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针对“光伏+储能”应用的太阳能系统设计

时间:2021-03-30 阅读:
这一段时间,“2030年碳达峰,2060年碳中和”作为全产业热词刷爆了朋友圈,而要实现此目标,必须要大幅发展可再生能源,降低化石能源的比重。本文将介绍ADI 为太阳能光伏和储能应用提供的完整的电源、通信和控制接口信号链解决方案供行业设计参考。
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这一段时间,“2030年碳达峰,2060年碳中和”作为全产业热词刷爆了朋友圈,而要实现此目标,必须要大幅发展可再生能源,降低化石能源的比重。据国家能源局早前预计,2020年底光伏发电装机规模将超过风电,成为全国第三大电源。可以预计,未来光伏将是驱动我国能源发展的新能源的中坚力量,未来十年光伏装机容量年均复合增长率或保持在15%以上。因此,随着光伏发电的持续普及,光伏逆变器中功率密度的不断增加以及对储能平衡的需求,要求对太阳能光伏发电系统的所有元件进行大量监控。本文将介绍ADI 为太阳能光伏和储能应用提供的完整的电源、通信和控制接口信号链解决方案供行业设计参考。

光伏产业“风光无限”的背后,也缺储能“黄金搭档”

太阳能发电是利用太阳能和半导体材料的电子学特性实现发电的,太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能。

虽说太阳能这种清洁得以源迅猛发展,但在现实应用中,太阳能发电有一些特殊的难点需要解决,例如太阳能只能白天发电,晚上无法发电;太阳能发电的间歇性,发电功率受到天气的影响,不可预见性,会对电网造成冲击,影响整个电网系统的稳定等。而光伏储能可以完美解决光伏发电的难点,例如在负荷低谷时将光伏发电系统输出的电能用蓄电池储存,在负荷高峰时释放储存的电能,减少对电网的压力;在电网故障时,太阳能可继续发电,切换到离网模式继续给负载供电;实现削峰填谷,根据不同用户的用电规律,合理地、有计划地安排和组织用电时间。以降低负荷高峰,填补负荷低谷。减小电网负荷峰谷差,使发电、用电趋于平衡;储能系统的存在也方便实现能源互联网的概念……

光伏储能和传统光伏并网发电不一样的地方,是要增加蓄电池以及蓄电池充放电装置,所以相应的应用范围要宽广很多。比如:在能使用光伏发电时,储能机可以把更多的电能先储存起来。而在夜晚等不能发电的时候,储能机可以把储存的电直接供应负载或者反馈到电网。因此,光伏储能一体机是整个太阳能光伏发电系统的核心部分,特别是市场需求量比较大的户用光伏储能应用,光伏储能系统相比于传统的光伏逆变器系统,在电路结构上主要增加了电池包的充放电管理部分。

安全、可靠且EMC鲁棒系统通讯的重要性

下图显示了典型的24小时太阳能发电、储能和家庭用电情况,也说明了太阳能系统针对账单管理进行设计的主要原因。在夜间,当没有阳光辐照太阳能电池板时,消耗的电能将从电网购买,此时电费最低。一旦太阳升起,阳光照射到太阳能电池板上,就会产生电力,家庭自用即开始,太阳能电力由家庭使用或转移到储能装置。这样可以减少从电网获取的电力,在电力公司提供较低上网电价的区域使用太阳能所产生的电力,从而控制账单费用。因此,对于光伏储能的应用,它要将太阳能装置中的发电和消耗活动报告给用户,以便可以实施多种系统策略,例如账单管理、光伏自用、减少电费和备用电源。

实现这些功能,通信系统的稳定性与鲁棒性至关重要。通常而言,太阳能光伏通信接口小于500kbps的低数据速率工作,这正是RS-485通信的理想工作范围,其他诸如以太网之类的替代方案以10 Mbps/100 Mbps或1 Gbps的固定数据速率运行,对应用性能要求而言明显降低。

此外,对于太阳能光伏网络,RS-485或CAN通信接口通常在充斥电噪声的环境中通过长电缆运行,RS-485通信本质上是差分式,具备固有抗噪声能力。因此,RS-485通讯协议是太阳能光伏储能系统通信应用的首选,可用于远程监控发电、功率点跟踪器和储能状态与PC屏幕数据更新。

符合“光伏+储能”需求的太阳能系统设计

ADI公司能为太阳能光伏和储能应用提供完整的电源、通信和控制接口信号链解决方案。下图显示了一个典型太阳能光伏系统,包含输入直流串、DC-AC转换、充电和储能、电池管理及通信,其中ADI iCoupler隔离式栅极驱动器解决方案包括ADuM4135 和 ADuM4223/ADuM3223,iCoupler隔离式通信端口解决方案这包括ADM2795E、 ADM2587E和ADM3054,混合信号处理器解决方案则包括 ADSP-CM419。

带储能功能的典型太阳能系统框图

iCoupler隔离式RS-485中继器设计由两个RS-485收发器和两个高速ADCMP600比较器组成。ADM2587E是全集成式数据收发器,支持±15 kV ESD保护及信号和电源隔离,适用于多点传输线上的高速通信。ADM2587E内部集成隔离式DC-DC电源,无需外加DC-DC隔离模块。RS-485中继器需要数据码流控制,这对RS-485总线上的通信方向控制很重要。在ADM2587E逻辑引脚上使用高速比较器ADCMP600可提供高速流控制和方向性,从而实现可靠的通信系统。

值得一提的是,设计EMC通信接口时,电路设计人员常常要面对设计和测试迭代循环,电路设计必须符合系统级EMC标准和客户要求。而ADI公司iCoupler信号隔离式RS-485包含经认证的额外EMC保护,可防范上述干扰,从而缩短需要满足严格监管目标的设计的上市时间。

总结

“碳中和”是我国能源安全和经济转型的内在需求,也与世界各国未来发展的利益一致。而从实现路径上来看,“光伏+储能”的模式将为可再生能源大规模发展和并网提供有力支撑。ADI 公司能为储能系统与电源转换市场提供完整的产品和解决方案组合,将助力提高多元能源系统的安全性、灵活性和可调性,推动构建新时代下的能源互联网核心。

责编:Amy Guan

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