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標(biāo)題: 太陽能逆變器解決方案(TI白皮書) [打印本頁]

作者: lfengj 時間: 2012-8-13 19:47
標(biāo)題: 太陽能逆變器解決方案(TI白皮書)
大家好，我是新曄電子的高波。我主要在華東工業(yè)領(lǐng)域推廣產(chǎn)品，下面給大家介紹太陽能逆變器方案。
這是太陽能逆變器市場情況和太陽能逆變器設(shè)計的思考，根據(jù)這些設(shè)計需求提出了太陽能逆變器的方案，主要是集中在應(yīng)用化工、電流傳感等方面的探討。對于能源的消耗，2013年預(yù)估會有一倍的增長，功率會達(dá)到300TW，所以在新能源中，太陽能是很重要的部分，而太陽能光伏逆變器系統(tǒng)則是重中之重。對于太陽能逆變器市場的評估，從2005年開始到2011年之間，已獲得了很大的增長。其中到2007年太陽能的套數(shù)已經(jīng)達(dá)到了100萬套，預(yù)估在2014年會達(dá)到900萬套。市場則以歐洲為主，德國比較多一點，再者就是日本為主，國內(nèi)相對比較少，但最近這兩年也會發(fā)展起來。

上面是比較早的太陽能光伏系統(tǒng)，太陽能通過電子板充電到蓄電池中，通過逆變，把電能給到客戶的工業(yè)系統(tǒng)中，這一般是在沒電網(wǎng)的情況下。但現(xiàn)在遇到了很大問題，就是沒有太陽就沒有能量，蓄電池續(xù)航不了多久�，F(xiàn)在80%的光伏系統(tǒng)是并網(wǎng)系統(tǒng)，直接把蓄能系統(tǒng)拿掉，跟電網(wǎng)連在一起，當(dāng)日照比較好的時候就會用太陽能系統(tǒng)對電網(wǎng)進(jìn)行充電，如果沒有日照的時候，直接把電網(wǎng)拉過來用。

這是太陽能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，左邊是太陽能發(fā)電站的應(yīng)用，把所有的太陽能電子板通過串行或并行并在一起，能量可以做到兆瓦級，效率也比較快。由于只用了一個并網(wǎng)模塊，所以它的成本也是最低的。這兩種方案其實差不多，將太陽能光伏板串在一起對太陽能進(jìn)行功率控制，在效率和增長方面是折中。它有很好的拓展性能，每一串都有自己獨立的逆變模塊，如果要給系統(tǒng)增加功率，只需要并上一股就可以了。右邊這種是現(xiàn)在比較流行的微型逆變器模式，它是在每一組太陽能電器板上加上逆變模塊。

對每一個太陽能電池做MPPT的算法，功率能夠達(dá)到最高。歐洲市場比較喜歡這種方式，小型的可以用在小功率器件上，大概40-500功率。因為太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需求，以及有太陽能電池板的存在，MPPT的跟蹤算法比較重要，只有這樣才能保證最大效率地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，這樣做可以把太陽能電子板小于50V的電壓拖到100-200V等最大功率經(jīng)過逆變模塊。逆變主要跟電網(wǎng)連接，現(xiàn)在流行的做法是用逆變器電流的輸出來改變電網(wǎng)上電壓的變化。下面這一條也是與并網(wǎng)有關(guān)的一個問題：當(dāng)并網(wǎng)有問題，光伏系統(tǒng)還在發(fā)電，給并網(wǎng)中心的判斷是會產(chǎn)生影響的。當(dāng)工程人員進(jìn)行維護(hù)的時候就會有一定的危險。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)的時候，電網(wǎng)的電壓頻率信號沒有追捕到，這樣對逆變系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的傷害�，F(xiàn)在行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求是這樣的——看到電網(wǎng)有故障的時候，馬上把電網(wǎng)斷開。

根據(jù)上述的要求，可以看到整套系統(tǒng)需要用一個控制器來完成�？刂破鞣謨蓚€控制，通過MPPT來調(diào)節(jié)控制太陽能電池板的電壓和電流。逆變方面比較簡單，主要是對電網(wǎng)的電壓進(jìn)行采集，同時監(jiān)控，讓逆變器電流輸出分散隨著電網(wǎng)上的電壓而變化。在前面我們提到了很多太陽能里面的MPV最佳功率點跟蹤問題，其實所有的電池都存在這個問題。

這個圖中橫軸是電壓，縱軸是功率�？梢钥吹剿械奶柲茈姵囟际请S著電壓的升高而功率調(diào)高，但到某一個點之后，隨著電壓的升高會迅速下降，這個點是我們要找的最佳功率點。說起來很簡單，由于是太陽能電池，日照對它的影響很大，不同日照情況下，最佳功率點的情況也不一樣。另外還有一個是溫度，太陽能這一塊的效率比較重要，并且比較難做到。目前，國內(nèi)某所大學(xué)正在用神經(jīng)算法在做這個事情。

前面的系統(tǒng)對控制器的算法，有兩部分，一是MPPT的控制，一是并網(wǎng)逆變�，F(xiàn)在有兩種做法，一種是被動的去檢測電網(wǎng)的運行情況，一種是主動的檢測。通過逆變系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)送一些信號，看看電網(wǎng)是否正確�；谶@種考慮，根據(jù)光伏的硬件的要求和逆變輸出的要求，還有性能比較好的EC，對電壓流的性能進(jìn)行采樣。太陽能逆變也是工業(yè)系統(tǒng)，需要很高的可靠性。

今天主要給大家介紹C2000系統(tǒng)。這是一個在行業(yè)用了很長時間、可靠性沒有任何問題的產(chǎn)品，它可以覆蓋到從集中式的逆變器到微型逆變器。這是基于 C2000做的太陽能逆變器光伏系統(tǒng)。除了C2000之外，MPPT沒有的其他部分它都有。今天著重給大家講C2000，還有電流傳感方案。C2000如果受到控制，會受F2823X、F281X影響。另外還有一個很大的優(yōu)勢——加了復(fù)電逆變器和客戶率加速器。我們現(xiàn)在根據(jù)應(yīng)用化工的市場，可以看到在歐美市場上主要是18325。我們根據(jù)C2000的劃分市場，可以看到高端太陽能應(yīng)用的是 C2000 32-bitMCU。中間空的這一行，其實已經(jīng)有東西，還沒有放進(jìn)去。這是太陽能逆變市場上用得比較多的參數(shù)，低端是28037和28035，拓?fù)涞膽?yīng)用是負(fù)電計算大大提高。可以看到我們應(yīng)用合并定點的ESP比較，在速度上有很大的提高。前面提到在拓?fù)湎到y(tǒng)里面的控制加速器，其實是可以和C2000的控制器進(jìn)行并行運算的結(jié)構(gòu)，減輕CPU的負(fù)載。像應(yīng)用的集電極的算法用在里面，采用控制加速器以后，可以看到性能上有非常大的提高。

以前CPU的負(fù)載有70%，加入了變形控制加速器就可以減少到40%。現(xiàn)在市場上比較流行的還有一個Cortex M3 CPU。相比之下，我們在特定的控制算法里面都有一定優(yōu)勢，在上面的表格上可以看到，我們在各個控制算法里都有一定的優(yōu)勢。如果加上控制加速器的輔助，會有一個更好的表現(xiàn)。比如說像太陽逆變市場，控制器用得比較多，這是一個比較好的選擇。
這是C2000 ADC的功能，以前是F24XX，現(xiàn)在的是F281X，新的是F280X。

這是另外一個逆變系統(tǒng)比較重要的地方，主要是PWM的輸出能力。它的精度由本身的頻率決定，一般是由主頻來決定。TI是在常規(guī)輸出的地方加了一個步驟，對系統(tǒng)的最早組成再進(jìn)行細(xì)分，如果說100兆的系統(tǒng)可以把10納米的最小分辨率再細(xì)分可以增加幾十倍。這樣做的優(yōu)勢在于控制精度如果以500K為例，常規(guī)是7.6的有效位的話，差不多會增加1倍13位左右。

這是非常直觀的控制波形，你可以看到很明顯的階梯，如果使用了高精度的PWM，可以看到一個平拋直線。C2000剛推出的時候，大家覺得這個東西比較難開發(fā)，但現(xiàn)在已經(jīng)做得蠻好。從底層驅(qū)動到應(yīng)用代碼都有提供，所以開發(fā)起來也是比較容易。

除了前面提到C2000處理器，再給大家介紹一下現(xiàn)在在太陽能逆變器主推的電流傳感方案�，F(xiàn)在市場上主要有兩種，I/V的方案通過采用電阻的方式將電流變成電壓，再通過電壓和信號隔離傳送到CPU里面去。這個器件把DC和AC集成在一起，這是前面提到的（霍爾）和電鍍材料在電流傳感上面一個大概的比較，可以看到（霍爾）是間接式的，好處電流可以做到很大，可以做到1000安培。不好的地方就是精度要做高價格就很貴。采用電阻的方式，它的電流不夠高，因為是電阻，如果上面電流太大，下面得到的壓差太大，對系統(tǒng)的功耗和系統(tǒng)電源的接入有影響。所以這個電流一般不會超過70安培，好處在于這種方式可以在相對低的成本下得到比較高的精度，電流傳感的芯片在這方面有很好的應(yīng)用。這個芯片已經(jīng)出來有幾年，在市場上應(yīng)該是4V驅(qū)動，或者變頻里面會用到。主要是用 ADC的調(diào)試器它會把輸入信號進(jìn)行調(diào)制，簡單講是M型波形、電壓與電流也是成正比。其輸出的數(shù)據(jù)不能直接用，還要用數(shù)字濾波，現(xiàn)在有專門的芯片可以做到，如果要節(jié)省成本也可以用別的軟件。這樣做的好處，精度可以和數(shù)率調(diào)整。當(dāng)數(shù)率拉得太高，精度可以調(diào)下來。如果把系統(tǒng)的有效位拉下來，比如在6位有效位，實際上它的反應(yīng)時間，采樣周期能做到4個微妙，在逆變的保護(hù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠了。如果你覺得不需要那么高的精度，而且系統(tǒng)成本有一定限制，AMC1203是最好的選擇。這樣的話就是一種隔離放大器的形式，這其實是成熟的產(chǎn)品，直流的性能更好。

前面兩個用到隔離技術(shù)，都是TI特有的電動隔離技術(shù)。大概的原理是在硅片的封裝上面，用二氧化硅做了一個耐壓電容，這個耐壓值就可以做到隔離性能。工作原理是信號處理：如果是低頻直流信號先整成交流，再通過隔離柵恢復(fù)成直流信號；如果是高頻的信號會直接過去。TI的電容技術(shù)最大的好處是可靠性高，這是TI做的可靠性實驗，從中可以看到我們的電動隔離和磁隔離差不多是一個等級，光隔離的表現(xiàn)比較差，特別是在高溫的時候。

我們對C2000有很多版，比如做成CPU插拔式的。右邊這種變頻的適力板是用2808來做的，這是比較早的產(chǎn)品。
謝謝大家！

作者: daizhi1970 時間: 2012-9-7 09:45
O(∩_∩)O謝謝

作者: daizhi1970 時間: 2012-9-10 07:39
O(∩_∩)O謝謝

作者: spy007868 時間: 2013-8-28 08:31
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