- 無變壓器逆變器的優(yōu)勢
- 無變壓器逆變器的缺點
太陽能作為一個可再生能源正在持續(xù)發(fā)展,對其的持續(xù)關注促進了太陽能板的價格降低和效率提升。同時,逆變器、充電器和能量優(yōu)化器之類的平衡系統(tǒng)(BOS)器件已經(jīng)取得了重大進展。本文將介紹影響太陽能BOS效能的新架構和元件。
無變壓器的DC/AC逆變器在歐洲廣泛應用,但是在美國,這種產(chǎn)品只是最近才在某些地區(qū)被使用。無變壓器的逆變器拓撲結構有很多種,而Fraunhofer研究所開發(fā)的HERIC拓撲表現(xiàn)出了很高的效率。傳統(tǒng)的全橋逆變器的結構如圖1所示,HERIC拓撲如圖2所示,此圖中還顯示了兩種新的開關/二極管對。這種拓撲利用獨有的續(xù)流路徑來減小開關和導通損耗,使效率提升到98%以上。
圖1用在無變壓器逆變器上的全H橋
圖2用在無變壓器逆變器上的HERIC拓撲
無變壓器逆變器的優(yōu)勢
無變壓器逆變器有幾種優(yōu)勢。傳統(tǒng)逆變器的變壓器級,要提供電流隔離,因此重量大、價格高且損耗大。即使是帶有超小變壓器的高頻逆變器也有很大的能量損耗,最高能到1%~2%。在持續(xù)減少光伏系統(tǒng)安裝費用的過程中,每一小份能量都很關鍵。因此,向無變壓器逆變器的過渡會繼續(xù)。
無變壓器逆變器的缺點
無變壓器逆變器也有一些缺點。如前文所說,這種逆變器不包含由變壓器提供的電流隔離,這是一個很重要的安全隱患。然而,集成了完整的安全機制,例如隔離電阻測試和殘余電流檢測,會使得無變壓器逆變器如同變壓器一樣安全。此外,有證據(jù)表明這種逆變器的接地問題會導致薄膜面板,尤其是一些CIGS太陽能面板受到永久的傷害。
逆變器拓撲中常見的是H橋中的開關。如像上文所提,逆變器設計正朝著以越來越高的功率來減少電感/電容和變壓器的體積和成本方向發(fā)展。高壓/高頻開關在太陽能逆變器中是必需的。但是,在高壓/高頻條件下運行MOSFET會導致嚴重的傳導損失。IGBT經(jīng)常被使用是因為它們的傳導損失比MOSFET要低。然而,它們會在關斷期間會產(chǎn)生尾電流——增加了開關損耗。
ESBT
ST公司的射極開關式雙極型二極管(ESBT)提供了很好的解決方案。如圖3所示,ESBT的共基極放大器結構中包含了一個高壓BJT和一個功率MOSFET,整個器件有非常低的導通電壓降。[page]
圖3帶MOSFET驅動器的ESBT
當一個ESBT同外置MOSFET和二極管/電阻配對的時候,整個電路看起來像一個3端器件,經(jīng)驅動后能達類似IGBT或功率MOSFET的工作狀態(tài)。ESBT的關斷能量比IGBT低很多,能實現(xiàn)高效設計,并非常適合高頻率、高壓逆變器設計。
傳統(tǒng)結構的屋頂太陽能系統(tǒng)安裝過程也在減少BOS成本,并提高性能。在這種結構中,太陽能板以串聯(lián)/并聯(lián)陣列形式連接在一起,對陰影和錯配非常敏感。舉例來說,如果一個串行陣列中的面板,其性能受陰影或塵土的影響,整串的輸出就會受到嚴重的影響。對這個問題的一個解決方案就是在面板或串聯(lián)級增加一個DC/DC變換器和一個極大的功率點追蹤器。
優(yōu)化
面板級的能量優(yōu)化是一個非常重要的能量轉換和控制任務。這些功能要優(yōu)化太陽能面板采集的能量,然后轉換為連續(xù)的電壓或電流,同時將工作狀態(tài)發(fā)送至中央控制器。這需要一個微控制器或狀態(tài)機、模擬感應電路、DC/DC電流轉換,以及有線或無線通信。
這些具體功能都是易于理解的,并適合集成在一個模塊中。這樣做能提供成本、可靠性和性能優(yōu)勢。優(yōu)化的MPPT輸出可增加系統(tǒng)的性能,并導致效率增加,有助于降低系統(tǒng)成本。
一個典型的MPPT集成方案就是ST公司的SPV1020。它包含了一個集成式升壓變換器,一個MPPT有線狀態(tài)機,模擬感應電路和一個PLM。變換器使用了一個高頻率交錯結構,可接納更小的電感和電容。這個高集成度的方案將在2010年晚些時候推出。
太陽能適合大部分的工業(yè)應用,如離網(wǎng)的太陽能供電路燈、標識、碰撞指示燈、安全系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和遠程通信。通常情況,在電網(wǎng)不能接入的地方會使用太陽能。然而,在這些地方,太陽能的使用會因為成本因素而受限。不過,同屋頂?shù)奶柲芤粯?,離網(wǎng)的工業(yè)太陽能供電系統(tǒng)會隨著成本和效率方面的改進而增加應用。
離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要很大的能量采集器,尤其是電池。這些電路需要安全和高效的充電,以不斷完善完備性和集成性。例如,Cypress半導體推出了使用PowerPSoC處理器的集成太陽充電器參考設計。它用12V太陽能板供電,來慢充12V鉛酸電池,這個參考設計包括了MPPT優(yōu)化和一個鉛酸電池充電器。
該產(chǎn)品的架構使用了一個電流控制的降壓整流器來進行MPPT和電池充電(見圖4)。嵌入在PowerPSoC中的MPPT和電池充電器使用了電壓和電流回饋,使面板工作在峰值功率,通過控制降壓控制器的開關來使面板工作在峰值功率中。
圖4MPPT/充電器控制器結構框圖
在另一個實例中,ST微電子開發(fā)了一個高度集成的HBLED太陽能MPPT充電器/驅動器。這個全集成的方案帶有MPPT優(yōu)化的電池充電器和集成的HBLED驅動器。這個產(chǎn)品將在2010年晚期發(fā)布,非常適合于HBLED街燈照明應用。