并网光伏逆变器隔离的集成
导读：在太阳能电池板以外，电子元件(如PV逆变器)是导致高成本的主要元件。出于安全和可行性考虑，并网PV转换器把获得的直流与交流网相隔离。隔离的作用通常是满足安全法规的要求，防止直流注入交流网，因为结果可能会影响配电变压器和传统的瓦特小时电表。本文旨在讨论PV逆变器中的信号和电源隔离需求，探讨如何利用微变压器集成隔离功能以提高系统性能和可靠性、降低系统尺寸和成本。
市场上主要有两类PV逆变器，即无变压器逆变器和变压器隔离逆变器。无变压器逆变器可能会受到大接地漏电流和注入的直流的影响，因为PV电池板与交流网之间存在很大的电池板电容而且缺少隔离，如图1(a)所示。如果有直流组分注入电网中的交流电流中，这种情况是应该避免的，因为结果可能导致配电变压器饱和。许多安全标准对电网中注入的直流电流量进行了严格的规定，有些情况下，必须对变压器进行隔离。在电池板与电网之间采用变压器隔离技术可以消除因电池板相对于电网的电压差而产生的直流注入路径，如图1(b)所示。除直流注入以外，并网逆变器还需满足电网的其他要求，比如总谐波失真和单谐波电流水平、功率系数以及孤网运行情况的检测等。电网电压和注入电网的电流必须精确监控。如果用于执行MPPT和栅极驱动功能的控制器位于电池板一端，则必须将这些测量值隔离开来。为了使PV电池板发挥最大效率，需采用最大功率点跟踪(MPPT)算法。为了实现MPTT，还需监控电池板电压和电流。当人们尝试串联多个PV逆变器以减少所需逆变器的数量时，电池板电压可能变得非常高。从PV电池板高边端进行的电流测量也需要隔离。除了隔离电流和电压测量以外，还需要RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232一般用于面向这些PV逆变器的通信，以获得实时的性能数据，而通信总线则需要进行隔离，因为总线需要传输较长的距离，同时也是出于安全考虑。对于通信距离较短时，也可使用隔离CAN。这些收发器也需要把隔离电源从电池板一端抽取至总线一端。
传统上，隔离是由光耦合器实现的。然而，光耦合器的电流传输功能会随着时间而下降，可能几年后就无法运行，远远低于许多太阳能电池板提供的20年寿命担保。这里，我们建议使用基于微变压器的信号和电源隔离法，这种方法可以满足PV逆变器中存在的多种集成需求。这种方法不但可以克服光耦合器的性能下降缺陷，而且允许集成ADC之类的检测功能或者RS-485或RS-232收发器之类的接口功能。另外，该方法可以提供隔离电源用以驱动这些检测IC、隔离收发器或者隔离栅极驱动器。基于光耦合器的栅极驱动器则耗电量大，时序特性也非常不稳定。基于微变压器的栅极驱动器不但功耗更低，而且可以具有匹配性更好的栅极驱动器时序特性，可以显著提高系统的总功率转换效率。隔离的信号和电源集成也可大幅减少元件数量，从而降低系统成本、提高可靠性。
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