如何优化现代太阳能装置

LEM公司

除了诸如《京都协议书》等政治策略所带来的动力和压力之外，多种形式能源不断增长的成本以及“更洁净”动力源的搜寻也在推动着对诸如太阳能等替代能源的关注。许多新设计不断涌现，从而最有效和高效地利用这些能源。这些设计具有当今电子技术的支持，其中包括电流传感器。

当太阳能电池板所产生的电能反馈回电网时(一个“电网连接”系统)，可以采用两种连接方式：

* 将太阳能电池组件与逆变器连接，经变压器(图1)接入电网；

* 将逆变器直接与电网连接，避免使用变压器(无变压器系统)(图2)。

另外一个解决方案是不将电能送进电网，而是对用于自动化装置加电的电池进行充电。这就是“离网”。对于偏僻建筑的应用，如开采沉陷、澳大利亚或加拿大或第三世界国家村庄内的偏僻沉陷，以及路标和地下光等。

现在，市场上可供应处理从500W到10KW功率的太阳能逆变器，以及高达500KW能力的装置也有可能，例如大型体育馆地下停车场的连续照明。系统使用寿命可能长达20年。两种类型的系统(有变压器和无变压器)均可提供一个单相输出(用于较小功率系统)或三相输出(用于大功率系统)，这取决于目标电网和电力装置。

根据系统设计目的不同(包括尺寸、重量、稳固性、与电网的电气分离、价格、效率和损失)，现在大多使用两种或三种不同的逆变器。为了帮助提高效率和保护系统，对所有类型太阳能逆变器内的电流进行测量很重要。

由于无变压器设计中不会产生变压器损失，因此是最有效的类型。在这种配置中，有时在光伏(PV)方阵和逆变器(DC/AC)之间使用一台升压转换器来将组件的电压转换成逆变器的输入电压。

通常在刚好在PV 方阵后使用最大功率点跟踪(MPPT)组件来确保方阵工作在其最大功率运行水平。通过使用用于跟踪功能的电流和电压传感器，应用一种特殊软件算法和专用电子元件一起来控制电池板(电池)的工作点。一般来说，一台电流传感器可用于测量单相输出(供到电网的电流)，而另一台传感器可用于测量输入直流电流(10-25A)。在三相输出的情况下，两台传感器可用于测量三相输出的交流电流。接入电网的DC/AC逆变器是一台将直流信号转换为正弦波的全桥逆变器。

流入电网的逆变器输出电流(15-50ARMS)由一台传感器进行测量，以便反馈回至控制器进行脉宽调制(PWM)正弦波控制。控制器主要基于供有+5V电压并与电子控制系统其他有源元件共享基准电压的微处理器或DSP(数字信号处理器)。LEM公司的HMS电流传感器通过一个+5V电源来运行。其内部基准电压(2.5V)由一个单独的端子提供，允许通过DSP或微处理器轻松使用传感器。但是，传感器还能接受来自这些相同DSP的外部基准电压(2V到2.8V之间)，传感器从这些DSP上获得其自身基准电压。控制系统所有电子元件之间的这种共生使得整个应用效率更高(错误计算中的基准漂移消除)。HMS电流传感器非常适合太阳能逆变器所需要的所有电流测量。

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电流传感器可用于峰值电流检测，用于真实值与设定点的对比。逆变器还在控制输出频率的系统中使用电流传感器。实际上，无论频率何时移出预选范围，逆变器都会停止运行一会儿(短于两秒)。

由于在电网上(交流侧)需要不能超出的低直流值，因此偏移和温度漂移必须尽可能最好。对电网连接的另一个要求是不能将直流电流供进电网。由传感器偏移或IGBT通信产生的直流电流可能会引起网络麻烦。该电流可能会使变压器产生饱和，这样会使网络产生更多损失和更多谐波。对于无变压器配置，这不是个大问题。

尽管各国都有自己各自不同的接受值，但是共同要求都是标称输出电流的0.5%或1%，或者在一些国家是一个限定值(英国为20mA，德国和比荷卢三国关税同盟为1A，日本为100mA，中国和美国为50mA)。如果直流电流大于这个限定值，则必须将系统与电网断开。对于是否需要测量直流电流或只是检测临界值，现在还没有清晰的界定。

在未来的太阳能设计中，该电流可能会予以补偿。直流元件会通过测量交流电流的平均值来计算；这代表直流元件。因此，逆变器控制环路中所使用的电流传感器直流偏移应该尽可能的低。而且，应避免由于逆变器IGBT切换延迟而产生的直流偏移或使其尽可能的小。该直流偏移可导致网络分配变压器产生饱和。为了减小这个直流偏移，正在开发新的逆变器拓扑技术。

HMS电流传感器外形尺寸仅仅为16 (长) x 13.5(宽) x 12(高)mm

而且，当印刷电路板上用于电流测量的空间很紧张时，理想情况是将初级导体进行集成。将这些模块直接表面贴装到印刷电路板上，从而降低制造成本，同时也避免混淆各种焊接工艺。除了外形尺寸小之外，HMS设计还实现了8mm漏电和间隙距离。通过一个600 CTI对其塑料管壳进行累积，使得HMS具有高隔离性能(测试隔离电压：4.3 kVRMS/50 Hz/1分钟)。

可提供涵盖标称交流、直流、脉冲和混合隔离电流测量的四种标准模块，这些模块可在宽至± 3 x IPN的测量范围内测量高达50kHz的5、10、15或20 ARMS电流。四种模块的机械设计完全相同，因此这些模块可用于测量整个最终产品范围的电流。增益和偏移为固定值并进行了设定，因此，在lpn，输出电压等于输入或输出基准电压± 0.625 V。

设计与开环霍尔效应技术共同使用的独特LEM ASIC已经用于改善性能。除了与传统离散技术相比更宽的工作温度范围(-40到+85°C)之外，这些性能改善还包括更好的偏移和增益漂移以及线性度。

传感器标有CE标识，符合EN 50178标准。

这些传感器可用于诸如电力逆变器(太阳能、风力等)等工业场合以及家用电器、变速驱动器、UPS、开关电源(SMPS)和空调，使这些装置的效率更高。