對太陽能和儲能設施進行基本監(jiān)測的iCoupler隔離式通信解決方案

作者：Richard Anslow和Martin Murnane

新的政府政策與新的法規(guī)共同推動可再生能源發(fā)電，預計未來太陽能市場將有強勁增長。由于太陽能逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲能平衡的需求，這一代太陽能發(fā)電要求對太陽能系統(tǒng)的所有元件進行大量監(jiān)控。對于太陽能光伏應用，RS-485通信固有的抗擾性能使其得到應用。增加iCoupler?隔離式RS-485收發(fā)器可為太陽能光伏網(wǎng)絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

RS-485有多種用途，主要用途是遠程監(jiān)控發(fā)電、功率點跟蹤器和儲能狀態(tài)（電池儲能）。

對于儲能等太陽能應用，通信至關(guān)重要，因為它要將太陽能裝置中的發(fā)電和消耗活動報告給用戶?？梢詫嵤┒喾N系統(tǒng)策略，例如賬單管理、光伏自用、減少需量電費和備用電源。特別是在美國，颶風常常在得克薩斯州和佛羅里達州造成嚴重破壞，因此備用電源最受歡迎。

表1：家用儲能策略

圖1顯示了典型的24小時太陽能發(fā)電、儲能和家庭用電情況。圖1說明了太陽能系統(tǒng)針對賬單管理進行設計的主要原因。在夜間，當沒有陽光輻照太陽能電池板時，消耗的電能將從電網(wǎng)購買，此時電費最低。一旦太陽升起，陽光照射到太陽能電池板上，就會產(chǎn)生電力，家庭自用即開始，太陽能電力由家庭使用或轉(zhuǎn)移到儲能裝置。這樣可以減少從電網(wǎng)獲取的電力，在電力公司提供較低上網(wǎng)電價的區(qū)域使用太陽能所產(chǎn)生的電力，從而控制賬單費用。

圖1.典型24小時太陽能發(fā)電、儲能和家庭用電情況

RS-485是通信應用首選，可用于PC屏幕數(shù)據(jù)更新，如當前功率、最大功率點跟蹤器中的電流消耗、電池充電和健康狀況、CO2減少等，如圖2所示。

圖2.光伏太陽能系統(tǒng)的典型光伏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)

圖3顯示了一個典型太陽能系統(tǒng)，包含輸入直流串、DC-AC轉(zhuǎn)換、充電和儲能、電池管理及通信。ADI公司為太陽能光伏和儲能應用提供完整的電源、通信和控制接口信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223。iCoupler隔離式通信端口解決方案包括ADM2795E、ADM2587E和ADM3054?；旌闲盘?a target="_blank">處理器解決方案包括ADSP-CM419。

圖3.帶儲能功能的典型太陽能系統(tǒng)框圖

為什么使用帶iCoupler隔離的RS-485收發(fā)器？

iCoupler隔離能為太陽能光伏網(wǎng)絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

對于太陽能光伏網(wǎng)絡，RS-485或CAN通信接口通常在充斥電噪聲的環(huán)境中通過長電纜運行。RS-485通信本質(zhì)上是差分式，具備固有抗噪聲能力。增加iCoupler隔離以提升抗擾度。

• iCoupler系列數(shù)字隔離產(chǎn)品已經(jīng)過測試，并獲得多家監(jiān)管機構(gòu)認證，包括UL、CSA、VDE、TüV、CQC、ATEX和IECEx。這種監(jiān)管機構(gòu)測試證明產(chǎn)品達到要求的安全水平，不會因為電氣條件惡劣的太陽能光伏環(huán)境中可能出現(xiàn)的高壓瞬變和電涌而受到影響。
• 太陽能光伏通信接口通常以低數(shù)據(jù)速率工作——低于500 kbps——這正是RS-485通信的理想工作范圍。諸如以太網(wǎng)之類的替代方案以10 Mbps/100 Mbps或1 Gbps的固定數(shù)據(jù)速率運行，這對應用要求而言明顯過剩。
• iCoupler隔離具有經(jīng)過驗證的EMC魯棒性，可減少現(xiàn)場故障。增強的EMC魯棒性可縮短接口電路的設計和測試時間，從而加快太陽能光伏網(wǎng)絡的上市時間。

圖4.信號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器

適用于現(xiàn)有太陽能光伏網(wǎng)絡的直接插入式iCoupler隔離解決方案

對于現(xiàn)有太陽能逆變器設施，其通信端口沒有iCoupler隔離所實現(xiàn)的魯棒性，iCoupler隔離式RS-485中繼器是強大的直接插入式解決方案。緊湊的信號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器提供魯棒的隔離保護，防止電磁（EMC）惡劣的太陽能環(huán)境中的電氣噪聲影響。

iCoupler隔離式RS-485中繼器設計由兩個RS-485收發(fā)器和兩個高速ADCMP600比較器組成。ADM2587E是全集成式數(shù)據(jù)收發(fā)器，支持±15 kV ESD保護及信號和電源隔離，適用于多點傳輸線上的高速通信。ADM2587E內(nèi)部集成隔離式DC-DC電源，無需外加DC-DC隔離模塊。RS-485中繼器需要數(shù)據(jù)碼流控制，這對RS-485總線上的通信方向控制很重要。在ADM2587E邏輯引腳上使用高速比較器ADCMP600可提供高速流控制和方向性，從而實現(xiàn)可靠的通信系統(tǒng)。有關(guān)完整設計指南，請參閱AN-1458應用筆記“具備自動方向控制功能的隔離式RS-485中繼器”。

具備增強EMC魯棒性的iCoupler信號隔離式RS-485

設計EMC通信接口時，電路設計人員常常要面對設計和測試迭代循環(huán)。電路設計必須符合系統(tǒng)級EMC標準和客戶要求。工業(yè)自動化的系統(tǒng)級IEC標準（如IEC 61131-2）規(guī)定了多種IEC ESD、EFT和浪涌保護級別以及對輻射、傳導和磁場干擾的抗擾度。

ADI公司iCoupler信號隔離式RS-485包含經(jīng)認證的額外EMC保護，可防范上述干擾，從而縮短需要滿足嚴格監(jiān)管目標的設計的上市時間。

具體而言，ADM2795E RS-485收發(fā)器集成了隔離魯棒性和EMC保護，這樣可大幅節(jié)省印刷電路板（PCB）空間，以供太陽能光伏通信端口接口使用。

ADM2795E是一款5 kV rms信號隔離RS-485收發(fā)器，RS-485總線引腳提供高達±42 V的AC-DC峰值總線過壓故障保護特性。該器件采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，將三通道隔離器、RS-485收發(fā)器和IEC電磁兼容性（EMC）瞬變保護集成于單封裝中。

ADM2795E集成的iCoupler技術(shù)已通過VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC（申請中）認證。

• 工作電壓：849 VPEAK （600 V rms）加強，VDE0884-10認證
• 耐受電壓：5000 V rms，UL1577認證

ADM2795E在數(shù)個系統(tǒng)級EMC測試中表現(xiàn)穩(wěn)健，已通過EMC合規(guī)測試機構(gòu)的認證（證書可應申請?zhí)峁?/p>

• IEC 61000-4-5浪涌
• IEC 61000-4-4 EFT
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6傳導射頻抗擾度
• IEC 61000-4-3輻射射頻抗擾度
• IEC 61000-4-8磁場抗擾度

圖5. iCoupler隔離式RS-485收發(fā)器，A和B總線引腳提供增強的IEC 61000-4-5浪涌魯棒性。

結(jié)論

ADI公司為太陽能光伏和儲能應用提供完整的信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223，而iCoupler隔離式通信端口解決方案包括ADM2795E和ADM2587E，ADSP-CM419混合信號控制處理器提供電源通信和控制接口。iCoupler隔離能為太陽能光伏網(wǎng)絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

ADI公司的接口和隔離產(chǎn)品組合有多種方案可隔離RS-485接口。ADM2795E提供完整的系統(tǒng)級EMC解決方案，其符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD標準，不受惡劣太陽能光伏環(huán)境中常見的傳導、輻射和磁場干擾的影響。ADM2795E可縮短需要滿足嚴格監(jiān)管目標的設計的上市時間。

信號和電源隔離式RS-485收發(fā)器（例如ADM2587E）提供當今市場上集成度最高的信號和電源隔離解決方案。ADM2587E可用于RS-485中繼器設計，通過iCoupler隔離技術(shù)為系統(tǒng)提供更強的魯棒性。

　　作者：

Richard Anslow ［ richard.anslow@analog.com］畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲工程學士和碩士學位。他從事新產(chǎn)品定義工作，并且擔任面向客戶的角色，處理有關(guān)ADI隔離式通信產(chǎn)品系列的問題。

Martin Murnane ［ martin.murname@analog.com］是工業(yè)和儀器儀表部太陽能PV系統(tǒng)工程師，專注于能源/太陽能PV應用。加入ADI公司之前，他曾從事過能源循環(huán)利用系統(tǒng)中電力電子技術(shù)（Schaffner Systems）、基于Windows的應用軟件/數(shù)據(jù)庫開發(fā)（Dell Computers）以及采用應變計技術(shù)的HW/FW產(chǎn)品開發(fā)（BMS）等領域的工作。Martin畢業(yè)于利默里克大學，獲電子工程學士學位。