太陽能光伏逆變器接入電網(wǎng)布局與安全問題

各國政府和電力公司預(yù)計，光伏（PV）發(fā)電將在它們供應(yīng)的能源總量中占到很大比例。把太陽能電池的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同步的交流電，在設(shè)計上有苛刻的要求，將來更是如此。光伏逆變器必須在寬功率范圍和運(yùn)行條件下實現(xiàn)最高效率，并且必須同時符合嚴(yán)格的安全要求。逆變器的性能最終取決于精確地測量基礎(chǔ)電量。光伏逆變器制造商需要與傳感器制造商密切合作，確保支持光伏技術(shù)的最新趨勢。

我們的世界要求用“綠色”的可再生能源替代化石燃料以造福于環(huán)境。預(yù)測不久的將來的供電系統(tǒng)的現(xiàn)實情景包括多種能源，其中太陽能有多種配置規(guī)模，既有占地數(shù)公頃的大型電站，也有單戶家庭使用的裝置。這將推動光伏（PV）太陽能逆變器市場強(qiáng)勁增長。即使在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)低迷的情況下，預(yù)計光伏市場將在2013年達(dá)到340億美元。關(guān)于光伏市場的考慮因素中，較新的是預(yù)計各種規(guī)模的裝置都將接入電網(wǎng);即使家用的單戶系統(tǒng)，如果發(fā)電量超出局部負(fù)載的需要，也能向電力公司輸送和出售電力。

光伏系統(tǒng)要實現(xiàn)其潛能，就必須提高發(fā)電效率以降低每千瓦成本。眾所周知，太陽能電池制造商一直努力提升把太陽輻射轉(zhuǎn)換為電力的基礎(chǔ)效率;光伏制造商也在設(shè)計下一代逆變器，通過增加診斷和其他功能提高功率和效率，增加智能化和功能。最新的動向是多串技術(shù)：把系列相連的太陽能電池組成的多個串連接到單個逆變器上，其中每塊電池都有自己的最大功率點跟蹤（MPPT）裝置，從而最大限度地產(chǎn)生能量。太陽能電池是不易使用的電源。電池是開路，輸出的額定電壓約0.6伏：通常每個太陽能電池板最多有72塊電池，形成44伏的開路。短路電池可以輸出一定水平的電流。在這些極限之間的一個點上，電池將在一定電壓和電流下輸出最大功率。這個最大功率點隨運(yùn)行條件（如投射的太陽輻射水平）變化，因此逆變器必須跟蹤這個點以保持最高效率。設(shè)計人員依靠瞬時采集數(shù)據(jù)的電壓和電流傳感器，通過軟件運(yùn)算法則做到這一點。

逆變器的輸出電流一般在15到50Arm，通過傳感器測量到脈寬調(diào)制（PWM）正弦波控制器的反饋輸出，測量進(jìn)入電網(wǎng)的電量?？刂破髦饕谖⑻幚砥骰驍?shù)字信號處理器，這些處理器備有+5伏電源，與電子控制系統(tǒng)的其他有功組件共用工作電壓基準(zhǔn)。LEM的HMS電流傳感器使用+5伏電源運(yùn)行。通過單獨的管腳提供內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（2.5伏），使它們易于和DSP或微處理器一同使用。但是，它們也能承受這些DSP的外部基準(zhǔn)（1.5到2.8伏之間），從中生成自己的基準(zhǔn)。這使整個應(yīng)用更加高效，有利于在計算誤差時消除基準(zhǔn)漂移。

太陽能電池板采用的逆變器通過變壓器或者使用直連式無變壓器設(shè)計接入電網(wǎng)。根據(jù)布局情況，前一種方法可在電網(wǎng)接入點使用工頻變壓器，或者使用高頻變壓器作為逆變器電路內(nèi)部的隔離點?；诘皖l變壓器的電路提供內(nèi)在的保護(hù)，能夠防止直流電注入交流電網(wǎng)，但變壓器本身的損耗會造成效率損失。由于IGBT交換不夠精確等原因，逆變器的交流輸出可能有直流成分;逆變器控制回路中采用的電流傳感器的直流偏移本身顯示為輸出電路的直流成分，因此偏移應(yīng)當(dāng)盡量減小。電網(wǎng)可接受的直流供電受到非常嚴(yán)格的限制;設(shè)計人員面臨的問題不僅是這些限制在各國存在差異，而且有的以額定電流百分比表示（如0.5%），有的以低至20mA（英國標(biāo)準(zhǔn)）的絕對限值表示。所有情況下，都需要測量很大的交流電流中的很小的直流電流，同時需要有最小的偏移和漂移。

太陽能電池板采用的逆變器通過變壓器或者使用直連式無變壓器設(shè)計接入電網(wǎng)。根據(jù)布局情況，前一種方法可在電網(wǎng)接入點使用工頻變壓器，或者使用高頻變壓器作為逆變器電路內(nèi)部的隔離點?；诘皖l變壓器的電路提供內(nèi)在的保護(hù)，能夠防止直流電注入交流電網(wǎng)，但變壓器本身的損耗會造成效率損失。由于IGBT交換不夠精確等原因，逆變器的交流輸出可能有直流成分;逆變器控制回路中采用的電流傳感器的直流偏移本身顯示為輸出電路的直流成分，因此偏移應(yīng)當(dāng)盡量減小。電網(wǎng)可接受的直流供電受到非常嚴(yán)格的限制;設(shè)計人員面臨的問題不僅是這些限制在各國存在差異，而且有的以額定電流百分比表示（如0.5%），有的以低至20mA（英國標(biāo)準(zhǔn)）的絕對限值表示。所有情況下，都需要測量很大的交流電流中的很小的直流電流，同時需要有最小的偏移和漂移。

當(dāng)今的太陽能逆變器布局需要基于電流傳感器的緊湊、低成本和可靠的接地電流檢測方案。LEM據(jù)此特別設(shè)計了CT系列傳感器。它們是額定范圍為100mA、200mA和400mA的不同電流裝置，在額定電流下提供5伏的線性輸出。在額定電流的80%和90%的條件下，響應(yīng)時間不超過20毫秒和60毫秒。采用高技術(shù)設(shè)計（“磁通門”）是關(guān)鍵，要在低偏移或漂移的條件下準(zhǔn)確測量很小的直流或交流電流更是如此;可測量直流和最高18千赫的交流電流。CT產(chǎn)品可以安裝在PCB上，尺寸小，重量輕，有供相線穿過的通孔。安裝在PCB上的CAS/CASR/CKSR電流傳感器采用相同的閉環(huán)磁通門技術(shù);可對交流和直流電流進(jìn)行隔離測量，它們涵蓋6到50Arms的額定范圍，最高測量值為額定值的三倍，同時頻率可達(dá)到300千赫（+/-3dB）。按照最新的逆變器設(shè)計趨勢的要求對它們進(jìn)行了特別設(shè)計，改進(jìn)了以下方面的性能：共模干擾，溫度漂移（偏移和增益;根據(jù)型號的不同，最大零點溫度漂移為7到30ppm/K），響應(yīng)時間（低于0.3微秒）、絕緣水平、+5伏電源和緊湊尺寸。

為了與電網(wǎng)同步，需要特別控制逆變器的輸出端。逆變器必須輸出正弦交流電，因此要盡量減小諧波，同時對電網(wǎng)一側(cè)的電流變化做出快速反應(yīng)。這里采用的傳感器必須有很快的反應(yīng)時間和低零點漂移。減小溫度變化造成的零點漂移也有助于減少對復(fù)雜的補(bǔ)償運(yùn)算法則的需要。相反，在通過傳感器監(jiān)控MPPT的逆變器的直流輸入端，電流的變相應(yīng)少一些，從而可以采用低成本的開環(huán)傳感器。

沒有接入電網(wǎng)的逆變器，例如備用系統(tǒng)的充電電池，不受國家電網(wǎng)，但是必須符合許多相同的安全和效率要求。

光伏逆變器設(shè)計人員必須遵守的規(guī)格很可能變得更加嚴(yán)苛。例如，和限制直流電輸入電網(wǎng)一樣，可能就逆變器輸出電流的諧波總量的容許水平達(dá)成某種共識;目前存在根據(jù)布局情況設(shè)有多種本地限制。這要求在遠(yuǎn)高于50或60赫茲的電網(wǎng)頻率下精確地測量電流。

萊姆等傳感器制造商和光伏逆變器制造商之間的緊密協(xié)作，將為技術(shù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。綜合運(yùn)用這些技術(shù)，將在不斷增長的太陽能產(chǎn)業(yè)取得真正的競爭優(yōu)勢和市場份額。