關(guān)于下一代太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

據(jù)一家研究公司[1]預(yù)測(cè)：2015年太陽(yáng)能裝機(jī)容量可能創(chuàng)紀(jì)錄地增長(zhǎng)25%，而全球太陽(yáng)能發(fā)電量也將從2014年的40GW猛增至50GW。在每一臺(tái)太陽(yáng)能采集器中，其中一個(gè)關(guān)鍵終端設(shè)備就是太陽(yáng)能逆變器。太陽(yáng)能逆變器，或任何一種此類逆變器均接受直流(DC)輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為可用于住宅或商業(yè)用途的標(biāo)準(zhǔn)電器和電子元器件設(shè)備的交流供電(AC)輸出。雖然幾乎可以應(yīng)用于任何高功率直流源，逆變器增長(zhǎng)的絕大部分仍然是可再生能源領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

當(dāng)安裝在住宅或公司中時(shí)，太陽(yáng)能逆變器可連接至電網(wǎng)，以抵消一部分能耗，或者在某些情況下甚至將能量傳回電網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，必須將其交流輸出與電網(wǎng)電壓同步，并符合某些安全要求，比如在電網(wǎng)電壓消失時(shí)關(guān)閉交流輸出。我們可不希望工人在大風(fēng)暴過(guò)后維修高壓線路時(shí)向電網(wǎng)輸電。

傳統(tǒng)意義上，一系列太陽(yáng)能電池板會(huì)連接至一個(gè)串型逆變器。這些逆變器接受大約600 V Dc（在使用住宅用串型逆變器的情況下）輸入，相當(dāng)于幾千瓦的太陽(yáng)能裝機(jī)容量。對(duì)于一個(gè)太陽(yáng)能電廠來(lái)說(shuō)，一個(gè)逆變器需要具有合適的尺寸，但是在轉(zhuǎn)換集中在一起（中央逆變器），并且在設(shè)計(jì)正確時(shí)，可以使得整個(gè)太陽(yáng)能采集器系統(tǒng)的安裝成本更低。另一個(gè)拓?fù)涫翘?yáng)能微型逆變器，其大小與單個(gè)太陽(yáng)能電池板相當(dāng)或大約為200 W至300 W。通過(guò)分步執(zhí)行逆變過(guò)程，太陽(yáng)能陣列能夠適應(yīng)更復(fù)雜的屋頂，并能夠?qū)崿F(xiàn)更小陣列的安裝，而通常情況下，這些較小的陣列無(wú)法達(dá)到串型逆變器的輸入電壓。

這些不同類型太陽(yáng)能逆變器的核心是幾個(gè)重要的子系統(tǒng)：

數(shù)字控制器

太陽(yáng)能逆變器一般包括一個(gè)連接至電網(wǎng)、用于DC-AC的全橋，以及一個(gè)連接至太陽(yáng)能電池板、提高逆變器電壓增強(qiáng)并將清潔能源饋入電網(wǎng)的DC-DC級(jí)。太陽(yáng)能逆變器的目的是從電池板中提取最大功率，并且將清潔能源饋入電網(wǎng)。為確保這一點(diǎn)，必須準(zhǔn)確采樣功率級(jí)電壓和電流，并需要為DC-AC和DC-DC中的電源開關(guān)準(zhǔn)確生成脈寬調(diào)制(PWM)。通過(guò)更快地感測(cè)到線路負(fù)載變化，數(shù)字控制器可以更加高效，并且會(huì)由于更高的工作頻率而具有更大的功率密度，此外由于我們采用了一個(gè)完整的中央處理器內(nèi)核，它能夠?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)集成提供一些其它功能。了解更多有關(guān)TI數(shù)字電源解決方案的信息。

隔離

克服電壓限制對(duì)任何電力電子設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都是一大難題。為了感測(cè)和控制這些電壓，我們采用電容隔離器件。這些器件允許高頻信號(hào)穿過(guò)功率邊界，但能阻斷高壓DC。這種隔離技術(shù)具有較長(zhǎng)的使用預(yù)期和低電磁輻射，因此非常適合工業(yè)應(yīng)用。在逆變器中，我們同樣使用了隔離式電源，以便能夠在隔離邊界的另一側(cè)為電子元器件有效供電，并且為高壓MOSFET和IGBT供電以控制電源路徑。

柵極驅(qū)動(dòng)器

我們采用MOSFET和IGBT來(lái)控制電源路徑（參見：TI柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案）。這些器件在設(shè)計(jì)上能夠開關(guān)非常高的電壓和電流，因而非常適合用作逆變器中的數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器。使用這些器件的關(guān)鍵在于正確地驅(qū)動(dòng)它們。輸入運(yùn)行為電容器，每次開關(guān)FET時(shí)，必須對(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)按照逆變器要求的高速開關(guān)這些器件時(shí)，可能需要幾安培的電流來(lái)正確驅(qū)動(dòng)它們。若開關(guān)速度不夠快，轉(zhuǎn)換級(jí)的效率就會(huì)受到較大損失。為了正確實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，可以使用專用驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自控制器的數(shù)字PWM轉(zhuǎn)換為FET所需的電流。

一個(gè)即將出現(xiàn)的趨勢(shì)是能夠監(jiān)視和控制住宅/商用太陽(yáng)能裝機(jī)數(shù)量的能源生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在太陽(yáng)能采集系統(tǒng)中，增加 ZigBee?、6LowPAN等低功率無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)或諸如電力線通信(PLC)等的有線通信正變得越來(lái)越普遍。一旦連接至回程網(wǎng)絡(luò)，將傳入至云端，用戶可以在任何地方輕易地查看這些數(shù)據(jù)。此外，通信系統(tǒng)可用于監(jiān)視系統(tǒng)，以及警告所有者任何可能即將進(jìn)行的維護(hù)工作。

多個(gè)TI Designs新參考設(shè)計(jì)可以幫助工程師縮短太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。務(wù)必查閱太陽(yáng)能逆變器頁(yè)面，以獲取太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)解決方案。另外，您還可以查看我們新出的“系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單”培訓(xùn)系列，獲取有關(guān)構(gòu)建下一代太陽(yáng)能逆變器的更深層次系統(tǒng)討論。