可再生能源电流感应

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作者：Allegro MicroSystems, LLC 的系统工程师 Alex Latham 和
战略营销经理 Shaun Milano

在并网型光伏系统中，设计人员必须专注于降低每瓦的成本，以实现最佳的投资回报。

随着人们对全球能源需求的日益关注和环保意识的整体扩展，专注于电力电子设备应用的设计人员不断承受着要提高效率的压力。智能电网、插电式混合动力车 (PHEV) 和纯电动汽车 (BEV) 以及并网型光伏 (PV) 和其他并网型可再生能源系统的出现推动着高效功率逆变器的发展。通常情况下，效率提高也意味着应用成本增加和性能降低。

而科技方面的真实进步使得在保持或改进成本和性能的同时也能同样提高效率。例如，随着微处理器成本的持续下降，更为高级的控制算法将以较为实惠的价格用在之前将过分简单、低效、性能不佳的模拟控制视为常态的应用中。

随着这种趋势的持续，性能与成本的限制因素逐渐转变成为高级控制算法所需的众多传感器。

并网型光伏系统中所用的电流传感器的设计一直专注于降低每瓦的成本，以实现最佳的太阳能投资回报（图 1）。

图 1：整个并网型系统都需要使用电流传感器来控制转换器和逆变器、优化太阳能电池板的功率提取和进行安全故障检测。

PV 系统

对于并网型光伏系统而言，来自太阳能电池板的能量的转换通常分两个阶段进行。首先，利用 DC/DC 转换器将来自太阳能电池板或电池阵的电压转化为接近于电网电压的电压并尽可能地从电池板中提取最多的功率。然后，利用逆变器将直流电转化为交流电并使其与电网保持同步。总的来说，因为每个转换系统通常都是由同一个制造商设计的，所以并没有针对这些阶段或系统的特定标准或广为认可的拓扑结构；每个阶段都经过精心设计和优化，以便于和其他阶段更加有效地配合，从而达到最高的整体效率。无论系统设计如何，电流传感器都在控制不同阶段的转换方面发挥着重要的作用，可以直接影响系统的效率和有效性。

转换和 MPPT

在任何光电转换系统中，最大功率点跟踪 (MPPT) 都非常重要，它有助于从电池阵中提取最大的能量。MPPT 算法的效率在很大程度上要受用于反馈的传感器的影响。MPPT 的基本原理在于：在任何特定的时间内，每个太阳能电池板的 I-V 曲线都会指出最佳工作点或最大功率点（MPP，见图 2）。但是，同样显而易见的是，I-V 曲线和随后的 MPP 将会随着辐照度和温度的变化而变化。MPPT 算法’需负责不断地寻找 MPP。

MPPT 算法包含许多不同的类型；但是大部分的工作方式都是：测量— DC/DC 转换级的输入或输出—功率并改变转换器的工作点来移动 I-V 曲线、从而查找 MPP。这些算法基本上都遵循了某种梯度上升法则，估量电流（或电压）相对于功率曲线的斜率并通过该斜率确定如何改变工作点。如果斜率为正，工作点将升高；如果为负，工作点将降低。

最常见的一种算法是扰动观察法。在使用这个方法时，需要测量来自太阳能电池板或电池阵的功率，改变工作点，然后再次测量功率。如果功率上升，工作点会向同一方向移动；如果功率下降，工作点会向相反方向移动。这会实现对 MPP 的跟踪，同时也会造成围绕 MPP 的稳态振荡。为了最大程度地减轻稳态振荡，可以减小步进尺寸。但是，必须提高更新率来保持跟踪速度。

最后，跟踪效率的限制因素将会变为功率测量中的噪声。这是因为减小进入功率测量噪声电平的步进尺寸会扰乱该算法并造成围绕 MPP 的振荡。所有“爬山”算法，包括扰动观察法以及增量电导法或电流纹波矫正法等，都将从根本上受到功率测量传感器中的噪声的影响。

上图（图 2）表明了 I-V 曲线如何随辐照度和温度的变化而变化。随后，最大功率点 (MPP) 也将变化，跟踪算法必须确定新的 MPP。

对于大多数 MPPT 应用而言，电流传感器中所需的带宽都是数百赫兹，这意味着人们通常需要过滤传感器的输出或取他们的平均值来降低噪声和提高跟踪效率。但是如果使用电流纹波矫正法（此方法利用 DC/DC 转换器的固有输入纹波来衡量电压相对于功率曲线的斜率），则必须使用传感器。

逆变级

在光伏系统中，DC/ DC 转换级之后通常都伴随着逆变级，逆变级会将系统的输出端连接到电网上（见图 1）。这种信号必须符合供电系统’的要求，包括与电网保持适当的同步和维持较低的总谐波失真 (THD) 水平。系统’的控制回路需要使用电流传感器来确保实现适当的并网。这些传感器必须能够准确地测量 AC 和 DC 电流，另外，他们还必须具备高动态性能：需要具备非常快的响应时间以便于就电网中的任何变化作出快速响应，在发生短路（即，接地故障）或断开电网连接（防孤岛）的情况下关闭系统或断开系统连接。还需要具备高输出带宽来测量系统不同点上的高频 AC 电流和谐波。

对于没有变压器或具有高频变压器的逆变器而言，传感器必须能够随着温度变化呈现出较低的偏置漂移（高精确度），以便于控制供应给电网的 AC 电流中的 DC 分量。对 DC 电流限制的调整因国家而异，但通常都比较小：大约为数十至数百毫安。

在一个典型的逆变器配置中，有许多可以使用电流传感器的地方（见图 3）。如果一个人能够使用比较昂贵的高精度电流传感器，那么也可以通过将一个或多个较为实惠的电流传感器 IC 与系统所需的微处理器结合在一起来实现较高的精度。板载智能适用于校正偏移误差。例如，传感器 2 和 3 中将有一段时间没有电流通过。人们可以对这段时间内传感器 IC 的输出进行采样并利用移动平均滤波器为该传感器 IC 生成一个零安培的内部输出基准，从而大幅减少偏置偏移，在这种情况下，唯一的限制因素是平均滤波器的噪声和尺寸。

图 3：在这个典型的逆变器配置图中可以看到多个电流传感器。为简单起见，未显示滤波组件，但是他们通常会被放在变压器（如果使用了一个变压器）的任意一边，而设计人员通常会将变压器的漏电感作为滤波器的一部分来使用。

例如，在频率为 20 kHz 的情况下对 ACS710-6BB 进行采样（进行适当的过滤以避免抗锯齿）并取 2,000 个样本的平均值（跨越多个没有电流流经传感器 IC 的不同时段），由此可以获得 1.5 mA 的分辨率（可以将零电流偏移量校正至 1.5 mA）。若将这个经过校准的传感器 IC 与另一个传感器（例如传感器 4）串连在一起，可以确定这两者之间的关系，通过校准传感器 4，可以让它随着温度变化呈现出非常低的偏置漂移、使它能够感应供应给电网的电流中的 DC 分量。从根本上说，还有许多可用于动态校准逆变器应用中的电流传感器的类似方法，这些方法有助于降低总体系统成本和节省大量空间，而具体使用哪种方法取决于特殊的拓扑结构和所选的控制模式。

本文以 Hearst Business Communications, Inc 于 2013 年 10 月在《电子产品月刊》上发布的一篇文章为基础，该文章的起止页码为：40-43。 得到使用许可。对于不受原出版商版权保护的部分内容，©2013 年版权归 Allegro MicroSystems, LLC 所有。

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