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下一波功率转换浪潮—光伏逆变器的安全、速度和成本效益

2017-03-03 10:10
风频浪劲
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太阳能不再是一项新兴技术,而是正在经历重大技术变革的技术,日趋成熟。我们朝着电网平价(太阳能成本与传统能源发电类型的成本相当),并且改进传统能源发电类型构成的目标前进,因为将面板中的直流电转换为可用交流电的过程变得更加高效且经济实惠。

但是,虽然太阳能面板在近几年价格显著降低,但下一波太阳能发展浪潮将由功率转换器系统的新技术推动。先进复杂的多级功率开关拓扑的兴起将基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料,加上更高的工作电压(最高1600 VDC),实现更加快速的功率开关,与传统系统相比,性能将大幅提高。更高的开关频率意味着功率转换器的无源元件,即感应线圈和电容尺寸可以大幅减小,从而可减轻重量、降低成本。这两项均为太阳能市场进一步扩大的关键优势。

因此,这些新的功率开关拓扑正在推动可提供相关控制和支持的器件的变革。更小、更快的系统需要整个功率转换信号链的改进更快地处理和更好地器件集成。但是,随着现代光伏逆变器越来越小,这些创新加剧了处理功率转换所固有的重要安全性问题的挑战,也就是说,由于这些系统尺寸缩小,危险电压的物理隔离变得更加复杂。

虽然太阳能面板或太阳能模块是太阳能系统的核心,也是较为明显的部分,但在整个信号链中,更复杂的部分是光伏逆变器——控制系统的大脑。光伏逆变器需要经过仔细设计,以保护电流测量和计算电路,使其不受功率处理电路以及开关所引起的瞬态信号影响。但是,这种保护代价不菲:多个冗余隔离器件会提升成本和系统复杂性。而且很明显,通过可编程处理器来运行这些系统所需的日益复杂的算法,需要考虑代码完整性以保证系统自身的安全性问题。

此外,官方的安全认证是所有开发人员面临的要求。必须遵守许多有关安全断开连接(和重新连接)的法规。系统必须以多快的速度响应、如何处理掉电和停电、快速断开连接和电弧检测,这些均必须得到解决—在许多情况下,每个国家/地区的解决办法不同。由于认证会增加开发时间(成本),因此已证明合格的器件和方法极具吸引力,并且还需要足够灵活,能够适应多个不断演变的区域安全法规。

幸运的是,通过使用可集成先进混合信号控制处理器、并被互补隔离电流检测和栅极驱动器技术包围的功率逆变器平台,这些问题便可以迎刃而解。

1单一故障安全

对于安全关键应用,如太阳能光伏逆变器的交流监控器和隔离器,除了监控设备以外,安全标准需要冗余的监控元件,以确保单一故障安全。在传统光伏逆变器中,这一点通过在系统中添加监控处理器来完成,该处理器充当冗余监控元件,然后控制继电器K2(图1)。在传统光伏逆变器控制硬件中,单独的监控处理器负责冗余安全元件K2及相关监控。两个处理器均运行部分安全软件,并通过标准I/O设施通信。

下一波功率转换浪潮—专为实现太阳能光伏逆变器的安全、速度和成本效益而设计

PV Strings光伏串

PV Inverter Power Hardware光伏逆变器功率硬件

AC Grid交流网

Supervisor电源监控器

Redundant Safety冗余安全

Control Processor控制处理器

System Management系统管理

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

Redundant Safety冗余安全

COMMs Processor通信处理器

COMMs通信

图1系统中添加监控处理器来确保单一故障安全

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