根據(jù)國(guó)際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，隨著太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員必須能夠更快地設(shè)計(jì)系統(tǒng)以滿足市場(chǎng)需求。但是這些類(lèi)型系統(tǒng)的高電壓需要在組件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面格外小心，以開(kāi)發(fā)安全運(yùn)行的設(shè)備。由于 1,000 V RMS 的系統(tǒng)電壓和 5 V 微控制器 (MCU) 在太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)中共存，因此高低壓側(cè)之間的隔離是給定的。工程師選擇正確的數(shù)字隔離器有助于確保這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖 1 顯示了無(wú)變壓器并網(wǎng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖。太陽(yáng)能由光伏 (PV) 面板收集并由后級(jí) DC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器處理。DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)。DC/AC 逆變器將 DC 電源轉(zhuǎn)換為 AC 電源以連接到公用電網(wǎng)。
圖 1：無(wú)變壓器太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的典型系統(tǒng)框圖
控制模塊處理來(lái)自電壓和電流傳感器的反饋信號(hào)，并向絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/碳化硅 (SiC) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器提供正確序列和頻率的脈寬調(diào)制 (PWM) 控制信號(hào)以調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器的電壓和電流。電壓和電流調(diào)節(jié)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的 MPPT 和潮流控制。控制模塊通過(guò) RS-485、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 或工業(yè)以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)通信接口與控制網(wǎng)絡(luò)的其余部分連接。
此外，控制模塊具有人類(lèi)可以接觸到的部件；例如，通信接口的連接器。這些外露部件與高壓電路（連接到直流母線和公用電網(wǎng)的電路）之間需要足夠的安全隔離。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離式電壓放大器和電流檢測(cè)放大器可以實(shí)現(xiàn)這種隔離。在圖 1 中，顯示了一個(gè)人類(lèi)可訪問(wèn)的控制模塊，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入側(cè)和隔離式放大器的輸入側(cè)以接地為參考，與高壓系統(tǒng)安全隔離。圖 2 顯示了如何在控制模塊和通信接口之間引入額外的隔離。
圖 2：無(wú)變壓器太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的替代系統(tǒng)框圖
國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 62109-1 是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器的安全標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)定義了設(shè)計(jì)和制造電力轉(zhuǎn)換設(shè)備 (PCE) 的最低要求，以防止電擊、能量、火災(zāi)、機(jī)械和其他危險(xiǎn)。我們?nèi)绾芜x擇合適的隔離器來(lái)滿足 IEC62109-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隔離要求？這是我們可以遵循的簡(jiǎn)單六步流程。
步驟 1：確定系統(tǒng)中存在的隔離器，并確定每個(gè)隔離器是否需要功能性、基本或增強(qiáng)型隔離。可以通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的基本隔離器或一個(gè)增強(qiáng)型隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)安全隔離。在圖 1 中，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器以及隔離式電壓和電流檢測(cè)電路都需要支持增強(qiáng)隔離。在圖 2 中，數(shù)字隔離器需要支持增強(qiáng)隔離，因?yàn)楦綦x的柵極驅(qū)動(dòng)器和放大器以 DC– 為參考，并且僅實(shí)現(xiàn)了功能隔離。
第 2 步：確定系統(tǒng)電壓。PV 和并網(wǎng)電路的系統(tǒng)電壓分別定義。對(duì)于光伏電路，系統(tǒng)電壓是光伏電池板的開(kāi)路電壓。對(duì)于并網(wǎng)電路，系統(tǒng)電壓取決于接地方案。中性接地的三相 400 V RMS Terra Neutral (TN) 電網(wǎng)電壓具有 230 V RMS的系統(tǒng)電壓。并網(wǎng)電路不允許插值系統(tǒng)電壓；因此，我們將需要使用下一個(gè)更高的系統(tǒng)電壓。例如，根據(jù) IEC62109-1，230V RMS的系統(tǒng)電壓被視為 300V RMS。三相480V RMS角接地系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓為480V有效值。
步驟3：根據(jù)IEC62109-1標(biāo)準(zhǔn)確定每個(gè)隔離器對(duì)臨時(shí)過(guò)電壓和沖擊/浪涌電壓的要求。我們可以根據(jù)預(yù)先確定的系統(tǒng)電壓和過(guò)電壓類(lèi)別確定臨時(shí)電壓和脈沖電壓要求，同時(shí)遵守 IEC62109-1 中定義的規(guī)則。對(duì)于增強(qiáng)隔離，我們將需要使用下一個(gè)更高級(jí)別的脈沖電壓，同時(shí)將臨時(shí)過(guò)壓要求加倍。
第4 步：確定設(shè)計(jì)中使用的每個(gè)隔離器所需的間隙。我們可以根據(jù)步驟 4 中確定的脈沖電壓和暫時(shí)過(guò)電壓以及污染程度，同時(shí)遵循 IEC62109-1 中定義的規(guī)則來(lái)推導(dǎo)出間隙。對(duì)于增強(qiáng)隔離，我們將需要使用下一個(gè)更高的脈沖電壓和 1.6 倍的過(guò)電壓。
第五步：根據(jù)隔離器的實(shí)際工作情況確定工作電壓（峰值和有效值）。確定工作電壓并不簡(jiǎn)單，取決于系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)配置和操作模式。例如，DC/AC逆變器的工作電壓取決于調(diào)制指數(shù)。更高的調(diào)制指數(shù)意味著更高的工作電壓。我們可以將直流母線電壓視為最壞情況下的工作電壓。
第 6 步：根據(jù) IEC62109-1 根據(jù)工作電壓確定爬電距離。我們可以按照 IEC 62109-1 中定義的規(guī)則，根據(jù)工作電壓、污染程度和封裝模塑料材料確定爬電距離。對(duì)于增強(qiáng)隔離，我們需要將爬電距離要求加倍。
選擇隔離器時(shí)，請(qǐng)確保其滿足上述步驟中獲得的浪涌電壓、暫時(shí)過(guò)電壓、工作電壓、爬電距離和間隙要求。勾選完這六個(gè)步驟后，我們就可以很好地設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大的太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)。
