下一波功率轉換浪潮 — 專為實現太陽能光伏逆變器的安全、速度和成本效益而設計

電源與新能源   作者:Hans Brueggemann 時間:2022-03-31來源:ADI

太陽能不再是一項新興技術,而是正在經歷重大技術變革的技術,日趨成熟。我們朝著電網平價—太陽能成本與傳統能源發電類型的成本相當,并且改進傳統能源發電類型的構成—的目標越來越近,因為將面板中的直流電轉換為可用交流電的過程變得更加高效且經濟實惠。

但是,雖然太陽能面板在近幾年價格顯著降低,但下一波太陽能發展浪潮將由功率轉換器系統的新技術推動。先進復雜的多級功率開關拓撲的興起將基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料,加上更高的工作電壓(最高1600 VDC),實現更加快速的功率開關,與傳統系統相比,性能將大幅提高。更高的開關頻率意味著功率轉換器的無源元件—即,感應線圈和電容—尺寸可以大幅減小,從而可減輕重量、降低成本。這兩項均為太陽能市場進一步擴大的關鍵優勢。

因此,這些新的功率開關拓撲正在推動可提供相關控制和支持的器件的變革。更小、更快的系統需要整個功率轉換信號鏈的改進—更快的處理和更好的器件集成。但是,隨著現代光伏逆變器越來越小,這些創新加劇了處理功率轉換所固有的重要安全性問題的挑戰—也就是說,由于這些系統尺寸縮小,危險電壓的物理隔離變得更加復雜。

雖然太陽能面板或太陽能模塊是太陽能系統的核心,也是較為明顯的部分,但在整個信號鏈中,更復雜的部分是光伏逆變器—控制系統的大腦。光伏逆變器需要經過仔細設計,以保護電流測量和計算電路,使其不受功率處理電路以及開關所引起的瞬態信號影響。但是,這種保護代價不菲:多個冗余隔離器件會提升成本和系統復雜性。而且很明顯,通過可編程處理器來運行這些系統所需的日益復雜的算法,需要考慮代碼完整性以保證系統自身的安全性問題。

此外,官方的安全認證是所有開發人員面臨的要求。必須遵守許多有關安全斷開連接(和重新連接)的法規。系統必須以多快的速度響應、如何處理掉電和停電、快速斷開連接和電弧檢測,這些均必須得到解決—在許多情況下,每個國家/地區的解決辦法不同。由于認證會增加開發時間(成本),因此已證明合格的器件和方法極具吸引力,并且還需要足夠靈活,能夠適應多個不斷演變的區域安全法規。

幸運的是,通過使用可集成先進混合信號控制處理器、并被互補隔離電流檢測和柵極驅動器技術包圍的功率逆變器平臺,這些問題便可以迎刃而解。

冗余—單一故障安全

對于安全關鍵應用,如太陽能光伏逆變器的交流監控器和隔離器,除了監控設備以外,安全標準需要冗余的監控元件,以確保單一故障安全。在傳統光伏逆變器中,這一點通過在系統中添加監控處理器來完成,該處理器充當冗余監控元件,然后控制繼電器K2(圖1)。

圖1. 在傳統光伏逆變器控制硬件中,單獨的監控處理器負責冗余安全元件K2及相關監控。兩個處理器均運行部分安全軟件,并通過標準I/O設施通信。

很容易可以看到,這使得系統控制硬件的總體成本顯著增加,因為雖然監控元件實際上包含具有良好性能要求的處理器,但也必須添加額外的支持基礎架構。另一方面,這種配置的冗余元件分離顯而易見,因此在安全機構進行合格審計時,這是易于理解的安全布局。

雖然光伏逆變器制造商力求提高逆變器性能,但全球市場對降低太陽能光伏系統總運行成本的需求使制造商不斷備受壓力,并且被迫加強研究,以改善逆變器拓撲并縮減光伏逆變器安全關鍵器件的成本。因此,為了盡可能的縮減成本,安全隔離器的冗余監控元件成為了應嚴格審核的器件。

雙核設計提供顯著優勢

對同時簡化和增強逆變器操作的渴望,驅使ADI公司開發了一系列創新的混合信號控制處理器,ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設計的核心是具有突破性的獨立雙核安全概念,可將安全冗余和功能集成到單芯片中。這個史無前例的架構無需外部監控元件(這是目前的標準),可以節省大量開發時間和系統成本。

全新ADSP-CM41x通過一組專門針對可再生能源轉換系統要求的特性,解決當今的功率轉換問題,包括集成優化的硬件加速器,旨在提高內核處理能力。此外,設備的板載電弧故障檢測功能可以簡化設計,并通過智能決策增強安全性,從而提高可靠性和精度。

通過在單芯片上的主M4控制內核中添加獨立的M0監控內核,帶有冗余監控和控制信號路徑的單一故障容錯系統的設計得到了顯著簡化,同時降低了整體系統成本(圖2)。

圖2. 雙核設計通過集成獨立M0監控內核,大大簡化了冗余安全元件的設計。處理器通過專用郵箱系統進行通信,包括心跳信號的傳輸。

雖然M0和M4內核在同一片晶圓上—從安全的角度來看,成本最少—但內核通過創新的系統結構設計以物理方式分離開來。通過雙端口RAM郵箱的處理器間通信可獨立檢查并驗證冗余獲得的工藝參數。

代碼安全

除了物理電源安全,務必要小心謹慎,以確保運行這些系統的算法得到正確解讀;過程受破壞可導致安全性削弱的工作狀態。此外,使用可將處理器內核功能分離的郵箱通信系統來隔離處理器之間的通信較為有利。郵箱系統允許任意內核隨時隔離讀取/寫入數據,而不是直接的發送—接收信號交換通信方式。

為了代碼的安全,M4內核具備1 MB閃存和高達160 kB SRAM,而M0具備32 kB SRAM。M4和M0處理器L1 SRAM、閃存和郵箱存儲器均采用零等待狀態SECDED ECC加以保護,并原生保護32位存儲器元件。在適當的地方寫入8位、16位數據將導致后臺自動讀取—修改—寫入ECC更新,通常不存在可觀察到的處理器停頓。刷新輔助硬件可周期性處理單個位錯誤。多位錯誤檢測還可用來觸發中斷和/或故障。此外,對于誤差檢測,使用循環冗余校驗(CRC)硬件模塊計算數據塊的CRC。它基于CRC32引擎,可計算傳遞給它的32位數據字的CRC值。特別地,可以使用CRC單元來驗證閃存內容,即SRAM中常數數據塊(文字或代碼)。

利用雙核混合信號控制處理器實現交流電網監控

作為如何利用雙核設計的示例,我們來看看光伏逆變器中交流電網監控的工作原理。交流電網監控主要包含兩個功能—頻率監控和電壓監控:

對于頻率監控,需要嚴格容許的基于時間的測量,當使用RC振蕩器作為備份時基時,這可能很難實現。因此,處理器使用單振蕩器或晶振(XTAL)作為主系統時鐘(SYSCLK)輸入,使用M0上的其他XTAL監控通過郵箱的主時鐘源漂移。SYSCLK線路上除漂移以外的時鐘故障由內部振蕩器比較器單元(OCU)直接處理。它使用外部低頻率振蕩器(LFO)檢測各種條件,如時鐘消失和時鐘頻率超限,并且可生成數個事件,通知處理器相關違反情況。檢測到故障事件時,可以配置時鐘不良信號(CLKNG),將芯片置于復位狀態,它還能初始化GPIO引腳安全狀態機制。

交流電壓監控必須確保相電壓在所需容差范圍內,還可以用于兩個隔離開關繼電器的功能自測。為實現單一故障耐電壓監控,處理器的模擬前端(AFE)包含兩個單獨的ADC塊,分別具備各自的ADC控制器、基準電壓和多電源路徑。當然,一個ADC塊由M4控制,另一個由M0控制,以實現郵箱系統的完全冗余電壓測量和完整性檢查。除此之外,在使光伏逆變器聯網之前,板載DAC可用于在內部單獨應用AFE信號鏈的所有器件。

將器件連接起來—光伏逆變器平臺

除了混合信號處理器,光伏系統中還有許多其他關鍵器件需要一起使用,以便安全地通信、控制和傳遞數據與電流。

設計采用冗余信號路徑概念,包括冗余參考、ADC和XTAL,以及內部振蕩器和電壓監控單元與處理器間郵箱系統,允許從監控系統中完全消除其他外部監控元件(圖3)。圖形LCD提供所有相關狀態信息,一目了然,只需按一下按鈕便可以執行整個系統的完整校準周期。該單元配備經過廣泛驗證的軟件包,并持有德國TüV-SüD在2016年3月頒發的VDE-AR-N4105合格認證。

圖3. VDE-AR-N-4105技術演示裝置框圖,包括VDE-AR-N-4105評估板和ADSP-CM419F EZ-KIT?。

圖4. ADI公司的VDE-AR-N-4105技術演示裝置采用構成交流主電源路徑的兩個串聯型電源繼電器,以及在單相系統中冗余監控交流電源電壓、光伏逆變器輸出和繼電器間電壓的四個獨立高精度隔離電壓測量通道。

太陽能產業前景光明,但不斷進步還不夠。在全平臺級別智能整合各種技術將確保功率轉換器設計的效率和安全。每個器件必須以能源市場的安全、效率和成本要求為考量,進行專門設計。提供完整穩健的平臺—不只是器件—將允許未來功率轉換器產品的制造商創造出清潔、安全且經濟實惠的系統。

安全認證

由于成本縮減工作很容易削弱所需的系統安全水平,因此ADI公司就如何將監控元件作為第二個處理器集成到主處理器的相同硅片上,與科隆的德國雇主責任保險協會BGETEM和施特勞賓的TüV-SüED合作,共同解決潛在安全問題。另一個考慮因素是此類雙核處理器必須滿足的最低要求,以便符合有關光伏逆變器上交流電安全斷開連接的監管標準。

因此,ADI公司的全新ADSP-CM41x處理器系列現在持有德國TüVSüD在2016年3月頒發的VDE-AR-N4105合規認證(文件D8 16 0395142 002)。該系列配備一組專門針對可再生能源轉換系統功率轉換要求的特性,包括所有必要的安全元件,以組成完全符合安全性的交流斷路器。

此外,為了支持安全性,ADI公司功率轉換平臺以其iCoupler?數字隔離器技術為基礎,集成了柵極驅動器和電流傳感器。ADI公司的數字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現數千伏的隔離,可以將其與標準硅IC集成,形成單通道、多通道和雙向配置。

關鍵詞: 光伏逆變器 ADI 太陽能 功率轉換

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