Сетевые инверторы могут включать или не включать трансформатор для гальванической развязки; бестрансформаторные конфигурации несут более высокий риск замыканий на землю. Существует четыре основных типа конструкций инверторов. В двух конструкциях используется трансформатор (низкочастотный или высокочастотный), а в двух других — бестрансформаторные, включающие либо преобразователь постоянного тока, либо повышающий преобразователь. По причинам стоимости, а также размера, эффективности и веса, трансформаторы становятся все менее распространенными в новых конструкциях.
Ссылка 1; База данных инверторов IMS PV – Премиум-издание – Последняя версия – 7 апреля 2011 г.
Управление точкой максимальной мощности (ТМП), управление инвертором и защита:
для каждой топологии необходимо измерять мгновенный постоянный ток и напряжение на выходе фотоэлектрической панели, чтобы определить точку максимальной мощности (ТМП), при которой может быть получена максимальная выходная мощность солнечной панели. Измерение тока также необходимо в качестве входного сигнала для контура управления инвертора, а также для обеспечения защиты в случае коротких замыканий или перегрузок. В преобразователях тока и напряжения используются технологии Холла с разомкнутым и замкнутым контуром.
Измерение тока впрыска постоянного тока:
В бестрансформаторных конструкциях и высокочастотных трансформаторных конфигурациях допустимый ток постоянного тока, подаваемый инвертором в сеть, должен быть ограничен максимальным значением от 10 мА до 1 А в зависимости от стандартов, применяемых в разных странах (эталонные стандарты включают IEC 61727, IEEE 1547, UL 1741 и VDE 0126-1). Это требует использования преобразователей с очень высокой точностью (более 1%) и низким уровнем теплового дрейфа и усиления. Идеальной технологией является магнитоэлектрический преобразователь с замкнутым контуром (см. рис. 1).
Измерение тока утечки:
В бестрансформаторных инверторах, не имеющих гальванической развязки, существует потенциальная возможность возникновения токов утечки (см. рис. 2). Вот некоторые из связанных с этим рисков:
1. Зазор между солнечной панелью и крышей может служить путем для протекания тока утечки переменного тока.
2. Любой обратный электрический путь от сети переменного тока к панели может привести к подключению панели к сетевому напряжению, что влечет за собой риск поражения электрическим током.
3. Токи утечки могут вызывать электромагнитные помехи, искажение тока в сети и потери в системе.
С точки зрения безопасности, идеальное измерение тока утечки должно быть бесконтактным и неинвазивным. Токи утечки переменного тока частотой 50/60 Гц будут небольшими, обычно до 300 мА, и могут быть измерены как остаточная составляющая дифференциального измерения тока между несколькими проводниками. Измерение должно обнаруживать внезапное увеличение тока утечки на 30 мА, что может указывать на прикосновение к панели. Точность, и особенно низкий тепловой дрейф и коэффициент усиления, являются ключевыми требованиями для обеспечения разрешения этих малых измерений тока. Возможность размещения нескольких проводников в апертуре преобразователя для однофазных или трехфазных систем является существенным преимуществом.
Измерение тока замыкания на землю:
Безопасный мониторинг должен обнаруживать ток в случае замыкания на землю, вызванного дефектом изоляции в бестрансформаторных конструкциях. Этот ток может быть переменным или постоянным, в зависимости от места возникновения неисправности и от того, заземлена ли фотоэлектрическая панель или нет (см. рис. 3). Аналогичные требования применяются к измерению тока утечки. Точность, хотя и важна, в данном случае менее критична, поскольку токи короткого замыкания больше, чем токи утечки. Все эти требования к измерению остаточного тока в бестрансформаторных инверторах являются основополагающими для безопасности и должны соответствовать всем соответствующим стандартам.
Технология магнитной индукции с замкнутым контуром:
Технология магнитной индукции с замкнутым контуром обеспечивает необходимый уровень точности, надежности и изоляции для измерения малых токов. Компания LEM применила эту технологию для создания своих преобразователей тока «CTSR» (рис. 4). Преобразователи тока с замкнутым контуром измеряют токи в широком диапазоне частот, включая постоянный ток.
В более высоких частотных диапазонах эти преобразователи работают аналогично (пассивным) трансформаторам тока; однако на постоянном токе и низких частотах напряжение, индуцированное во вторичной обмотке (измеряемое), слишком низкое, чтобы контролировать достаточно высокий ток во вторичной обмотке и использовать тот же принцип. В этой области плотность магнитного потока в сердечнике преобразователя измеряется чувствительным элементом, а на вторичную цепь подается напряжение, которое, прежде всего, поддерживает плотность потока близкой к нулю, создавая таким образом замкнутый контур управления.
Особенности CTSR:
В преобразователе CTSR для обратной связи используется детектор магнитной индукции вместо датчика Холла, применяемого в стандартных преобразователях с замкнутым контуром. Это приводит к более высокому напряжению на единицу токового звена, или «чувствительности разомкнутой цепи». Этот метод также демонстрирует низкий дрейф смещения. Магнитная головка CTSR оптимизирована для измерения остаточного тока (алгебраической суммы токов, протекающих в проводах через отверстие преобразователя), с максимальным значением менее 1 А, когда первичные токи в каждом проводе составляют порядка нескольких десятков ампер.
Устройство CTSR также включает в себя функцию самотестирования и функцию размагничивания, которая устраняет любое смещение намагниченности, что делает его подходящим как для однофазных, так и для многофазных сетей. Внутри устройства обработка сигнала осуществляется микросхемой ASIC; элементы схемы образуют генератор, который вместе с магнитной индукцией доводит его до насыщения каждые полпериода с частотой в несколько сотен кГц. Постоянный магнитный поток, присутствующий в сердечнике магнитной индукции, вызывает изменение коэффициента заполнения управляющего напряжения (рис. 5), и это изменение указывает на значение этого остаточного потока.
Этапы обработки сигнала включают демодуляцию коэффициента заполнения, компенсацию частотной характеристики, интегратор и мостовой усилитель, подающий вторичный ток. Такая архитектура выхода позволяет подавать на вторичную цепь более высокое (удвоенное) напряжение: в этой конфигурации сопротивление нагрузки (или измеряемое) является плавающим, и используется дифференциальный усилитель, являющийся частью ASIC.
Магнитный сердечник состоит из пары магнитных слоев (рис. 6), содержащих магнитную индукцию, в конструкции, которая защищает магнитную индукцию от любых паразитных магнитных полей. Технология магнитной индукции с замкнутым контуром обеспечивает точное измерение очень малых остаточных постоянных и переменных токов с очень низким смещением и дрейфом усиления в широком диапазоне рабочих температур от -40°C до +105°C. Устройства могут быть установлены на печатной плате и представляют собой легкие компоненты (28 г) с отверстием диаметром 20,1 мм для нескольких выводов. Пропускная способность по остаточному току измеряет сумму всех мгновенных токов, протекающих через отверстие, в однофазной или трехфазной конфигурации, и может выдерживать импульс перегрузки 3300 А в течение 100 мкс со скоростью нарастания 500 А/мкс. Проводники могут пропускать первичные токи до 30 А/провод, переменного или постоянного тока.
Соответствие стандартам:
Преобразователи соответствуют требованиям новейших эталонных стандартов, таких как VDE 0126-1-1, UL 1741, DK 5940 и IEC 61010-1, по таким параметрам, как ползучесть и зазоры (11 мм), а также сравнительный индекс слежения (CTI) 600 В. Требуемое напряжение питания — +5 В постоянного тока; дополнительный вывод обеспечивает доступ к внутреннему опорному напряжению (2,5 В), которое может использоваться в качестве опорного напряжения для АЦП. Этот дополнительный вывод также может принимать опорное напряжение, подаваемое внешним сигнальным процессором или АЦП, для компенсации дрейфа опорной температуры. Конструкция преобразователя позволяет использовать версию с четырьмя токоподводящими выводами, интегрированными в первичную обмотку для монтажа на печатную плату (трехфазные токи в дополнение к тестовому или нейтральному). Также доступны версии для более высоких токов, измеряемых до 3 ARMS.
Заключение:
Благодаря эффективной электронике преобразования, которая помогает обеспечить максимальную рентабельность и подачу энергии обратно в национальные электросети, солнечная энергия является конкурентоспособным источником энергии, готовым к дальнейшему расширению во всем мире. Передовые технологии преобразователей являются ключевым элементом, который обеспечит качество, безопасность, надежность и эффективность этой новой генерации.
Автор:
Бернар Ришар, Клод Гудель и Стефан Роллье, LEM.
Авторы:
Бернард Ричард (
