優(yōu)化高性能太陽能逆變器系統(tǒng)中的電力轉(zhuǎn)換性能

高性能逆變器中的電力轉(zhuǎn)換電路在太陽能發(fā)電廠中必須在苛刻條件下以最高的效率、可靠性和安全性運(yùn)行。通過精確且準(zhǔn)確的電流傳感解決方案，合理利用先進(jìn)的電路管理，使太陽能逆變器系統(tǒng)能夠在最佳水平上運(yùn)行。

綠色能源解決方案如太陽能電站的增長，突顯了其轉(zhuǎn)換、儲存和使用效率的必要性。在電網(wǎng)級太陽能電力集成中，處理有效的電力管理挑戰(zhàn)不容小覷。根據(jù)Precedence Research，全球太陽能逆變器市場在2021年為81.2億美元，預(yù)計到2030年將超過168.8億美元。對綠色能源日益增長的需求正在推動全球太陽能逆變器市場，以減少二氧化碳和其他溫室氣體排放的影響。

太陽能電池光伏(PV)系統(tǒng)收集光能，然后輸出并將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。為了補(bǔ)償全天光照條件的變化，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)對直流中間信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨后將其送往電池儲存或逆變器進(jìn)行交流電發(fā)電，再注入電網(wǎng)。

MPPT和逆變器側(cè)的防孤島保護(hù)是支持太陽能陣列的關(guān)鍵功能，提供了系統(tǒng)平衡的重要組成部分。特別是在光伏系統(tǒng)中，負(fù)載與發(fā)電之間的不平衡可能導(dǎo)致異常的頻率和電壓。因此，供電網(wǎng)的太陽能逆變器通常需要具備自動防孤島電路。這些功能需要最佳的電路監(jiān)控工具以實現(xiàn)最佳運(yùn)行。

太陽能逆變器可以以多種方式集成到光伏陣列中。示例實現(xiàn)包括使用中央逆變器、串聯(lián)逆變器和微型逆變器，這些逆變器可以連接為并網(wǎng)或離網(wǎng)。串聯(lián)光伏逆變器通常被使用，因為與其他類型的太陽能逆變器相比，它們有效、可靠且成本低廉。

性能、保護(hù)和安全管理

為了優(yōu)化光伏逆變器系統(tǒng)的運(yùn)行特性，必須對其性能進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控和控制，電力轉(zhuǎn)換電路的每個方面相互影響。例如，電力效率低下會導(dǎo)致過多的廢熱，這不僅對系統(tǒng)冷卻提出挑戰(zhàn)，還對鄰近子系統(tǒng)施加不必要的熱應(yīng)力。

在電路保護(hù)等關(guān)鍵功能方面，性能監(jiān)控顯得尤為重要。不采用智能電源管理方法的替代方案是使用傳統(tǒng)的保險絲和斷路器等粗暴的舊方法。這些方法會因熱失控等原因增加系統(tǒng)故障的風(fēng)險。盡管這些方法在低功率應(yīng)用中具有成本效益，但對于有效保護(hù)光伏逆變器中的高功率電子設(shè)備而言，它們完全不夠。許多下一代光伏功率電路如今在其性能極限附近運(yùn)行，特別是在校園和工業(yè)微電網(wǎng)系統(tǒng)中。

使用先進(jìn)電流傳感器的智能電源方法，除了電路保護(hù)外，還可以服務(wù)于用于電力儲存和電網(wǎng)穩(wěn)定的電池，優(yōu)化其性能、可靠性和安全性。它們可以進(jìn)行庫侖計數(shù)，以確定電池的充電狀態(tài)、健康狀態(tài)和功能狀態(tài)。只有通過密切監(jiān)控這些方面，才能確認(rèn)電池的完整功能狀態(tài)。

光伏系統(tǒng)中的極端功率水平和負(fù)載條件要求快速且準(zhǔn)確的先進(jìn)電流傳感器，這些傳感器不僅可以提供針對明顯危險(如接地故障和短路)的早期保護(hù)，還可以快速且準(zhǔn)確地監(jiān)測實時性能信息，從而使系統(tǒng)能夠解決潛在的電路問題，提高電力電路的效率和熱線性。

像Aceinna的隔離各向異性和隧道磁阻(AMR和TMR)傳感器等磁阻(xMR)電流傳感器具有快速響應(yīng)時間和大的電流測量范圍。它們可以在電路的高端和低端工作，其集成特性降低了設(shè)計復(fù)雜性。例如，Aceinna的高端電流傳感器可以檢測逆變器輸出相電流的接地故障(可能由于錯誤接線、老化等原因)，從而保護(hù)整個電路。

隨著氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)等寬禁帶材料技術(shù)的持續(xù)采用，電力系統(tǒng)架構(gòu)師不斷推動系統(tǒng)效率、響應(yīng)時間、小型化和低成本的邊界。大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)計需要電流傳感器來幫助實現(xiàn)復(fù)雜的控制、遙測和保護(hù)電路，以滿足這些困難的設(shè)計目標(biāo)。

為了最大化太陽能逆變器的性能，重要的是以快速且準(zhǔn)確的方式監(jiān)測電流和電壓，以確保緊密的功率因數(shù)校正(PFC)，保持適當(dāng)?shù)念l率管理，并解決任何熱問題。對于精確的PFC，高功率光伏逆變器的交流波形輸出必須通過微控制器(MCU)與逆變器輸入和輸出處的電流傳感器之間的閉環(huán)反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。

現(xiàn)代逆變器設(shè)計中，結(jié)合GaN和SiC的設(shè)備需要與這些技術(shù)的開關(guān)速度相匹配的快速電流傳感器。作為經(jīng)驗法則，MCU控制環(huán)路的運(yùn)行速度應(yīng)大約比逆變器晶體管的開關(guān)速度快10倍，因此120 kHz的開關(guān)速度需要1.2 MHz的電流傳感帶寬。

電流傳感器的類型

監(jiān)測電路中的電流有幾種方法，傳統(tǒng)方法既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。通過測量電壓降來確定流過電路的電流，基于分流的簡單電流傳感解決方案可以提供良好的動態(tài)性能和線性，但在高電流和低電流下存在局限。使用主動補(bǔ)償可以有所幫助，但在高電流下，分流本身的電阻功率損耗可能成為一個熱問題。此外，由于其接觸式，這種傳感器增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性以及故障的潛在風(fēng)險。

霍爾傳感器比基于分流的解決方案更復(fù)雜，但與其他傳感器相比，其準(zhǔn)確性和帶寬較低。根據(jù)電路配置和所需性能，霍爾傳感器可以在緊湊的配置中部署。另一方面，電流變壓器根據(jù)電路拓?fù)淇梢愿鼮闇?zhǔn)確，但其體積和重量使其不適合成本效益高的光伏逆變器系統(tǒng)，尤其是在空間和體積受限的地方。

xMR傳感器測量電流引起的磁場強(qiáng)度。xMR傳感器布置在電壓偏置的惠斯登電橋中，放置在通過傳感器的U形導(dǎo)體的表面附近。當(dāng)電流通過U形導(dǎo)體時，所引發(fā)的磁場會調(diào)制橋元件的電阻，這可以被讀取為與電流成比例的電壓。因此，像Aceinna這樣的xMR傳感器是非接觸式的，提供了電氣隔離且沒有功率損耗。此外，它們還通過主動反饋環(huán)路實現(xiàn)更快的讀數(shù)，同時糾正偏移和調(diào)整增益參數(shù)。

先進(jìn)電力系統(tǒng)中的集成電流傳感提供了性能優(yōu)勢，同時相較于非集成傳感器(如電流傳感放大器，其運(yùn)算放大器和比較器可能占用數(shù)十平方毫米的空間)節(jié)省了顯著的占地面積。Aceinna最新的MCx1101 AMR電流傳感器IC系列和即將推出的TMR IC為設(shè)計工程師提供了一種具有基準(zhǔn)性能的有吸引力的替代方案，具備準(zhǔn)確性、高帶寬、低相位延遲和快速響應(yīng)時間，且易于使用，成本效益高的單組件解決方案。

完全集成的5V MCX1101電流傳感器非常適合光伏逆變器以外的許多挑戰(zhàn)性電力應(yīng)用，包括電機(jī)控制、不間斷電源（UPS）和工業(yè)電力系統(tǒng)，以及電信和高性能計算市場中的交流/直流和直流/直流電力系統(tǒng)，其總誤差低至0.6%(典型值)，3dB帶寬為1.5 MHz，具有低相位延遲和小于300納秒的瞬態(tài)響應(yīng)，以及4.8 kV的隔離。該傳感器提供固定增益輸出(MCA)和比率輸出(MCR)選項。

展望未來

在光伏逆變器和綠色能源系統(tǒng)領(lǐng)域，先進(jìn)電力電子的市場需求迫切需要高效且成本效益高的電力電子技術(shù)。電網(wǎng)級儲存和可變功率輸出等應(yīng)用問題需要最新的電力系統(tǒng)，利用先進(jìn)的電流傳感技術(shù)來優(yōu)化性能、可靠性和安全性。電流測量是提供任何電力電路性能反饋的基本工具，而基于xMR的電流傳感解決方案可以解決性能、可靠性和安全性的問題，同時幫助各個市場遵循相關(guān)法規(guī)。