太阳能逆变器架构组件全揭秘（图文）

　　从太阳能面板的直流输入开始，经由直流-交流转换过程，直到输送给电网的交流输出，以及这种设计需要实现哪些特性，以满足各种各样的安规和其他性能标准，以及电力厂商对进入其电网上的信号的严格要求。

　　我们以一款典型的太阳能逆变器SMA“阳光男孩”(Sunny Boy) 为例看到其中设计中的主要组件和元器件选择，包括从Vishay 的EMI抑制电容器到TI的TMS320F2812 DSP。该设计特别强调隔离和保护，明智地采用了诸如Avago的HCPL-316J和 HCPL-312J这类光隔离MOSFET栅极驱动器。

　　光伏功率系统包括多个组成部分，例如，负责将太阳光转化为电能的光伏面板，机械和电气连接及装配，以及太阳能逆变器。太阳能逆变器是将太阳能产生的电能传送给电网的关键。图1所示是一个基本的、但非常完整的光伏系统框图。

图1：完整的光伏系统框图

　　太阳能光伏逆变器是什么？

　　逆变器的主要功能是将光伏面板或电池存储的来自太阳光的可变直流电压转换为供电器设备使用的、特定的交流电压和频率，并可以回输给电网。当然，这个交流输出因不同地区而各异，在北美是60Hz/115VAC，而在欧洲的大部分地区则是50Hz/230VAC

　　总部位于德国的艾思玛太阳能技术股份公司(SMA Solar Technology AG)开发出“阳光男孩”（Sunny Boy）系列太阳能逆变器。图2所示的逆变器主板被用于“阳光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的无变压器版本，分别适用于3kW、4kW 和4.6kW交流输出电力系统(@230V, 50Hz)。

　　该逆变器主板采用多串(multi-string)技术,由于带有两个独立的DC转换器，因而使得高度复杂的发生器配置变得易于实现。输入部分如图2左下象限所示。两路DC输入均采用Vishay 的EMI抑制电容器#339MKP作为滤波器的一部分，这个滤波器还包括绕在一个共用磁芯上的DC共模滤波器电感和一个15μF升压转换器平滑电容器#MKPC4AE系列，如图2左下象限所示。

　　还是在直流输入侧，采用两个继电器用于监测纯IT AC系统中符合IEC 61557-8标准的绝缘电阻。见图2左上象限。需要测量的是系统线和系统地之间的绝缘电阻。当下降到可调的阈值以下时，输出继电器就会切换到故障状态。借助这些继电器，一个叠加的直流测量信号可被用于执行测量功能。通过来自叠加的直流测量电压及其合成电流，可以计算出被测系统绝缘电阻的阻值。请注意图2中的霍尔效应电流传感器。

　　这个SMA逆变器主板上最令人印象深刻的特色之一就是采用了极高质量的有源和无源元件，从而增强了该逆变器设计的可靠性和性能。

图2： SMA的“阳光男孩”系列太阳能逆变器主板　　最大功率点(MPP)

　　在这个信号链上遇到的第一个直流功能是最大功率点(MPP)。

　　该逆变器致力于对影响电力输出的环境条件进行补偿。例如，光伏面板的输出电压和电流对温度变化和每个电池单元面积上的光强(参见“辐照度”)极为敏感。电池输出电压与电池温度成反比，电池电流与辐照度成正比。这种变化以及其他关键参数导致最佳逆变器电压/电流工作点大幅移动。逆变器通过采用闭环控制来保持工作在最大功率点(此处电压与电流之积为最大值)，从而解决了上述问题。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率点跟踪器。利用这个附加的功能，即使光伏电站受到部分遮蔽，这个已被验证的工作跟踪器管理系统OptiTrac也能够发现并采用最佳工作点，实现好的输出产率。TI DSP控制器是最大功率点跟踪(MPPT)的大脑。

　　判定MPP的最常用的方法是在每个MPPT周期，用控制器干扰面板的工作电压并观察输出。这种方法是在MPP附近一个大范围内持续振荡，以避免由于云层遮挡或其他条件引起的功率曲线发生局部的误导性变化。这种扰动观测法要在每个周期中均保持振荡远离MPP，其效率就很低。增量电感法是一种替代方法，可以解决功率曲线导数为零的问题，即定义为峰值的问题，然后稳定为分解的电压电平。不过，尽管这种方法避免了振荡导致的低效率问题，但又会产生其它的低效问题，因为它会稳定在一个局部峰值而非MPP处。将上述两种方法进行综合，既可以保持增量电感法的电平，又能在更大范围内定期扫描，以避免选中局部峰值。这种方法效率最高，但对控制器的性能要求也非常高。

　　图3显示MPP的判定如何随不同条件而变化。

图3：在各种天气、时间和面板热量条件下的MPP(TI提供)

　　电容器通常用于储存那些必须被存储并被逆变器提取的能量。这个电容器通常位于PV总线上，并且必须足够大以控制总线纹波电压。否则，该纹波可能有损MPPT的精确度。