电流传感器优化现代太阳能装置

作者：LEM公司 Stéphane Rollier

欢迎访问e展厅 展厅 4 太阳能发电展厅 太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ... 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，或者 * 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。 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。

文章内容仅供参考 (投稿) (12/22/2008)