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    实现更高效可靠的超声波捕鱼器设计

    [ 时间:2018-3-26 9:41:55 点击: ]

       

     由于能源需求不断增长,有报告称中国到2010年将成为头号二氧化碳排放国;而化石能源的稀缺,使可再生能源成为全球性话题。因此发展超声波技术成为中国节能减排战略中的关键。《电子工程专辑》市场分析报告指出,2008年中国大陆光伏电池产量已居全球第一,拥有诸如尚德、晶澳、中电光伏和天合等一批光伏电池精英生产商。而金融危机同时也给了中国超声波产业一个整合与升级的良机。

      当前,超声波市场(包括光伏模块和捕鱼器)正以每年约30%的年累积速度增长。超声波捕鱼器的作用是将随太阳能辐射及光照变化的DC电压转换成为电网兼容的AC输出;而对于广大电子工程师而言,超声波捕鱼器是一个值得高度关注的技术领域。因此下文将介绍超声波捕鱼器设计所需注意的技术要点、挑战以及相应的解决方法。

      基本设计标准

      基于超声波捕鱼器的专用性以及保持设计的高效率,它需要持续监视太阳能电池板阵列的电压和电流,从而了解太阳能电池板阵列的瞬时输出功率。它还需要一个电流控制的反馈环,用于确保太阳能电池板阵列工作在最大输出功率点,以应付多变的高输入。目前,超声波捕鱼器已有多种拓扑结构,最常见的是用于单相的半桥、全桥和Heric(Sunways专利)捕鱼器,以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位(NPC)捕鱼器;图1所示是这些捕鱼器的拓扑图(Microsemi图源)。同时,设计还需遵从安全规范,并在电网发生故障的时候可以快速断开与电网的连接。因此,超声波捕鱼器的基本设计标准包括额定电压、容量、效率、电池能效、输出AC电源质量、最大功率点跟踪(MPPT)效能、通信特性和安全性。


    图1a:半桥逆变。图1b:全桥捕鱼器


    图1c:Heric捕鱼器


    图1d:三相桥捕鱼器。图1e:NPC三级捕鱼器

      额定电压:超声波捕鱼器的主要功能是把来自光伏面板(有时是经过稳压的DC电压)的可变DC电压转换为AC电压以驱动负载或给电网供电。最常用的单相和三相AC电压分别为120V/220V以及208V/380V;而对工业应用来说,480V也很常见。对选定的捕鱼器拓扑来说,输出AC电压的范围将决定DC母线电压以及每个半导体开关的额定电压。

      容量:它是超声波捕鱼器额定功率的另一个说法。该数值在200W(面板集成模块)到数百千瓦之间。容量越大,捕鱼器的体积越大、价格越高。超声波捕鱼器的成本以美元/瓦来衡量。就一个恰到好处的设计而言,确定容量时,必须把浪涌、过载以及连续工作模式等情况考虑在内。

      效率:每个超声波捕鱼器都有其对效率(输出功率/输入功率)的要求,例如,一个数千瓦系统的典型效率可达95%。基于太阳能阵列的能量转换效率相对低(约在15%左右)的事实,所以,就以最小的太阳能面板获得最多的输出功率来说,高效捕鱼器具有非常重要的意义。

      电池能力:在捕鱼器的DC侧加装电池组起着能量缓存器的作用,它能平抑DC电压可能的波动并把负载还未使用的能量存储起来。电池能力的一个优点是当天黑时仍可持续提供能量。任何加装了电池的超声波捕鱼器都需要电池控制器,虽然在连接电网的情况一般用不到。

      输出功率质量:源于捕鱼器内在的开关模式特性,其AC输出波形并非理想的正弦波,且通常还包含由脉宽调制(PWM)引入的宽范围高频谐波。对许多电子负载来说,这些谐波有害无益;当并网时,这些谐波成为污染源。尽管有这些谐波,超声波捕鱼器依然能够对负载较差的功率因数进行补偿,并弱化诸如电压骤降和波动等电源质量问题。一款设计精良的超声波捕鱼器应输出近似正弦波并减少引入到电网内不期望的低频成分。

      MPPT效能:太阳能面板的输出将遵循电流-电压曲线图中不同光照条件下的一系列特性曲线,因此,为获得最大功率输出,需对电压进行动态调节。最大功率点跟踪手法类似获取内燃机最佳效率曲线的作法,其中,扭矩和速度对应电流和电压。过去10年间,开发出若干算法,其中最流行的是通过扰动电压和观察输出的方法。

      通信特性:对一个数千瓦的超声波捕鱼器来说,构建一个用于监控和数据存储的通信连接很有必要。归功于当今这样一个数字时代,作为一种通用控制器的微处理器(MCU)很适合该功能。

      安全性:有两个含义:1.当并网时,需仔细观察波形并在掉电时,立即切断连接;反孤岛保护对此很关键。2.维护和维修时,工作人员应没安全风险。

      并网捕鱼器需要在不降低功率等级的前提下,紧密匹配电网的相位和频率。在并网时,捕鱼器能够把负载用不了的电能回送至电网且无须借助体积庞大、成本高昂的能量存储器件。基于安全考虑,并网的捕鱼器将在掉电时自动切断且一般没有用于存储能量的电池组。

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