太阳能逆变器架构组件全揭秘（图文）

　　光伏逆变器设计时会面临许多设计折中，如果做出错误的折中就会令设计人员焦头烂额。例如，光伏系统要能可靠工作并满额输出至少25年，而且价格要有竞争力，这就迫使设计人员做出成本/可靠性折中。光伏系统需要高效率的逆变器，因为更高效率的逆变器产生的热量少，并比低效率的同类器件寿命更长，同时它们能为光伏系统制造商和用户节省资金。SMA在这方面已经做了出色的工作。

　　控制架构

　　逆变器的“大脑”是它的控制器，通常是一颗数字功率控制器(DPC)，或本例中的数字信号处理器(DSP)。基于DSP的控制器，例如在本设计中采用的TI TMS320F2812，提供太阳能逆变器实时信号处理所需的高级运算性能和可编程的灵活性。高度集成的数字信号控制器帮助逆变器制造商推出更有效率、更具成本效益的产品，能够满足未来几年快速增长的太阳能应用需求。

　　逆变器的控制处理器必须应对大量的实时处理挑战，以便有效执行高效DC/AC转换和电路保护所需的精确算法。尽管MPPT和电池充电控制仅需要近实时响应，但也涉及高级处理算法。结合了高性能DSP和集成控制外围电路的数字信号处理器，为太阳能逆变器中的DC/AC转换桥、MPPT和保护电路的实时控制提供绝佳的解决方案。

　　DSP控制器本身就支持实时控制算法中的快速数学计算。诸如模数转换器(ADC)和脉宽调制 (PWM)等集成外设能够直接感测输入并控制功率IGBT或MOSFET，从而节省系统空间和费用。片上闪存有助于编程和数据采集，通信端口可实现电表和其他逆变器等设备的联网简化设计。太阳能逆变器中DSP控制器的高效率已经被设计所证明，能将转换效率损失削减了50%以上，同时显着降低了成本。　　通常，为了实现非阻塞(直通)代码的最高执行效率，控制器固件是以状态机格式实现的，可以防止执行不慎进入一个死循环。固件执行是分级的，相比于低阶的功能，一般更频繁服务于最高优先级的功能。在光伏逆变器中，隔离反馈回路补偿和电源开关调制通常是最高优先级，接下来是关键的保护功能以支持安全标准，最后是效率控制或最大功率点(MPP)。剩余的固件任务大多与当前工作点的优化运行、监测系统操作和支持系统通信相关。

　　集成功能保持了系统运作的成本效益。TI的TMS320F2812控制器内有一个超快速的12位ADC，能够支持多达16个输入通道，用于执行电流和电压感应以实现规则的正弦波。为安全起见，这颗ADC还能提供残余电流保护装置(RCD)中的电流感测。

　　12个单独控制的增强型PWM (EPWM)通道为换流器桥和电池充电电路中的高速切换提供可变占空比。每个EPWM都有自己的定时器和相位寄存器，可对相位延迟进行编程，并且所有的EPWM都能被同步，以相同频率驱动多级电路。多个定时器给出多个频率，并且快速中断管理能支持额外的控制任务。多标准通信端口，包括CAN总线，可提供简单的接口给其他组件和系统。

　　隔离

图6：可替代能源系统需要在高压功率电路以及控制器管理功率流之间设置隔离连接(红色)(Avago提供)

　　在SMA逆变器主板的正中心，我们发现5个Avago的隔离栅极驱动器。见图2。

　　在电网为50Hz频率时，控制T1和T3切换的两个隔离MOSFET驱动器是Avago的HCPL-316J，带有集成(VCE)去饱和探测和故障状态反馈的2.5安培栅极驱动光耦。控制T2、T4和T5在更高频率切换的其他三个隔离MOSFET驱动器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培输出电流MOSFET栅极驱动光耦。H5配置如图5所示。

　　尤其在无变压器逆变器设计中，光耦提供强化的隔离性能，并在出现故障情况时提供故障安全保护。

　　为何光伏逆变器中的无功功率控制很重要？

　　带有无功功率控制的“阳光男孩”3000TL/4000TL/5000TL逆变器目前已经面市。

　　无功功率通常发生在经由交变电流传送能量的任何时候。对于更大型和更小型的系统，对太阳能工程师和光伏系统操作人员而言，无功功率的重要性正在增加。最重要的现实是：无功功率完全没有问题。实际上，它还是一些问题的解决方案。

　　从2010年7月1日开始，在德国以中压馈入电网的光伏系统必须为电网提供无功功率。这已经在德国联邦能源与水利协会（BDEW）2008年版的中压设备接入规范中提及。对于低压电网，更为严苛的要求正在讨论中。

　　无功功率是如何发展而来的？

　　对于直流电，这个方程式很简单：功率是电压和电流之积。不过，对于交流电，事情就有些复杂了，因为电流和电压的强度及方向都会定期变化。见图7。