i耦合器隔离通信解决方案用于太阳能光伏和储能的基本监控

作者：Richard Anslow and Martin Murnane

新的政府政策与新的法规相结合，正在推动可再生能源发电，预计未来太阳能市场将有强劲的增长。由于当前太阳能逆变器中功率密度的增加以及对储能平衡的需求，这种太阳能发电导致需要显着监控太阳能系统的所有元素。对于太阳能光伏应用，由于固有的抗噪性，使用RS-485通信。添加i耦合器隔离式RS-485收发器可为太阳能光伏网络通信接口提供安全、可靠且可靠的EMC稳健解决方案。®

RS-485有多种用途，主要用途是远程监控发电、电源点跟踪器和储能状态（电池存储）。

对于储能等太阳能应用，通信至关重要，因为它会提醒用户其太阳能装置中的发电和消费活动。可以安装多种系统策略，例如账单管理、光伏自用、减少需求电荷和备用电源。备用电源是最受欢迎的，尤其是在美国，因为各种飓风在德克萨斯州和佛罗里达州造成了严重破坏。

 

国内储能战略	定义
账单管理 使用时间（使用条款）	最大限度地减少用电高峰时段的电力购买，而 TOU 将购买转移到电表客户后面的较低费率。此策略的目标是减少客户的账单。
光伏自用	尽量减少电表后光伏系统产生的电力出口，以最大限度地提高公用事业费率高的光伏地区的经济效益。
减少需求费用	当公用事业公司在高峰时段过度收费时降低成本，以便客户可以储存能源。
备用电源	这是一种更常见的策略，是对任何支持存储的设备充电，以便在电网关闭或夜间使用。这更像是一种备用电源策略，在高峰时段提供低公用事业费用，并且上网电价低。

 

典型的24小时太阳能发电、储能和家庭消费如图1所示。图1是系统设计用于太阳能系统中账单管理的主要原因。在夜间，当太阳能电池板没有辐射时，消耗的能量将从电网最低的电网购买。一旦太阳升起，太阳能电池板上就会出现辐射，就会产生电力，家庭自我消费就开始了，任何太阳能发电要么用于家庭，要么被转移到储能单元充电。这允许通过减少从电网获取的能源和使用太阳能来控制账单成本，其中公用事业公司提供低上网电价。

图1.太阳能发电、储能和家庭消费在典型的一天 24 小时内。

RS-485是PC屏幕数据更新的首选通信应用，例如当前功率，最大功率点跟踪器中的电流消耗，电池充电和健康状况以及CO2减少等可用，如图 2 所示。

图2.来自光伏太阳能系统的典型光伏监测系统数据。

图3显示了具有输入对输入直流串、直流到交流转换、能量充电和存储以及电池管理和通信的典型太阳能系统。ADI公司为太阳能光伏和储能应用提供完整的电源、通信和控制接口信号链解决方案。i耦合器隔离式栅极驱动器解决方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223;i耦合器隔离通信端口解决方案包括ADM2795E、ADM2867E和ADM3054;混合信号处理器解决方案包括ADSP-CM40x。

图3.带存储的典型太阳系的框图。

为什么使用带耦合器隔离的RS-485收发器？

i耦合器隔离为太阳能光伏网络通信接口提供了安全、可靠且 EMC 稳健的解决方案。

对于太阳能光伏网络，RS-485或CAN通信接口通常在电气噪声环境中通过长电缆运行。RS-485通信本质上是差分的，并且具有固有的抗噪声性。添加i耦合器隔离可提高抗噪性。

i耦合器系列数字隔离产品已通过各种监管机构的测试和批准，包括UL、CSA、VDE、TÜV、CQC、ATEX和IECEx。该监管机构测试在电气恶劣的太阳能光伏环境中可能发生的高压瞬变和电涌的情况下提供了经过认证的安全水平。

太阳能光伏通信接口通常以低于500 kbps的低数据速率运行，这是RS-485通信的理想工作范围。以太网等替代实现以 10 Mbps/100 Mbps 或 1 Gbps 的固定数据速率运行，这显然是针对应用要求过度设计的。

i耦合器隔离已证明具有EMC鲁棒性，可减少现场故障。增加的EMC鲁棒性减少了接口电路的设计和测试时间，从而加快了太阳能光伏网络的上市时间。

适用于现有太阳能光伏网络的嵌入式i耦合器隔离解决方案

对于现有的太阳能逆变器安装，其中不包括通信端口上的i耦合器隔离鲁棒性，i耦合器隔离RS-485中继器是一种强大的插入式解决方案。紧凑的信号和电源i耦合器隔离RS-485中继器在电磁能力（EMC）恶劣的太阳能环境中提供强大的电气噪声隔离保护。

图4.信号和电源iCoupler隔离RS-485中继器。

i耦合器隔离式RS-485中继器设计由两个RS-485收发器和两个高速ADCMP600比较器组成。ADM2867E是一款完全集成的信号和电源隔离数据收发器，具有±15 kV ESD保护，适合多点传输线路上的高速通信。ADM2867E内置一个集成式隔离式DC-DC电源，无需外部DC-DC隔离模块。RS-485中继器需要流量控制，这对于控制RS-485总线上的通信方向至关重要。使用ADCMP600高速比较器可在ADM2867E逻辑引脚上实现高速流量控制和方向性，从而形成可靠的通信系统。有关完整的设计指南，请参阅AN-1458应用笔记具有自动方向控制的隔离式RS-485中继器。

i耦合器信号隔离RS-485，具有额外的EMC鲁棒性

在设计EMC通信接口时，电路设计人员经常面临设计和测试迭代周期。该电路的设计需要满足系统级EMC标准和客户要求。系统级 IEC 标准（如用于工业自动化的 IEC 61131-2）规定了不同级别的 IEC ESD、EFT 和浪涌保护，以及对辐射、传导和磁干扰的抗扰度。

ADI公司的耦合器信号隔离RS-485包括额外的经认证的EMC保护，可防止这些明显的干扰，从而缩短需要满足严格监管目标的设计的上市时间。

特别是，ADM2795E RS-485收发器集成了隔离鲁棒性和EMC保护功能，可为太阳能光伏通信端口接口节省大量印刷电路板（PCB）板空间。

ADM2795E是一款5 kV rms信号隔离式RS-485收发器，在RS-485总线引脚上提供高达±42 V的交流-直流峰值总线过压故障保护。该器件集成了ADI公司的i耦合器技术，将3通道隔离器、RS-485收发器和IEC电磁兼容性（EMC）瞬态保护集成在单个封装中。

ADM2795E集成式耦合器技术已通过VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC（申请中）认证。

工作电压：849 V峰（600 V rms） 通过 VDE 0884-10 认证

耐压：5000 V rms通过 UL1577 认证

ADM2795E在多个系统级EMC测试中表现可靠，这些测试由EMC一致性测试机构认证（可根据要求提供认证）：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 电子转帐

IEC 61000-4-2 静电放电

IEC 61000-4-6 传导射频抗扰度

IEC 61000-4-3 辐射射频抗扰度

IEC 61000-4-8 磁抗扰度

图5.iCoupler 隔离式 RS-485 收发器，在 A 和 B 总线引脚上增加了 IEC 61000-4-5 浪涌鲁棒性。

结论

ADI公司为太阳能光伏和储能应用提供完整的信号链解决方案。我耦合器隔离式栅极驱动器解决方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223，而i耦合器隔离式通信端口解决方案包括ADM2795E和ADM2867E，ADSP-CM40x混合信号控制处理器提供电源通信和控制接口。i耦合器隔离为太阳能光伏网络通信接口提供了安全、可靠且 EMC 稳健的解决方案。

ADI公司的接口和隔离产品组合提供多种隔离RS-485接口的选项。ADM2795E提供完整的系统级EMC解决方案，符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD标准，并且不受传导、辐射和磁干扰，这些干扰在恶劣的太阳能光伏环境中很常见。ADM2795E缩短了需要满足严格监管目标的设计的上市时间。

信号和电源隔离RS-485收发器（如ADM2867E）提供了当今市场上集成度最高的信号和电源隔离解决方案。ADM2867E可用于RS-485中继器设计，为在已完成的设计中增加耦合器隔离鲁棒性提供途径。

审核编辑：郭婷