下一波功率轉(zhuǎn)換浪潮—光伏逆變器的安全、速度和成本效益

太陽能不再是一項新興技術(shù)，而是正在經(jīng)歷重大技術(shù)變革的技術(shù)，日趨成熟。我們朝著電網(wǎng)平價(太陽能成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本相當)，并且改進傳統(tǒng)能源發(fā)電類型構(gòu)成的目標前進，因為將面板中的直流電轉(zhuǎn)換為可用交流電的過程變得更加高效且經(jīng)濟實惠。

但是，雖然太陽能面板在近幾年價格顯著降低，但下一波太陽能發(fā)展浪潮將由功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的新技術(shù)推動。先進復(fù)雜的多級功率開關(guān)拓撲的興起將基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料，加上更高的工作電壓(最高1600VDC)，實現(xiàn)更加快速的功率開關(guān)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能將大幅提高。更高的開關(guān)頻率意味著功率轉(zhuǎn)換器的無源元件，即感應(yīng)線圈和電容尺寸可以大幅減小，從而可減輕重量、降低成本。這兩項均為太陽能市場進一步擴大的關(guān)鍵優(yōu)勢。

因此，這些新的功率開關(guān)拓撲正在推動可提供相關(guān)控制和支持的器件的變革。更小、更快的系統(tǒng)需要整個功率轉(zhuǎn)換信號鏈的改進更快地處理和更好地器件集成。但是，隨著現(xiàn)代光伏逆變器越來越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉(zhuǎn)換所固有的重要安全性問題的挑戰(zhàn)，也就是說，由于這些系統(tǒng)尺寸縮小，危險電壓的物理隔離變得更加復(fù)雜。

雖然太陽能面板或太陽能模塊是太陽能系統(tǒng)的核心，也是較為明顯的部分，但在整個信號鏈中，更復(fù)雜的部分是光伏逆變器——控制系統(tǒng)的大腦。光伏逆變器需要經(jīng)過仔細設(shè)計，以保護電流測量和計算電路，使其不受功率處理電路以及開關(guān)所引起的瞬態(tài)信號影響。但是，這種保護代價不菲多個冗余隔離器件會提升成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。而且很明顯，通過可編程處理器來運行這些系統(tǒng)所需的日益復(fù)雜的算法，需要考慮代碼完整性以保證系統(tǒng)自身的安全性問題。

此外，官方的安全認證是所有開發(fā)人員面臨的要求。必須遵守許多有關(guān)安全斷開連接(和重新連接)的法規(guī)。系統(tǒng)必須以多快的速度響應(yīng)、如何處理掉電和停電、快速斷開連接和電弧檢測，這些均必須得到解決—在許多情況下，每個國家/地區(qū)的解決辦法不同。由于認證會增加開發(fā)時間(成本)，因此已證明合格的器件和方法極具吸引力，并且還需要足夠靈活，能夠適應(yīng)多個不斷演變的區(qū)域安全法規(guī)。

幸運的是，通過使用可集成先進混合信號控制處理器、并被互補隔離電流檢測和柵極驅(qū)動器技術(shù)包圍的功率逆變器平臺，這些問題便可以迎刃而解。

1單一故障安全

對于安全關(guān)鍵應(yīng)用，如太陽能光伏逆變器的交流監(jiān)控器和隔離器，除了監(jiān)控設(shè)備以外，安全標準需要冗余的監(jiān)控元件，以確保單一故障安全。在傳統(tǒng)光伏逆變器中，這一點通過在系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來完成，該處理器充當冗余監(jiān)控元件，然后控制繼電器K2(圖1)。在傳統(tǒng)光伏逆變器控制硬件中，單獨的監(jiān)控處理器負責冗余安全元件K2及相關(guān)監(jiān)控。兩個處理器均運行部分安全軟件，并通過標準I/O設(shè)施通信。

PVStrings光伏串

PVInverterPowerHardware光伏逆變器功率硬件

ACGrid交流網(wǎng)

Supervisor電源監(jiān)控器

RedundantSafety冗余安全

ControlProcessor控制處理器

SystemManagement系統(tǒng)管理

ControlMPPT,DC-to-DC,DCAC控制MPPT、DC至DC、DCAC

RedundantSafety冗余安全

COMMsProcessor通信處理器

COMMs通信

圖1系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來確保單一故障安全