通過本文拆解可以看到太陽能逆變器主板的架構(gòu)設(shè)計(jì)和所用的元器件：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(jì)需要實(shí)現(xiàn)哪些特性，以滿足各種各樣的安規(guī)和其他性能標(biāo)準(zhǔn)，以及電力廠商對進(jìn)入其電網(wǎng)上的信號的嚴(yán)格要求。

今年8月30日，西京電氣總公司的一位神秘專家將現(xiàn)身西安·2013電力電子與電源管理技術(shù)研討會(huì)，介紹發(fā)電設(shè)備和控制系統(tǒng)以及技術(shù)規(guī)范。趕快點(diǎn)擊報(bào)名搶占有限席位！http://jizeke.com/seminar/87/agenda

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(jì)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(jì)特別強(qiáng)調(diào)隔離和保護(hù)，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(dòng)器。

光伏功率系統(tǒng)包括多個(gè)組成部分，例如，負(fù)責(zé)將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的光伏面板，機(jī)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(gè)基本的、但非常完整的光伏系統(tǒng)框圖。
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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(chǔ)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(dāng)然，這個(gè)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(gè)獨(dú)立的DC轉(zhuǎn)換器，因而使得高度復(fù)雜的發(fā)生器配置變得易于實(shí)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(gè)濾波器還包括繞在一個(gè)共用磁芯上的DC共模濾波器電感和一個(gè)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(gè)繼電器用于監(jiān)測純IT AC系統(tǒng)中符合IEC 61557-8標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)下降到可調(diào)的閾值以下時(shí)，輸出繼電器就會(huì)切換到故障狀態(tài)。借助這些繼電器，一個(gè)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(jì)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(gè)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(qiáng)了該逆變器設(shè)計(jì)的可靠性和性能。

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最大功率點(diǎn)(MPP)

在這個(gè)信號鏈上遇到的第一個(gè)直流功能是最大功率點(diǎn)(MPP)。

該逆變器致力于對影響電力輸出的環(huán)境條件進(jìn)行補(bǔ)償。例如，光伏面板的輸出電壓和電流對溫度變化和每個(gè)電池單元面積上的光強(qiáng)(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(dǎo)致最佳逆變器電壓/電流工作點(diǎn)大幅移動(dòng)。逆變器通過采用閉環(huán)控制來保持工作在最大功率點(diǎn)(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(diǎn)跟蹤器。利用這個(gè)附加的功能，即使光伏電站受到部分遮蔽，這個(gè)已被驗(yàn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)好的輸出產(chǎn)率。TI DSP控制器是最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的大腦。

判定MPP的最常用的方法是在每個(gè)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(gè)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(dǎo)性變化。這種擾動(dòng)觀測法要在每個(gè)周期中均保持振蕩遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)致的低效率問題，但又會(huì)產(chǎn)生其它的低效問題，因?yàn)樗鼤?huì)穩(wěn)定在一個(gè)局部峰值而非MPP處。將上述兩種方法進(jìn)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。

電容器通常用于儲(chǔ)存那些必須被存儲(chǔ)并被逆變器提取的能量。這個(gè)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?yàn)樗鼈兙哂休^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(jìn)轉(zhuǎn)換器

下一個(gè)器件是步進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器，它負(fù)責(zé)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(gè)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器連同H5開關(guān)橋包含在單獨(dú)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(gè)模塊在最終裝配時(shí)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(dá)到DC/AC轉(zhuǎn)換級中的最大效率； ? •  電容器提供進(jìn)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。

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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?yàn)檫@時(shí)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(gè)理想方波的理論效率可達(dá)100%。信號被一個(gè)更高頻率的方波調(diào)制，其結(jié)果就是脈寬調(diào)制(PWM),這個(gè)電路被稱為D類電路。用這種方式，就可能實(shí)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(dòng)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(rèn)證在美國銷售此類產(chǎn)品。這個(gè)認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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。

沒有電隔離的負(fù)面結(jié)果是可能導(dǎo)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(hù)電路或保護(hù)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(yùn)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(hù)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(shí)將未探測到接地故障時(shí)的反饋電流考慮進(jìn)去。

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

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(gè)不可靠的連接傳輸電力時(shí)，逆變器保持在線，這會(huì)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時(shí)完全關(guān)斷。在重新連接時(shí)，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(shí)間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個(gè)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(zé)。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動(dòng)和自動(dòng)的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導(dǎo)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(lán)牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個(gè)堅(jiān)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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)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?fù)?，因?yàn)樗哂腥魏伍_關(guān)模式拓?fù)涞淖罡吖β食休d能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個(gè)功率半導(dǎo)體器件阻止了電荷的激勵(lì)振蕩損耗，并再次顯著降低了功率損耗。與經(jīng)典的逆變橋電路(H4拓?fù)? 相比，H5獲得了明顯改進(jìn)，其最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)98%。為防止光伏發(fā)電機(jī)的電力波動(dòng)，在逆變器的空運(yùn)行期間，該架構(gòu)將直流側(cè)與交流側(cè)斷開。

與圖4中的H4橋相比，圖5所示的H5拓?fù)鋬H需多一個(gè)開關(guān)器件。開關(guān)器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高頻，T1和T3工作在電網(wǎng)頻率50 Hz。在空運(yùn)行期間，T5是開路的，以斷開直流和交流側(cè)。正向電流空運(yùn)行路徑通過T1、T3的反向二極管，反向電流通過T3和T1的二極管形成環(huán)路。