优化高性能太阳能逆变器系统中的电力转换性能

高性能逆变器中的电力转换电路在太阳能发电厂中必须在苛刻条件下以最高的效率、可靠性和安全性运行。通过精确且准确的电流传感解决方案，合理利用先进的电路管理，使太阳能逆变器系统能够在最佳水平上运行。

 

 

绿色能源解决方案如太阳能电站的增长，突显了其转换、储存和使用效率的必要性。在电网级太阳能电力集成中，处理有效的电力管理挑战不容小觑。根据Precedence Research，全球太阳能逆变器市场在2021年为81.2亿美元，预计到2030年将超过168.8亿美元。对绿色能源日益增长的需求正在推动全球太阳能逆变器市场，以减少二氧化碳和其他温室气体排放的影响。

 

太阳能电池光伏(PV)系统收集光能，然后输出并将直流电转换为交流电。为了补偿全天光照条件的变化，最大功率点跟踪(MPPT)对直流中间信号进行调节，随后将其送往电池储存或逆变器进行交流电发电，再注入电网。

 

MPPT和逆变器侧的防孤岛保护是支持太阳能阵列的关键功能，提供了系统平衡的重要组成部分。特别是在光伏系统中，负载与发电之间的不平衡可能导致异常的频率和电压。因此，供电网的太阳能逆变器通常需要具备自动防孤岛电路。这些功能需要最佳的电路监控工具以实现最佳运行。

 

太阳能逆变器可以以多种方式集成到光伏阵列中。示例实现包括使用中央逆变器、串联逆变器和微型逆变器，这些逆变器可以连接为并网或离网。串联光伏逆变器通常被使用，因为与其他类型的太阳能逆变器相比，它们有效、可靠且成本低廉。

 

性能、保护和安全管理

 

为了优化光伏逆变器系统的运行特性，必须对其性能进行严格监控和控制，电力转换电路的每个方面相互影响。例如，电力效率低下会导致过多的废热，这不仅对系统冷却提出挑战，还对邻近子系统施加不必要的热应力。

 

在电路保护等关键功能方面，性能监控显得尤为重要。不采用智能电源管理方法的替代方案是使用传统的保险丝和断路器等粗暴的旧方法。这些方法会因热失控等原因增加系统故障的风险。尽管这些方法在低功率应用中具有成本效益，但对于有效保护光伏逆变器中的高功率电子设备而言，它们完全不够。许多下一代光伏功率电路如今在其性能极限附近运行，特别是在校园和工业微电网系统中。

 

 

使用先进电流传感器的智能电源方法，除了电路保护外，还可以服务于用于电力储存和电网稳定的电池，优化其性能、可靠性和安全性。它们可以进行库仑计数，以确定电池的充电状态、健康状态和功能状态。只有通过密切监控这些方面，才能确认电池的完整功能状态。

 

光伏系统中的极端功率水平和负载条件要求快速且准确的先进电流传感器，这些传感器不仅可以提供针对明显危险(如接地故障和短路)的早期保护，还可以快速且准确地监测实时性能信息，从而使系统能够解决潜在的电路问题，提高电力电路的效率和热线性。

 

像Aceinna的隔离各向异性和隧道磁阻(AMR和TMR)传感器等磁阻(xMR)电流传感器具有快速响应时间和大的电流测量范围。它们可以在电路的高端和低端工作，其集成特性降低了设计复杂性。例如，Aceinna的高端电流传感器可以检测逆变器输出相电流的接地故障(可能由于错误接线、老化等原因)，从而保护整个电路。

 

随着氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带材料技术的持续采用，电力系统架构师不断推动系统效率、响应时间、小型化和低成本的边界。大多数现代设计需要电流传感器来帮助实现复杂的控制、遥测和保护电路，以满足这些困难的设计目标。

 

为了最大化太阳能逆变器的性能，重要的是以快速且准确的方式监测电流和电压，以确保紧密的功率因数校正(PFC)，保持适当的频率管理，并解决任何热问题。对于精确的PFC，高功率光伏逆变器的交流波形输出必须通过微控制器(MCU)与逆变器输入和输出处的电流传感器之间的闭环反馈进行调节。

 

现代逆变器设计中，结合GaN和SiC的设备需要与这些技术的开关速度相匹配的快速电流传感器。作为经验法则，MCU控制环路的运行速度应大约比逆变器晶体管的开关速度快10倍，因此120 kHz的开关速度需要1.2 MHz的电流传感带宽。

 

电流传感器的类型

 

监测电路中的电流有几种方法，传统方法既有优点也有缺点。通过测量电压降来确定流过电路的电流，基于分流的简单电流传感解决方案可以提供良好的动态性能和线性，但在高电流和低电流下存在局限。使用主动补偿可以有所帮助，但在高电流下，分流本身的电阻功率损耗可能成为一个热问题。此外，由于其接触式，这种传感器增加了系统的复杂性以及故障的潜在风险。

 

霍尔传感器比基于分流的解决方案更复杂，但与其他传感器相比，其准确性和带宽较低。根据电路配置和所需性能，霍尔传感器可以在紧凑的配置中部署。另一方面，电流变压器根据电路拓扑可以更为准确，但其体积和重量使其不适合成本效益高的光伏逆变器系统，尤其是在空间和体积受限的地方。

 

xMR传感器测量电流引起的磁场强度。xMR传感器布置在电压偏置的惠斯登电桥中，放置在通过传感器的U形导体的表面附近。当电流通过U形导体时，所引发的磁场会调制桥元件的电阻，这可以被读取为与电流成比例的电压。因此，像Aceinna这样的xMR传感器是非接触式的，提供了电气隔离且没有功率损耗。此外，它们还通过主动反馈环路实现更快的读数，同时纠正偏移和调整增益参数。

 

先进电力系统中的集成电流传感提供了性能优势，同时相较于非集成传感器(如电流传感放大器，其运算放大器和比较器可能占用数十平方毫米的空间)节省了显著的占地面积。Aceinna最新的MCx1101 AMR电流传感器IC系列和即将推出的TMR IC为设计工程师提供了一种具有基准性能的有吸引力的替代方案，具备准确性、高带宽、低相位延迟和快速响应时间，且易于使用，成本效益高的单组件解决方案。

 

完全集成的5V MCX1101电流传感器非常适合光伏逆变器以外的许多挑战性电力应用，包括电机控制、不间断电源（UPS）和工业电力系统，以及电信和高性能计算市场中的交流/直流和直流/直流电力系统，其总误差低至0.6%(典型值)，3dB带宽为1.5 MHz，具有低相位延迟和小于300纳秒的瞬态响应，以及4.8 kV的隔离。该传感器提供固定增益输出(MCA)和比率输出(MCR)选项。

 

展望未来

 

在光伏逆变器和绿色能源系统领域，先进电力电子的市场需求迫切需要高效且成本效益高的电力电子技术。电网级储存和可变功率输出等应用问题需要最新的电力系统，利用先进的电流传感技术来优化性能、可靠性和安全性。电流测量是提供任何电力电路性能反馈的基本工具，而基于xMR的电流传感解决方案可以解决性能、可靠性和安全性的问题，同时帮助各个市场遵循相关法规。