浅析光伏逆变器接入电网布局与安全问题

摘要：  各国政府和电力公司预计，光伏(PV)发电将在它们供应的能源总量中占到很大比例。把太阳能电池的直流电转化为与电网同步的交流电，在设计上有苛刻的要求，将来更是如此。光伏逆变器必须在宽功率范围和运行条件下实现最高效率，并且必须同时符合严格的安全要求。逆变器的性能最终取决于精确地测量基础电量。光伏逆变器制造商需要与传感器制造商密切合作，确保支持光伏技术的最新趋势。

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各国政府和电力公司预计，光伏(PV)发电将在它们供应的能源总量中占到很大比例。把太阳能电池的直流电转化为与电网同步的交流电，在设计上有苛刻的要求，将来更是如此。光伏逆变器必须在宽功率范围和运行条件下实现最高效率，并且必须同时符合严格的安全要求。逆变器的性能最终取决于精确地测量基础电量。光伏逆变器制造商需要与传感器制造商密切合作，确保支持光伏技术的最新趋势。

我们的世界要求用“绿色”的可再生能源替代化石燃料以造福于环境。预测不久的将来的供电系统的现实情景包括多种能源，其中太阳能有多种配置规模，既有占地数公顷的大型电站，也有单户家庭使用的装置。这将推动光伏(PV)太阳能逆变器市场强劲增长。即使在当前经济低迷的情况下，预计光伏市场将在2013年达到340亿美元。关于光伏市场的考虑因素中，较新的是预计各种规模的装置都将接入电网;即使家用的单户系统，如果发电量超出局部负载的需要，也能向电力公司输送和出售电力。

光伏系统要实现其潜能，就必须提高发电效率以降低每千瓦成本。众所周知，太阳能电池制造商一直努力提升把太阳辐射转换为电力的基础效率;光伏制造商也在设计下一代逆变器，通过增加诊断和其他功能提高功率和效率，增加智能化和功能。最新的动向是多串技术：把系列相连的太阳能电池组成的多个串连接到单个逆变器上，其中每块电池都有自己的最大功率点跟踪(MPPT)装置，从而最大限度地产生能量。太阳能电池是不易使用的电源。电池是开路，输出的额定电压约0.6伏：通常每个太阳能电池板最多有72块电池，形成44伏的开路。短路电池可以输出一定水平的电流。在这些极限之间的一个点上，电池将在一定电压和电流下输出最大功率。这个最大功率点随运行条件(如投射的太阳辐射水平)变化，因此逆变器必须跟踪这个点以保持最高效率。设计人员依靠瞬时采集数据的电压和电流传感器，通过软件运算法则做到这一点。

逆变器的输出电流一般在15到50Arm，通过传感器测量到脉宽调制(PWM)正弦波控制器的反馈输出，测量进入电网的电量。控制器主要基于微处理器或数字信号处理器，这些处理器备有+5伏电源，与电子控制系统的其他有功组件共用工作电压基准。LEM的HMS电流传感器使用+5伏电源运行。通过单独的管脚提供内部基准电压(2.5伏)，使它们易于和DSP或微处理器一同使用。但是，它们也能承受这些DSP的外部基准(1.5到2.8伏之间)，从中生成自己的基准。这使整个应用更加高效，有利于在计算误差时消除基准漂移。

太阳能电池板采用的逆变器通过变压器或者使用直连式无变压器设计接入电网。根据布局情况，前一种方法可在电网接入点使用工频变压器，或者使用高频变压器作为逆变器电路内部的隔离点。基于低频变压器的电路提供内在的保护，能够防止直流电注入交流电网，但变压器本身的损耗会造成效率损失。由于IGBT交换不够精确等原因，逆变器的交流输出可能有直流成分;逆变器控制回路中采用的电流传感器的直流偏移本身显示为输出电路的直流成分，因此偏移应当尽量减小。电网可接受的直流供电受到非常严格的限制;设计人员面临的问题不仅是这些限制在各国存在差异，而且有的以额定电流百分比表示(如0.5%)，有的以低至20mA(英国标准)的绝对限值表示。所有情况下，都需要测量很大的交流电流中的很小的直流电流，同时需要有最小的偏移和漂移。

另一个安全问题是对地漏电。无变压器的配置下，任何情况下太阳能电池板漏电容或人体阻抗都有接地通路。需要采用剩余电流装置(RCD)探测不安全的入地电流，或者再次采用适当规格的电流传感器，把RCD功能嵌入逆变器设计。通过这种方法，系统能在标准规定的公认的不同安全水平上(几mA)(交流和直流)启动运行，同时承受太阳能电池装置与附近地面间的电容产生的较强交流接地电流。

当今的太阳能逆变器布局需要基于电流传感器的紧凑、低成本和可靠的接地电流检测方案。LEM据此特别设计了CT系列传感器。它们是额定范围为100mA、200mA和400mA的不同电流装置，在额定电流下提供5伏的线性输出。在额定电流的80%和90%的条件下，响应时间不超过20毫秒和60毫秒。采用高技术设计(“磁通门”)是关键，要在低偏移或漂移的条件下准确测量很小的直流或交流电流更是如此;可测量直流和最高18千赫的交流电流。CT产品可以安装在PCB上，尺寸小，重量轻，有供相线穿过的通孔。安装在PCB上的CAS/CASR/CKSR电流传感器采用相同的闭环磁通门技术;可对交流和直流电流进行隔离测量，它们涵盖6到50Arms的额定范围，最高测量值为额定值的三倍，同时频率可达到300千赫(+/-3dB)。按照最新的逆变器设计趋势的要求对它们进行了特别设计，改进了以下方面的性能：共模干扰，温度漂移(偏移和增益;根据型号的不同，最大零点温度漂移为7到30ppm/K)，响应时间(低于 0.3微秒)、绝缘水平、+5伏电源和紧凑尺寸。

为了与电网同步，需要特别控制逆变器的输出端。逆变器必须输出正弦交流电，因此要尽量减小谐波，同时对电网一侧的电流变化做出快速反应。这里采用的传感器必须有很快的反应时间和低零点漂移。减小温度变化造成的零点漂移也有助于减少对复杂的补偿运算法则的需要。相反，在通过传感器监控MPPT的逆变器的直流输入端，电流的变相应少一些，从而可以采用低成本的开环传感器。

没有接入电网的逆变器，例如备用系统的充电电池，不受国家电网，但是必须符合许多相同的安全和效率要求。

光伏逆变器设计人员必须遵守的规格很可能变得更加严苛。例如，和限制直流电输入电网一样，可能就逆变器输出电流的谐波总量的容许水平达成某种共识;目前存在根据布局情况设有多种本地限制。这要求在远高于50或60赫兹的电网频率下精确地测量电流。

莱姆等传感器制造商和光伏逆变器制造商之间的紧密协作，将为技术开发奠定基础。综合运用这些技术，将在不断增长的太阳能产业取得真正的竞争优势和市场份额。