎn)溫度漂移為7到30ppm/K)，響應(yīng)時(shí)間(低于0.3微秒)、絕緣水平、+5伏電源和緊湊尺寸。

為了與電網(wǎng)同步，需要特別控制逆變器的輸出端。逆變器必須輸出正弦交流電，因此要盡量減小諧波，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)一側(cè)的電流變化做出快速反應(yīng)。這里采用的傳感器必須有很快的反應(yīng)時(shí)間和低零點(diǎn)漂移。減小溫度變化造成的零點(diǎn)漂移也有助于減少對(duì)復(fù)雜的補(bǔ)償運(yùn)算法則的需要。相反，在通過(guò)傳感器監(jiān)控MPPT的逆變器的直流輸入端，電流的變相應(yīng)少一些，從而可以采用低成本的開(kāi)環(huán)傳感器。

沒(méi)有接入電網(wǎng)的逆變器，例如備用系統(tǒng)的充電電池，不受?chē)?guó)家電網(wǎng)，但是必須符合許多相同的安全和效率要求。

光伏逆變器設(shè)計(jì)人員必須遵守的規(guī)格很可能變得更加嚴(yán)苛。例如，和限制直流電輸入電網(wǎng)一樣，可能就逆變器輸出電流的諧波總量的容許水平達(dá)成某種共識(shí);目前存在根據(jù)布局情況設(shè)有多種本地限制。這要求在遠(yuǎn)高于50或60赫茲的電網(wǎng)頻率下精確地測(cè)量電流。

萊姆等傳感器制造商和光伏逆變器制造商之間的緊密協(xié)作，將為技術(shù)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。綜合運(yùn)用這些技術(shù)，將在不斷增長(zhǎng)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)取得真正的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)份額。