智能太阳能逆变器平滑电压波动对电网稳定
时间：10-02
整理：3721RD
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可再生能源发电市场的蓬勃发展，尤其是太阳能，只会有助于减少我们对化石燃料的依赖，减少全球乳业公司二排放。然而，对离散的太阳能系统的输出连接到电网上需要克服一些技术挑战。不仅仅是事实，大多数可再生能源发电，如太阳能和风能是间歇性的。
如电网的稳定性和弹性，能量存储问题，和缓冲来弥补需求高峰，有如智能逆变器，微逆变器技术处理，和DC优化器。平滑电压波动，同时确保从逆变器的能量可以指向的地方是在需求日益复杂的电路。
在太阳能逆变器的本质是将直流电压转换成交流电压适合饲养到网格。然而，是什么使太阳能逆变器和微逆变器智能的新一代吗?最常提到的属性是有功和无功功率的支持，最大功率点跟踪（MPPT），动态无功伏安（VAR）注射，扩展频率跳变点，低电压穿越，和旅行和重联的随机化。
本文将考虑如何对这些“智能”功能可以实现，使用设备等外设丰富，低功耗微控制器，专用的MPPT控制器，和MOSFET和IGBT的驱动程序。的例子德州仪器”广泛的产品组合，将被用来说明设计问题。应当指出的是，一些供应商的生产设备，致力于太阳能逆变器中的应用。将要讨论的特定部分，包括SM72295全桥MOSFET驱动器，SM72442MPPT控制器，加上SM3320参考设计太阳探测器逆变器套件。
波动
而太阳能逆变器已久的光伏面板和配电网络，将DC到AC之间的必然联系，其作用是扩大因太阳能发电的大规模增长。公用事业公司和电网运营商越来越关注管理什么可能大幅波动的水平的巨大产生的能量（而且还在增加）的电网连接的太阳能系统的数量，无论是屋顶系统或公用事业规模的太阳能农场。间歇生产，由于云盖或临时故障破坏电网的潜力。此外，电网运营商正在努力提前计划由于缺乏对这些系统的生产数据的准确以及对真正的能源消耗。
在大规模的设施，几乎所有的输出输入国家电网和微电网，通常是很好的监测。在屋顶的水平，虽然个别小集体产生的能量有一个显着的潜力。加利福尼亚估计有超过150000的住宅屋顶光伏并网系统有可能产生2.7兆瓦。
然而，在一些系统的所有太阳能产生的能量反馈到电网，不容易生产，别人允许生成可立即由生产者的能量，只有多余的馈送到电网。在后者的情况下，智能仪表只能测量计费净产值。在许多情况下，生产和消费信息，通过智能电表，公用事业公司提供，不得提供给电网运营商。
越来越智能
据业内专家的解决方案是智能逆变器。每一个逆变器，无论在面板或兆瓦级水平，具有在电网稳定发挥作用。传统的逆变电源，为安全起见，成为可控的，这样他们可以从电网断开任何电网不稳定迹象。据报道，突然断开，普遍会加剧电网不稳定而不是帮助解决它。
智能变频器，但提供了更大的控制，被设计用来帮助保持电网稳定。一个方向是利用同步相量测量的检测和识别电网不稳定的事件，而不是常规的扰动观察法。目的是区分真正的岛条件和电压或频率的扰动会从额外的发电效益而不是断开逆变器。
智能变频器可以改变功率因数。他们可以输入或接收的无功功率管理及电网电压波动、驱动电压上升或下降取决于直接的要求。自适应伏特安培反应（VAR）补偿技术可以使“自愈”的网格。
智能变频器和智能电网不仅允许生产基本要发送的数据，及时对电网运营商之间的双向通信，但对电压和电流的上行数据可以帮助智能变频调整运行，提高供电质量，提高电网的稳定性和电压调节，在不影响安全。有相当多的挑战仍在同意和国家和国际技术标准演进方面克服，但这个主题是不包括在这里。
在传统设备的智能变频器的好处已被确认在德国，欧洲的太阳能能源生产大国，其中一个主动正在转换所有太阳能生产变频器智能逆变器。虽然智能逆变器的成本略高于传统系统的优势获得了在电网平衡和精确的数据规划的目的被认为是值得的。智能变频器由德国国家标准规定的关键特性包括功率和电压/无功控制，提高电网的稳定性直接影响。
[tr]智能变频器的设计的另一个重要因素，除了电转换效率，是有效利用最大功率点跟踪（MPPT）。在操作中，MPPT算法提供光伏系统电压不断调整（DC-DC和DC-AC）随着环境条件的变化，为了从小组中获取最大的能量。决定因素是光，温度，和负载。通常情况下，面板和负载阻抗匹配与DC-DC转换器。而温度主要影响面板电压工作点（具有讽刺意味的是，热板，效率就较低），辐射主要变化的面板操作电流。
微观效率
[tr]在大多数的太阳能光伏发电系统，单台逆变器是用来转换产生的交流电直流电。当多个面板安装，逆变器可以配置为作为一个集中的单位，或面板可以串联设置，阵列的大小取决于。然而，在任何一个模块的性能下降将减少字符串中的所有其他模块的输出。性能可能会下降由于污秽或部分遮荫，或有时变工况特性之间的不匹配可能导致模块。据报道，中央逆变器的输出功率为基础的系统，可以减少5到25%。
[tr]最近的趋势，针对这一问题一直是直流优化器的介绍，基本上是一个DC-DC变换器在每个太阳能电池模块的优化性能。直流电送入字符串或中央逆变器。另一种方法是微逆变器，通常安装一个面板。
[tr]
[tr][tr]使用相同的MPPT和其他技术来优化效率和输出，直流优化器和微逆变器保证每个面板生产能源的最大量的。如果阴影或云层影响一个面板，从面板的输出的影响。如果面板是不能有效地工作，它可以识别和更换或修理。
[tr]最初，微逆变器是主要用于住宅屋顶系统，经常提供已经集成到安装方便交流模块。然而，对微逆变器价格下降，效益已越来越明显，需求有所增加，特别是在商业领域中的应用，以及在欧洲以外的新的市场和美国。
[tr]市场
[tr]根据IMS的研究，[tr]一[tr]全球市场将扩大到四个因子从2013到2017，为提高能量采集效率比传统的逆变器的优点是公认的。额外的好处包括增强的安全性，并为微逆变器变得聪明，模块级的监控能力，使他们特别有吸引力的商业系统。同时，IMS已经报道在传统的光伏逆变器市场疲软。[tr]竞争的加剧为主要原因。
[tr]类似的预测由Datamonitor预计在其最近发表的报告，欧洲太阳能一体化问题，[tr]三[tr]其中包括太阳能光伏板和智能变频器的作用。欧洲的经济增长将温和在接下来的七年中，该报告预测，由于面板价格继续下降，产能过剩将导致供应商整合。报告补充说，智能逆变器已经成为德国的大部分销售，预计这一趋势在欧洲的蔓延，这样，2020，90%（以兆瓦）新的太阳能装置将包括智能逆变器。
[tr]问题的核心
[tr]而MPPT算法是在逆变器的心脏，它通常是通过单片机或专用的MPPT控制器实现。德克萨斯仪器公司开发的逆变器，设计方案指导微逆变器，微转换器（直流优化器）。[tr]四[tr]公司的综合组件组合涵盖了模拟、电源管理、集成电路和单片机适合这种类型的应用程序。请参阅下面的图3一个典型的微逆变器的原理框图。
[tr][tr]
根据钛，控制器负责被锁定频率的网格，它是通过编程来执行所有必要的控制回路的电源管理功能。无论是8 -，16 -，或32位微控制器的使用，一般需要先进的设备，包括高精度PWM（脉冲宽度调制）输出和模拟-数字转换器（ADC）实现控制回路。
在操作中，ADC测量变量如光伏输出电压和电流，然后调整DC-DC和DC-AC逆变器通过改变PWM的占空比，根据负载。复杂的方案和智能软件可以开发真正的最大功率点跟踪提取，即使一个模块部分。
TI建议实时处理器可以读取ADC和调整在一个时钟周期内PWM的使用。一个简单的住宅系统的通信可以通过一个单一的处理器处理。首选的通信协议不同的地区有不同的。热门的选择包括电力线通信（PLC）减少布线的要求，或无线网络协议，包括蓝牙、ZigBee、6LoWPAN和越来越多的。
然而，更复杂的系统，涉及多个微逆变器或分布式逆变器，与先进的监控和报告功能，可能需要一个辅助处理器。提供固件更新的能力可能也需要额外的电路。
电流检测是通过磁通门传感器或并联电阻，可以看到上面的框图。处理器与电流和电压之间的隔离可能是必需的，以及出于安全原因的通信总线。在这种情况下，Δ∑调制器，其中集成隔离，应纳入设计。同时，偏置电源采用DC-DC转换器对逆变器的电子产品提供电源。
MOSFET驱动器
更高的电压遇到这种类型的应用程序将需要专门的MOSFET和IGBT的驱动程序，并应包括集成传感。合适的设备可以从TI的范围当中是高速驱动的UCC7321 / 2家庭。反相版本的UCC37321，提供9个峰值驱动电流低（4至15 V）的电源电压，可驱动最大的MOSFET。
然而，TI的太阳魔法SM72295全桥驱动致力于光伏应用。设计用于驱动四个离散的N型MOSFET全桥结构，驾驶员提供3的峰值电流的快速，高效的交换和集成的高速自举二极管。电流检测是通过与外部可编程增益和滤波去除纹波电流和平均电流控制电路提供信息两个跨导放大器提供集成。电流检测放大器的输出缓存一个低阻抗的接口，如果需要一个ADC。外部可编程输入过压比较器还包括关闭所有输出。
MPPT控制器
[tr][tr]
在TI的太阳魔法的范围的另一个关键设备是sm72442MPPT控制器。该装置可控制四路PWM栅极驱动信号形成的一四开关Buck-Boost变换器，如图4所示。一个专有的面板模式算法允许面板可以直接连接到功率优化电路的输出。当使用与sm72295全桥驱动相结合，它创造了一个跟踪配置的DC-DC变换器的效率高达99.5%的溶液。一个8通道12位ADC集成意义上的输入和输出电压和电流，和同样的板结构和面板诊断。外部可编程的值包括最大输出电压和电流，以及转换率，软启动设置，和面板模式。
[tr][tr]
[tr]
[tr][tr]的SM72442 MPPT数字控制器和SM72295可以提供作为 SM3320-BATT-EV [tr]参考设计。参考设计的目的是为各种应用提供支持，主要是为了控制高效率DC-DC转换，用于光伏应用。一个相关的应用笔记[tr]六[tr]解释如何使用参考设计演示MPPT功能，本实例商业铅酸蓄电池充电。
[tr]太阳探测器
[tr]无论是传统的逆变器，设计微型逆变器，或微转换器，开始一个有用的地方可能是德克萨斯的一个工具[tr] TMDSSOLARPEXPKIT 或 TMDSSOLARCEXPKIT [tr]太阳能资源包。一个相关的应用[tr]Note5可用来解释如何使用这些工具来评估和证明的MPPT算法，在光伏逆变器的设计实现，并网和离网应用。详细的电路图和说明。
[tr]主板提供一个短笛C2000微控制器或一个双核心的协奏曲装置。后者的芯片包括一个臂?皮质?- r4f核心设计符合安全标准IEC61508 SIL-3。在试剂盒的主要控制核心功能集成浮点、12位ADC，PWM电机控制专用和编码器输入通过一个灵活的HET时间协处理器。
[tr]试剂盒中的附加模块包括升压型DC-DC转换器的输入检测单相实现MPPT，DC-AC单相逆变器MPPT电池，具有降压和升压能力充电SEPIC DC-DC转换器，和一个同步降压-升压型DC-DC转换器的光传感器模块、仿真光伏面板输出和意义上的输出电压和电流。
[tr]概要
[tr]住宅和商业应用的迅速普及的智能微逆变器，并创造更高的体积比传统逆变器的潜在市场。智能功能，如自适应无功支持，将成为帮助电网稳定性的标准要求，同时保证了最大输出功率跟踪和提高效率。监测和报告实时电力生产水平的能力是电网运营商的一个本质特征。
如电网的稳定性和弹性，能量存储问题，和缓冲来弥补需求高峰，有如智能逆变器，微逆变器技术处理，和DC优化器。平滑电压波动，同时确保从逆变器的能量可以指向的地方是在需求日益复杂的电路。
在太阳能逆变器的本质是将直流电压转换成交流电压适合饲养到网格。然而，是什么使太阳能逆变器和微逆变器智能的新一代吗?最常提到的属性是有功和无功功率的支持，最大功率点跟踪（MPPT），动态无功伏安（VAR）注射，扩展频率跳变点，低电压穿越，和旅行和重联的随机化。
本文将考虑如何对这些“智能”功能可以实现，使用设备等外设丰富，低功耗微控制器，专用的MPPT控制器，和MOSFET和IGBT的驱动程序。的例子德州仪器”广泛的产品组合，将被用来说明设计问题。应当指出的是，一些供应商的生产设备，致力于太阳能逆变器中的应用。将要讨论的特定部分，包括SM72295全桥MOSFET驱动器，SM72442MPPT控制器，加上SM3320参考设计太阳探测器逆变器套件。
波动
而太阳能逆变器已久的光伏面板和配电网络，将DC到AC之间的必然联系，其作用是扩大因太阳能发电的大规模增长。公用事业公司和电网运营商越来越关注管理什么可能大幅波动的水平的巨大产生的能量（而且还在增加）的电网连接的太阳能系统的数量，无论是屋顶系统或公用事业规模的太阳能农场。间歇生产，由于云盖或临时故障破坏电网的潜力。此外，电网运营商正在努力提前计划由于缺乏对这些系统的生产数据的准确以及对真正的能源消耗。
在大规模的设施，几乎所有的输出输入国家电网和微电网，通常是很好的监测。在屋顶的水平，虽然个别小集体产生的能量有一个显着的潜力。加利福尼亚估计有超过150000的住宅屋顶光伏并网系统有可能产生2.7兆瓦。
然而，在一些系统的所有太阳能产生的能量反馈到电网，不容易生产，别人允许生成可立即由生产者的能量，只有多余的馈送到电网。在后者的情况下，智能仪表只能测量计费净产值。在许多情况下，生产和消费信息，通过智能电表，公用事业公司提供，不得提供给电网运营商。
越来越智能
据业内专家的解决方案是智能逆变器。每一个逆变器，无论在面板或兆瓦级水平，具有在电网稳定发挥作用。传统的逆变电源，为安全起见，成为可控的，这样他们可以从电网断开任何电网不稳定迹象。据报道，突然断开，普遍会加剧电网不稳定而不是帮助解决它。
智能变频器，但提供了更大的控制，被设计用来帮助保持电网稳定。一个方向是利用同步相量测量的检测和识别电网不稳定的事件，而不是常规的扰动观察法。目的是区分真正的岛条件和电压或频率的扰动会从额外的发电效益而不是断开逆变器。
智能变频器可以改变功率因数。他们可以输入或接收的无功功率管理及电网电压波动、驱动电压上升或下降取决于直接的要求。自适应伏特安培反应（VAR）补偿技术可以使“自愈”的网格。
智能变频器和智能电网不仅允许生产基本要发送的数据，及时对电网运营商之间的双向通信，但对电压和电流的上行数据可以帮助智能变频调整运行，提高供电质量，提高电网的稳定性和电压调节，在不影响安全。有相当多的挑战仍在同意和国家和国际技术标准演进方面克服，但这个主题是不包括在这里。
在传统设备的智能变频器的好处已被确认在德国，欧洲的太阳能能源生产大国，其中一个主动正在转换所有太阳能生产变频器智能逆变器。虽然智能逆变器的成本略高于传统系统的优势获得了在电网平衡和精确的数据规划的目的被认为是值得的。智能变频器由德国国家标准规定的关键特性包括功率和电压/无功控制，提高电网的稳定性直接影响。
图1：应用范围从最小的住宅家居系统到多兆瓦的发电站，太阳能逆变器ABB广泛。最新的多逆变器包括智能特征，如双MPPT。
[tr]智能变频器的设计的另一个重要因素，除了电转换效率，是有效利用最大功率点跟踪（MPPT）。在操作中，MPPT算法提供光伏系统电压不断调整（DC-DC和DC-AC）随着环境条件的变化，为了从小组中获取最大的能量。决定因素是光，温度，和负载。通常情况下，面板和负载阻抗匹配与DC-DC转换器。而温度主要影响面板电压工作点（具有讽刺意味的是，热板，效率就较低），辐射主要变化的面板操作电流。
微观效率
[tr]在大多数的太阳能光伏发电系统，单台逆变器是用来转换产生的交流电直流电。当多个面板安装，逆变器可以配置为作为一个集中的单位，或面板可以串联设置，阵列的大小取决于。然而，在任何一个模块的性能下降将减少字符串中的所有其他模块的输出。性能可能会下降由于污秽或部分遮荫，或有时变工况特性之间的不匹配可能导致模块。据报道，中央逆变器的输出功率为基础的系统，可以减少5到25%。
[tr]最近的趋势，针对这一问题一直是直流优化器的介绍，基本上是一个DC-DC变换器在每个太阳能电池模块的优化性能。直流电送入字符串或中央逆变器。另一种方法是微逆变器，通常安装一个面板。
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[tr][tr]图2：Enphase微型逆变器被安装在每一个面板。
[tr][tr]使用相同的MPPT和其他技术来优化效率和输出，直流优化器和微逆变器保证每个面板生产能源的最大量的。如果阴影或云层影响一个面板，从面板的输出的影响。如果面板是不能有效地工作，它可以识别和更换或修理。
[tr]最初，微逆变器是主要用于住宅屋顶系统，经常提供已经集成到安装方便交流模块。然而，对微逆变器价格下降，效益已越来越明显，需求有所增加，特别是在商业领域中的应用，以及在欧洲以外的新的市场和美国。
[tr]市场
[tr]根据IMS的研究，[tr]一[tr]全球市场将扩大到四个因子从2013到2017，为提高能量采集效率比传统的逆变器的优点是公认的。额外的好处包括增强的安全性，并为微逆变器变得聪明，模块级的监控能力，使他们特别有吸引力的商业系统。同时，IMS已经报道在传统的光伏逆变器市场疲软。[tr]竞争的加剧为主要原因。
[tr]类似的预测由Datamonitor预计在其最近发表的报告，欧洲太阳能一体化问题，[tr]三[tr]其中包括太阳能光伏板和智能变频器的作用。欧洲的经济增长将温和在接下来的七年中，该报告预测，由于面板价格继续下降，产能过剩将导致供应商整合。报告补充说，智能逆变器已经成为德国的大部分销售，预计这一趋势在欧洲的蔓延，这样，2020，90%（以兆瓦）新的太阳能装置将包括智能逆变器。
[tr]问题的核心
[tr]而MPPT算法是在逆变器的心脏，它通常是通过单片机或专用的MPPT控制器实现。德克萨斯仪器公司开发的逆变器，设计方案指导微逆变器，微转换器（直流优化器）。[tr]四[tr]公司的综合组件组合涵盖了模拟、电源管理、集成电路和单片机适合这种类型的应用程序。请参阅下面的图3一个典型的微逆变器的原理框图。
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图3：一个典型的微逆变器的设计框图（德克萨斯乐器）。
根据钛，控制器负责被锁定频率的网格，它是通过编程来执行所有必要的控制回路的电源管理功能。无论是8 -，16 -，或32位微控制器的使用，一般需要先进的设备，包括高精度PWM（脉冲宽度调制）输出和模拟-数字转换器（ADC）实现控制回路。
在操作中，ADC测量变量如光伏输出电压和电流，然后调整DC-DC和DC-AC逆变器通过改变PWM的占空比，根据负载。复杂的方案和智能软件可以开发真正的最大功率点跟踪提取，即使一个模块部分。
TI建议实时处理器可以读取ADC和调整在一个时钟周期内PWM的使用。一个简单的住宅系统的通信可以通过一个单一的处理器处理。首选的通信协议不同的地区有不同的。热门的选择包括电力线通信（PLC）减少布线的要求，或无线网络协议，包括蓝牙、ZigBee、6LoWPAN和越来越多的。
然而，更复杂的系统，涉及多个微逆变器或分布式逆变器，与先进的监控和报告功能，可能需要一个辅助处理器。提供固件更新的能力可能也需要额外的电路。
电流检测是通过磁通门传感器或并联电阻，可以看到上面的框图。处理器与电流和电压之间的隔离可能是必需的，以及出于安全原因的通信总线。在这种情况下，Δ∑调制器，其中集成隔离，应纳入设计。同时，偏置电源采用DC-DC转换器对逆变器的电子产品提供电源。
MOSFET驱动器
更高的电压遇到这种类型的应用程序将需要专门的MOSFET和IGBT的驱动程序，并应包括集成传感。合适的设备可以从TI的范围当中是高速驱动的UCC7321 / 2家庭。反相版本的UCC37321，提供9个峰值驱动电流低（4至15 V）的电源电压，可驱动最大的MOSFET。
然而，TI的太阳魔法SM72295全桥驱动致力于光伏应用。设计用于驱动四个离散的N型MOSFET全桥结构，驾驶员提供3的峰值电流的快速，高效的交换和集成的高速自举二极管。电流检测是通过与外部可编程增益和滤波去除纹波电流和平均电流控制电路提供信息两个跨导放大器提供集成。电流检测放大器的输出缓存一个低阻抗的接口，如果需要一个ADC。外部可编程输入过压比较器还包括关闭所有输出。
MPPT控制器
[tr][tr]
在TI的太阳魔法的范围的另一个关键设备是sm72442MPPT控制器。该装置可控制四路PWM栅极驱动信号形成的一四开关Buck-Boost变换器，如图4所示。一个专有的面板模式算法允许面板可以直接连接到功率优化电路的输出。当使用与sm72295全桥驱动相结合，它创造了一个跟踪配置的DC-DC变换器的效率高达99.5%的溶液。一个8通道12位ADC集成意义上的输入和输出电压和电流，和同样的板结构和面板诊断。外部可编程的值包括最大输出电压和电流，以及转换率，软启动设置，和面板模式。
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图4：钛的SM72442 MPPT控制器的功能框图，形成一四开关降压-升压转换器。
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[tr][tr]的SM72442 MPPT数字控制器和SM72295可以提供作为 SM3320-BATT-EV [tr]参考设计。参考设计的目的是为各种应用提供支持，主要是为了控制高效率DC-DC转换，用于光伏应用。一个相关的应用笔记[tr]六[tr]解释如何使用参考设计演示MPPT功能，本实例商业铅酸蓄电池充电。
[tr]太阳探测器
[tr]无论是传统的逆变器，设计微型逆变器，或微转换器，开始一个有用的地方可能是德克萨斯的一个工具[tr] TMDSSOLARPEXPKIT 或 TMDSSOLARCEXPKIT [tr]太阳能资源包。一个相关的应用[tr]Note5可用来解释如何使用这些工具来评估和证明的MPPT算法，在光伏逆变器的设计实现，并网和离网应用。详细的电路图和说明。
[tr]主板提供一个短笛C2000微控制器或一个双核心的协奏曲装置。后者的芯片包括一个臂?皮质?- r4f核心设计符合安全标准IEC61508 SIL-3。在试剂盒的主要控制核心功能集成浮点、12位ADC，PWM电机控制专用和编码器输入通过一个灵活的HET时间协处理器。
[tr]试剂盒中的附加模块包括升压型DC-DC转换器的输入检测单相实现MPPT，DC-AC单相逆变器MPPT电池，具有降压和升压能力充电SEPIC DC-DC转换器，和一个同步降压-升压型DC-DC转换器的光传感器模块、仿真光伏面板输出和意义上的输出电压和电流。
[tr]概要
[tr]住宅和商业应用的迅速普及的智能微逆变器，并创造更高的体积比传统逆变器的潜在市场。智能功能，如自适应无功支持，将成为帮助电网稳定性的标准要求，同时保证了最大输出功率跟踪和提高效率。监测和报告实时电力生产水平的能力是电网运营商的一个本质特征。