深度拆解：太阳能逆变器架构组件全揭秘

通过本文拆解可以看到太阳能逆变器主板的架构设计和所用的元器件：从太阳能面板的直流输入开始，经由直流-交流转换过程，直到输送给电网的交流输出，以及这种设计需要实现哪些特性，以满足各种各样的安规和其他性能标准，以及电力厂商对进入其电网上的信号的严格要求。

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我们以一款典型的太阳能逆变器SMA"阳光男孩"(Sunny Boy) 为例看到其中设计中的主要组件和元器件选择，包括从Vishay 的EMI抑制电容器到TI的TMS320F2812 DSP。该设计特别强调隔离和保护，明智地采用了诸如Avago的HCPL-316J和 HCPL-312J这类光隔离MOSFET栅极驱动器。

光伏功率系统包括多个组成部分，例如，负责将太阳光转化为电能的光伏面板，机械和电气连接及装配，以及太阳能逆变器。太阳能逆变器是将太阳能产生的电能传送给电网的关键。图1所示是一个基本的、但非常完整的光伏系统框图。
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太阳能光伏逆变器是什么？

逆变器的主要功能是将光伏面板或电池存储的来自太阳光的可变直流电压转换为供电器设备使用的、特定的交流电压和频率，并可以回输给电网。当然，这个交流输出因不同地区而各异，在北美是60Hz/115VAC，而在欧洲的大部分地区则是50Hz/230VAC

总部位于德国的艾思玛太阳能技术股份公司(SMA Solar Technology AG)开发出“阳光男孩”（Sunny Boy）系列太阳能逆变器。图2所示的逆变器主板被用于“阳光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的无变压器版本，分别适用于3kW、4kW 和4.6kW交流输出电力系统(@230V, 50Hz)。

该逆变器主板采用多串(multi-string)技术,由于带有两个独立的DC转换器，因而使得高度复杂的发生器配置变得易于实现。输入部分如图2左下象限所示。两路DC输入均采用Vishay 的EMI抑制电容器#339MKP作为滤波器的一部分，这个滤波器还包括绕在一个共用磁芯上的DC共模滤波器电感和一个15μF升压转换器平滑电容器#MKPC4AE系列，如图2左下象限所示。

还是在直流输入侧，采用两个继电器用于监测纯IT AC系统中符合IEC 61557-8标准的绝缘电阻。见图2左上象限。需要测量的是系统线和系统地之间的绝缘电阻。当下降到可调的阈值以下时，输出继电器就会切换到故障状态。借助这些继电器，一个叠加的直流测量信号可被用于执行测量功能。通过来自叠加的直流测量电压及其合成电流，可以计算出被测系统绝缘电阻的阻值。请注意图2中的霍尔效应电流传感器。

这个SMA逆变器主板上最令人印象深刻的特色之一就是采用了极高质量的有源和无源元件，从而增强了该逆变器设计的可靠性和性能。

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最大功率点(MPP)

在这个信号链上遇到的第一个直流功能是最大功率点(MPP)。

该逆变器致力于对影响电力输出的环境条件进行补偿。例如，光伏面板的输出电压和电流对温度变化和每个电池单元面积上的光强(参见“辐照度”)极为敏感。电池输出电压与电池温度成反比，电池电流与辐照度成正比。这种变化以及其他关键参数导致最佳逆变器电压/电流工作点大幅移动。逆变器通过采用闭环控制来保持工作在最大功率点(此处电压与电流之积为最大值)，从而解决了上述问题。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率点跟踪器。利用这个附加的功能，即使光伏电站受到部分遮蔽，这个已被验证的工作跟踪器管理系统OptiTrac也能够发现并采用最佳工作点，实现好的输出产率。TI DSP控制器是最大功率点跟踪(MPPT)的大脑。

判定MPP的最常用的方法是在每个MPPT周期，用控制器干扰面板的工作电压并观察输出。这种方法是在MPP附近一个大范围内持续振荡，以避免由于云层遮挡或其他条件引起的功率曲线发生局部的误导性变化。这种扰动观测法要在每个周期中均保持振荡远离MPP，其效率就很低。增量电感法是一种替代方法，可以解决功率曲线导数为零的问题，即定义为峰值的问题，然后稳定为分解的电压电平。不过，尽管这种方法避免了振荡导致的低效率问题，但又会产生其它的低效问题，因为它会稳定在一个局部峰值而非MPP处。将上述两种方法进行综合，既可以保持增量电感法的电平，又能在更大范围内定期扫描，以避免选中局部峰值。这种方法效率最高，但对控制器的性能要求也非常高。

图3显示MPP的判定如何随不同条件而变化。

电容器通常用于储存那些必须被存储并被逆变器提取的能量。这个电容器通常位于PV总线上，并且必须足够大以控制总线纹波电压。否则，该纹波可能有损MPPT的精确度。

电解电容非常适合控制纹波，因为它们具有较低的等效串联电阻(ESR)和较高的电容容量。沿着图2中PCB上边缘的是平滑电容器组。

升压型DC-DC步进转换器

下一个器件是步进DC-DC转换器，它负责将直流输入升压到开关MOSFET桥，以便逆变器能够高效地产生230V, 50Hz交流正弦波传输给电网。这个DC-DC升压转换器连同H5开关桥包含在单独的电源模块中，该电源模块附在逆变器主板的背面，可以很好地散热到底座。这个模块在最终装配时将被安装在图2主板上部的中间部分。

图4显示了典型的无变压器配置系统中的基本的DC/AC转换电路或逆变器。其中： ? • DC/DC转换提升或降低输入的PV电压，调整其输出以达到DC/AC转换级中的最大效率； ? • 电容器提供进一步的电压缓冲； ? • H4桥中的IGBT或MOSFET利用20kHz范围内的开关频率产生交流电压； ? • 线圈使交流电压平滑切换为正弦信号，用于产生电网频率的交流输出。

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无变压器逆变器技术

早在光伏市场发展之前，无变压器开关技术的理念就已存在了。设备工程师知道，一对场效应管在完全开启或关闭的状态下工作效率最高，因为这时没有电流经过它们，而且它们也不产生功率损耗。因此，放大一个理想方波的理论效率可达100%。信号被一个更高频率的方波调制，其结果就是脉宽调制(PWM),这个电路被称为D类电路。用这种方式，就可能实现DC-DC转换，或DC到AC的高效切换。对于太阳能逆变器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以这种技术在以往并不适用。不过，随着这些器件成本不断降低并且速度更快，相比于模拟切换到大量的铜铁器件，该技术更具成本效益。这种技术也可用于制造电动汽车。

在欧洲，无变压器逆变器至今已经应用了几年，SMA公司在2010年8月获得UL认证在美国销售此类产品。这个认证适用于SMA的无变压器逆变器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保证符合针对光伏和电池供电逆变器的UL 1741标准，该标准首次涵盖了无变压器逆变器的规范要求。与采用电隔离的器件相比，无变压器逆变器要简洁得多；而且，凭借先进的开关电路，无变压器逆变器能提供比传统逆变器更宽的工作电压范围。

没有电隔离的负面结果是可能导致接地故障，损坏逆变器并引发电火花。在有变压器的情况下，如果次级电路发生短路，那么所有电流都将流经初级电路，一旦变压器过热，就将被热切断阻止（希望如此）。在无变压器情况下，如果没有保护电路或保护电路失效，未能探测到接地故障或跳闸，大功率MOSFET或IGBT将立刻以一种灾难性的方式失效。幸运的是，这类事件的发生非常罕见，而且所有这种逆变器都要遵循UL 1741要求，具备接地故障保护功能。无论如何，都要保持具备这种功能，以确保在调整合路器及隔离熔断器大小时将未探测到接地故障时的反馈电流考虑进去。

如果能够执行准确简单的计算，无变压器逆变器就几乎没有缺点，而且具有众多优点。

不过，光伏逆变器还有很多其他的关键功能。

光伏逆变器还提供电网切断功能，以防光伏系统给已经切断的设施供电；也就是说，在电网切断期间或者通过一个不可靠的连接传输电力时，逆变器保持在线，这会导致光伏系统回输给本地设备变压器，在设备端产生数千伏电压，并危及作业人员。安全标准规范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流线电压或频率不在规定限制内时，所有的并网逆变器必须切断，或者，在电网不再存在时完全关断。在重新连接时，要等到逆变器探测到额定设备电压和频率超过5分钟的时间，逆变器才能传输电力。如图2右上象限所示，使用了4个额定值为22A、250VAC的LF-G继电器。

但这还不是逆变器的最后职责。除了上述任务之外，逆变器在工作期间还支持手动和自动的输入/输出切断，EMI/RFI传导和辐射干扰抑制、接地故障中断、PC兼容通信接口(“阳光男孩”系列具有蓝牙功能)，以及其他更多功能。该逆变器被安装在一个坚固的封箱中，以期在户外满功率工作25年以上！

像SMA主板这样的典型单相光伏逆变器使用了一颗数字功率控制器、DSP，以及一对高边/低边栅极驱动器来驱动全桥PWM转换器。该逆变器和许多性能优良的逆变器应用都采用全H桥拓扑，因为它具有任何开关模式拓扑的最高功率承载能力。SMA采用H5技术，在输出电容器和H桥之间的第5个功率半导体器件阻止了电荷的激励振荡损耗，并再次显著降低了功率损耗。与经典的逆变桥电路(H4拓扑) 相比，H5获得了明显改进，其最大转换效率达98%。为防止光伏发电机的电力波动，在逆变器的空运行期间，该架构将直流侧与交流侧断开。

与图4中的H4桥相比，图5所示的H5拓扑仅需多一个开关器件。开关器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高频，T1和T3工作在电网频率50 Hz。在空运行期间，T5是开路的，以断开直流和交流侧。正向电流空运行路径通过T1、T3的反向二极管，反向电流通过T3和T1的二极管形成环路。


PWM电压开关动作在全桥输出端形成了离散嘈杂的50Hz电流波形。高频噪声成分被滤除并产生一个中等低幅度的50Hz正弦波。H桥采用不对称单极性调制方法工作。不对称H桥的高边应由取决于主线路极性的50Hz半波驱动；而对应的低边则经PWM调制形成正弦波。图2所示逆变器主板的右侧是带有EMI抑制电容器的交流输出滤波部分。包含大电感量的输出正弦波滤波器也将被固定在主板上的这个区域，以实现交流滤波器。

光伏逆变器设计时会面临许多设计折中，如果做出错误的折中就会令设计人员焦头烂额。例如，光伏系统要能可靠工作并满额输出至少25年，而且价格要有竞争力，这就迫使设计人员做出成本/可靠性折中。光伏系统需要高效率的逆变器，因为更高效率的逆变器产生的热量少，并比低效率的同类器件寿命更长，同时它们能为光伏系统制造商和用户节省资金。SMA在这方面已经做了出色的工作。

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控制架构

逆变器的“大脑”是它的控制器，通常是一颗数字功率控制器(DPC)，或本例中的数字信号处理器(DSP)。基于DSP的控制器，例如在本设计中采用的TI TMS320F2812，提供太阳能逆变器实时信号处理所需的高级运算性能和可编程的灵活性。高度集成的数字信号控制器帮助逆变器制造商推出更有效率、更具成本效益的产品，能够满足未来几年快速增长的太阳能应用需求。

逆变器的控制处理器必须应对大量的实时处理挑战，以便有效执行高效DC/AC转换和电路保护所需的精确算法。尽管MPPT和电池充电控制仅需要近实时响应，但也涉及高级处理算法。结合了高性能DSP和集成控制外围电路的数字信号处理器，为太阳能逆变器中的DC/AC转换桥、MPPT和保护电路的实时控制提供绝佳的解决方案。

DSP控制器本身就支持实时控制算法中的快速数学计算。诸如模数转换器(ADC)和脉宽调制 (PWM)等集成外设能够直接感测输入并控制功率IGBT或MOSFET，从而节省系统空间和费用。片上闪存有助于编程和数据采集，通信端口可实现电表和其他逆变器等设备的联网简化设计。太阳能逆变器中DSP控制器的高效率已经被设计所证明，能将转换效率损失削减了50%以上，同时显著降低了成本。

通常，为了实现非阻塞(直通)代码的最高执行效率，控制器固件是以状态机格式实现的，可以防止执行不慎进入一个死循环。固件执行是分级的，相比于低阶的功能，一般更频繁服务于最高优先级的功能。在光伏逆变器中，隔离反馈回路补偿和电源开关调制通常是最高优先级，接下来是关键的保护功能以支持安全标准，最后是效率控制或最大功率点(MPP)。剩余的固件任务大多与当前工作点的优化运行、监测系统操作和支持系统通信相关。

集成功能保持了系统运作的成本效益。TI的TMS320F2812控制器内有一个超快速的12位ADC，能够支持多达16个输入通道，用于执行电流和电压感应以实现规则的正弦波。为安全起见，这颗ADC还能提供残余电流保护装置(RCD)中的电流感测。

12个单独控制的增强型PWM (EPWM)通道为换流器桥和电池充电电路中的高速切换提供可变占空比。每个EPWM都有自己的定时器和相位寄存器，可对相位延迟进行编程，并且所有的EPWM都能被同步，以相同频率驱动多级电路。多个定时器给出多个频率，并且快速中断管理能支持额外的控制任务。多标准通信端口，包括CAN总线，可提供简单的接口给其他组件和系统。

隔离

在SMA逆变器主板的正中心，我们发现5个Avago的隔离栅极驱动器。见图2。

在电网为50Hz频率时，控制T1和T3切换的两个隔离MOSFET驱动器是Avago的HCPL-316J，带有集成(VCE)去饱和探测和故障状态反馈的2.5安培栅极驱动光耦。控制T2、T4和T5在更高频率切换的其他三个隔离MOSFET驱动器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培输出电流MOSFET栅极驱动光耦。H5配置如图5所示。

尤其在无变压器逆变器设计中，光耦提供强化的隔离性能，并在出现故障情况时提供故障安全保护。

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为何光伏逆变器中的无功功率控制很重要？

带有无功功率控制的“阳光男孩”3000TL/4000TL/5000TL逆变器目前已经面市。

无功功率通常发生在经由交变电流传送能量的任何时候。对于更大型和更小型的系统，对太阳能工程师和光伏系统操作人员而言，无功功率的重要性正在增加。最重要的现实是：无功功率完全没有问题。实际上，它还是一些问题的解决方案。

从2010年7月1日开始，在德国以中压馈入电网的光伏系统必须为电网提供无功功率。这已经在德国联邦能源与水利协会（BDEW）2008年版的中压设备接入规范中提及。对于低压电网，更为严苛的要求正在讨论中。

无功功率是如何发展而来的?

对于直流电，这个方程式很简单：功率是电压和电流之积。不过，对于交流电，事情就有些复杂了，因为电流和电压的强度及方向都会定期变化。见图7。


在市电电网中，两者都有一个带50或60Hz频率的正弦轨迹。一旦电流和电压“同相”，例如以相同的步调移动，这两个振荡因子之积就也将是一个带正平均值的振荡输出---纯有功功率(图8a)。


不过，一旦电流和电压的正弦轨迹发生偏移彼此相反，它们之积将是一个正向和反向信号交变出现的输出。在极端情况下，电流和电压在一个四分之一周期发生相移：当电压为零时，电流总是到达其最大强度—反之亦然。其结果是产生纯无功功率，正向和反向信号完全相互抵消(图8b)。

[page] 这个相移通常发生在两个方向。当线圈和电容器位于交流电路时，就会产生相移—通常是这种情况：所有的引擎和变压器都有线圈(用于电感偏移)；电容器(用于电容偏移)也很常见。

多芯电缆的作用类似于电容器，高压架空电缆可被看作是极长的线圈。因此，在交流电网中，某种程度的相位偏移(例如无功功率)是不可避免的。相移的测量参数是偏移因子cos(φ)，其值在0和1之间。它可被用于很容易地转换成输出值。无功功率的单位被称为乏(VAR)，而不是瓦(见公式1)

电网中的无功功率的影响是什么？

实际上，只有有功功率才是可用的功率。它能给机器供电、使灯泡发光或开动电热器。无功功率则不同：它不能被使用，因而不能给任何电子设备供电。它只是在电网中简单地来回移动，扮演额外负载的角色。此外，所有的电缆、开关、变压器，以及其他部分也需要考虑无功功率。

这意味着，它们需要被设计为视在功率，即有功功率和无功功率的几何之和。能量传导过程中的电阻损耗发生在视在功率的基础上；因此额外的无功功率会导致更大的传导损耗。

展望未来

光伏系统是发电领域相对比较新的技术。像其他新兴技术一样，光伏系统也将随着技术不断成熟而快速变化。因此，光伏系统无疑将持续变革，以满足更高容量、更低成本和更高可靠性的市场需求。届时光伏逆变器将扩展功能，设计人员将需要更多集成的、针对特定应用的元件级部件。正如这些所展示的，光伏系统将广泛普及并最终成为一种可行的主流设施，显著降低我们对矿物燃料的依赖。

作者简介:Steve Taranovich是一位特约编辑，在电子产业拥有40年工作经验。Steve拥有纽约理工大学(布鲁克林)电子工程硕士学位, 以及纽约大学(布朗克斯) 电子工程学士学位。他还是长岛IEEE教育活动委员会主席。他在模拟和嵌入式处理教育领域拥有丰富的专业知识，有关模拟设计的经验来自于他在德州仪器的工作经历。Steve在电子领域的第一段工作经历是担任了16年的电路设计工程师。然后他进入Burr-Brown公司任职首批现场应用工程师，并成为该公司首批全球客户经理，飞赴欧洲、印度和中国。全球旅行经历使Steve建立了持久的友谊，并品尝到一些非常独特的异国风味，例如短吻鳄、响尾蛇、野猪和鸵鸟，还有牛百叶。(如果你不是意大利人或中国人，你知道这是什么吗！)

参考文献:
1 源自SMA Solar Technology网站: http://www.sma.de/en/products/knowledge-base/sma-shifts-the-phase.html
2 德州仪器应用报告#SLVA446–2010年11月, “Introduction to Photovoltaic Systems Maximum Power Point Tracking”
3德州仪器应用报告#SPRAAE3–2006年5月, “TMS320C2000™ DSP Controllers: A Perfect Fit for Solar Power Inverters”
4 安华高“Integrate Protection with Isolation In Home Renewable Energy Systems” 白皮书
5 “Analysis and Modeling of Transformerless Photovoltaic Inverter Systems”, 作者：Tamás Kerekes, 奥尔堡大学能源技术学院，丹麦, 2009年8月