可再生能源电流传感

由系统工程师Alex Latham和
Shaun Milano，战略营销经理
亚博棋牌游戏Allegro Microsystems，LLC

在并网光伏系统中，设计者必须将每瓦特的成本降到最低，以获得最佳的投资回报

随着人们对全球能源需求的日益关注和环保意识的全面增强，电力电子应用的设计者们面临着不断提高效率的压力。智能电网、插电式混合动力电动汽车（PHEV）和全电池电动汽车（BEV）以及并网光伏（PV）和其他并网可再生能源系统的出现，要求开发高效的电力逆变器。通常，更高的效率与更高的应用程序成本和更低亚博尊贵会员的性能相关。

技术的真正进展在维持或改善成本和性能时能够提高效率。例如，随着微处理器的成本继续下降，更先进的控制算法可以在简单化，低效和性能不良的应用中廉价地嵌入到先前的规范中。亚博尊贵会员

随着这一趋势的持续，性能和成本的限制因素正转向先进控制算法所需的众多传感器。

对于并网光伏系统中使用的电流传感器，其设计始终专注于将每瓦特的成本降至最低，以实现太阳能投资的最佳回报（图1）。

图1.整个电流传感器都需要整个电流控制系统，用于控制转换器和逆变器，从太阳能电池板的功率提取优化，以及安全检测。

PV系统

对于电网绑定的光伏系统，从太阳能电池板的能量转换通常在两个阶段进行。首先，使用DC / DC转换器两者都可以将来自面板或阵列的电压转换为靠近电网电压的东西，以及最大化从面板提取的功率。然后，逆变器用于从DC转换为AC并将其与网格同步。由于这些阶段或系统中的任何一个没有标准或广泛商定的拓扑，因为每个转换系统通常由一个制造商整体设计;每个阶段都设计和优化，以最有效地使用其他阶段，以试图产生最高效率。无论系统设计如何，当前传感器都在控制不同阶段的转换阶段，直接影响系统的效率和有效性。

转换和MPPT

在任何光伏转换系统中，最大功率点跟踪（MPPT）是一个重要的方面，它能够从阵列中获得最大的能量。MPPT算法的效率受反馈传感器的影响很大。MPPT的基础是，在任何给定时间，每个太阳能电池板的I-V曲线指示最佳工作点或最大功率点（MPP，见图2）。然而，也很明显，I-V曲线和随后的MPP将随辐照度和温度而变化。MPPT算法的任务是不断地搜索MPP。

有许多不同的MPPT算法;然而，大多数通过测量功率来操作 - 在DC / DC转换器级的输入或输出处 - 并改变转换器的操作点沿I-V曲线移动以找到MPP。这些算法基本上执行某种形式的梯度上升，估计电流 - （或电压）的斜率 - 电源曲线并使用该曲线和使用该曲线来确定如何改变操作点。如果斜率为正，则操作点增加;如果为负，则操作点降低。

最常见的算法之一叫做扰动和观测。在这里，测量来自太阳能电池板或阵列的功率，改变工作点，然后再次测量功率。如果功率上升，工作点向同一方向移动；如果功率下降，工作点向相反方向移动。这导致了对MPP的跟踪，尽管它也导致了围绕MPP的稳态振荡。为了减小稳态振荡，可以减小阶跃的大小。但是，必须提高更新率才能保持跟踪速度。

最终，跟踪效率的限制因素将是功率测量中的噪声。这是因为将台阶尺寸减小到功率测量的噪声水平将使算法混淆并导致围绕MPP的振荡。所有“爬山”算法，包括扰动和观察，以及增量电导，或纹波相关控制，名称几乎没有电力测量传感器中的噪声的基本限制。

图2。上图显示了I-V曲线如何随辐照度和温度而变化。随后，最大功率点（MPP）将发生变化，跟踪算法必须确定新的MPP。

对于大多数MPPT应用，电流亚博尊贵会员传感器所需的带宽位于数百赫兹，表示一个通常会过滤或平均传感器的输出，以降低噪声并提高跟踪效率。然而，如果使用纹波相关控制，则需要传感器，该传感器是使用DC / DC转换器的固有输入纹波测量电压与功率曲线的斜率。

逆变器级

在光伏系统中，DC/DC转换器级后面通常是一个逆变器级，它将系统的输出连接到电网（见图1）。该信号必须符合公用系统的要求，包括与电网的适当同步和低总谐波失真（THD）。系统的控制回路中需要电流传感器，以确保与电网的正确连接。传感器不仅必须精确测量交流和直流电流，还必须具有高动态性能：需要非常快的响应时间，以便在发生短路（即接地故障）或失去电网连接（反孤岛）的情况下，对电网中的任何变化、关闭或断开系统作出快速反应。为了测量系统中不同点的高频交流电流和谐波，还需要较高的输出带宽。

对于没有变压器或带有高频变压器的逆变器，传感器必须具有低温度偏移漂移（高精度），以便控制馈入电网的交流电流中的直流分量。各国对这种直流电流限制的规定不尽相同，但一般来说很小：大约在几十到几百毫安之间。

在典型的逆变器配置中，有许多位置可以使用电流传感器（见图3）。虽然可以使用昂贵的高精度电流传感器，但也可以通过将一个或多个经济的电流传感器ic与系统已经需要的微处理器结合使用来实现高精度。利用星载智能标定出偏误差。例如，传感器2和3将有一段时间没有电流流过。人们可以在这些期间对传感器IC的输出进行采样，并使用移动平均滤波器为该传感器IC生成内部零安培输出参考，从而显著减小偏移漂移，该偏移漂移仅受平均滤波器的噪声和大小限制。

图3.

图3.在典型逆变器配置的此图中看到了多个电流传感器。为简单起见，未显示过滤器件;然而，它们通常将放置在变压器的两侧（如果有的话），设计人员通常使用变压器的漏电电感作为过滤器的一部分。

例如，使用ACS710-6BB型在20 kHz下采样（通过适当的滤波以避免消除混叠），并平均2000个样本（在流过传感器IC的零电流的许多不同持续时间内），可以达到1.5 mA的分辨率，从而可以校准零电流偏移。当此校准传感器IC与另一个传感器IC（如传感器4）串联时，可以确定两者之间的关系，校准传感器4将提供非常低的偏移温度漂移，允许其用于感测馈入电网的电流的直流分量。最终，有许多类似的技术可以在逆变器应用中动态校准电流传感器，这取决于选择的特定拓扑和控制方案，可以降低总体系统成本并显著节省空间。亚博尊贵会员

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