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新的政府政策與新的法規(guī)共同推動(dòng)可再生能源發(fā)電，預(yù)計(jì)未來太陽能市場將有強(qiáng)勁增長。由于太陽能逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲(chǔ)能平衡的需求，這一代太陽能發(fā)電要求對太陽能系統(tǒng)的所有元件進(jìn)行大量監(jiān)控。對于太陽能光伏應(yīng)用，RS-485通信固有的抗擾性能使其得到應(yīng)用。增加iCoupler®隔離式RS-485收發(fā)器可為太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。
RS-485有多種用途，主要用途是遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)電、功率點(diǎn)跟蹤器和儲(chǔ)能狀態(tài)（電池儲(chǔ)能）。
對于儲(chǔ)能等太陽能應(yīng)用，通信至關(guān)重要，因?yàn)樗獙⑻柲苎b置中的發(fā)電和消耗活動(dòng)報(bào)告給用戶。可以實(shí)施多種系統(tǒng)策略，例如賬單管理、光伏自用、減少需量電費(fèi)和備用電源。特別是在美國，颶風(fēng)常常在得克薩斯州和佛羅里達(dá)州造成嚴(yán)重破壞，因此備用電源最受歡迎。
表1：家用儲(chǔ)能策略
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家用儲(chǔ)能策略
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定義
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賬單管理使用時(shí)間(TOU)
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最大限度地減少用電高峰時(shí)段的購電量，TOU將客戶購電轉(zhuǎn)移到費(fèi)率較低的時(shí)段。此策略的目標(biāo)是減少客戶賬單費(fèi)用。
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光伏自用
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最大限度地減少電表后光伏系統(tǒng)所供電力的出口，以最大限度地提高電費(fèi)較高的光伏地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。
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減少高峰時(shí)段電費(fèi)
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讓客戶可以儲(chǔ)能，降低成本，因?yàn)殡娏驹诟叻鍟r(shí)段會(huì)收取額外費(fèi)用。
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備用電源
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這是一種更常見的策略，給任何可儲(chǔ)能設(shè)備充電，以便在電網(wǎng)停電時(shí)或夜間使用。這更多是一種備用電源策略，在高峰時(shí)段可以減少用電費(fèi)用，而且上網(wǎng)電價(jià)較低。
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圖1顯示了典型的24小時(shí)太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能和家庭用電情況。圖1說明了太陽能系統(tǒng)針對賬單管理進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要原因。在夜間，當(dāng)沒有陽光輻照太陽能電池板時(shí)，消耗的電能將從電網(wǎng)購買，此時(shí)電費(fèi)最低。一旦太陽升起，陽光照射到太陽能電池板上，就會(huì)產(chǎn)生電力，家庭自用即開始，太陽能電力由家庭使用或轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能裝置。這樣可以減少從電網(wǎng)獲取的電力，在電力公司提供較低上網(wǎng)電價(jià)的區(qū)域使用太陽能所產(chǎn)生的電力，從而控制賬單費(fèi)用。
圖1.典型24小時(shí)太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能和家庭用電情況
RS-485是通信應(yīng)用首選，可用于PC屏幕數(shù)據(jù)更新，如當(dāng)前功率、最大功率點(diǎn)跟蹤器中的電流消耗、電池充電和健康狀況、CO2減少等，如圖2所示。
圖2.光伏太陽能系統(tǒng)的典型光伏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)
圖3顯示了一個(gè)典型太陽能系統(tǒng)，包含輸入直流串、DC-AC轉(zhuǎn)換、充電和儲(chǔ)能、電池管理及通信。ADI公司為太陽能光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用提供完整的電源、通信和控制接口信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223。iCoupler隔離式通信端口解決方案包括ADM2795E、ADM2587E和ADM3054。混合信號處理器解決方案包括ADSP-CM419。
圖3.帶儲(chǔ)能功能的典型太陽能系統(tǒng)框圖
為什么使用帶iCoupler隔離的RS-485收發(fā)器？
iCoupler隔離能為太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。
對于太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)，RS-485或CAN通信接口通常在充斥電噪聲的環(huán)境中通過長電纜運(yùn)行。RS-485通信本質(zhì)上是差分式，具備固有抗噪聲能力。增加iCoupler隔離以提升抗擾度。
- iCoupler系列數(shù)字隔離產(chǎn)品已經(jīng)過測試，并獲得多家監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)證，包括UL、CSA、VDE、TÜV、CQC、ATEX和IECEx。這種監(jiān)管機(jī)構(gòu)測試證明產(chǎn)品達(dá)到要求的安全水平，不會(huì)因?yàn)殡姎鈼l件惡劣的太陽能光伏環(huán)境中可能出現(xiàn)的高壓瞬變和電涌而受到影響。
- 太陽能光伏通信接口通常以低數(shù)據(jù)速率工作——低于500 kbps——這正是RS-485通信的理想工作范圍。諸如以太網(wǎng)之類的替代方案以10 Mbps/100 Mbps或1 Gbps的固定數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，這對應(yīng)用要求而言明顯過剩。
- iCoupler隔離具有經(jīng)過驗(yàn)證的EMC魯棒性，可減少現(xiàn)場故障。增強(qiáng)的EMC魯棒性可縮短接口電路的設(shè)計(jì)和測試時(shí)間，從而加快太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)的上市時(shí)間。
圖4.信號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器
適用于現(xiàn)有太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)的直接插入式iCoupler隔離解決方案
對于現(xiàn)有太陽能逆變器設(shè)施，其通信端口沒有iCoupler隔離所實(shí)現(xiàn)的魯棒性，iCoupler隔離式RS-485中繼器是強(qiáng)大的直接插入式解決方案。緊湊的信號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器提供魯棒的隔離保護(hù)，防止電磁(EMC)惡劣的太陽能環(huán)境中的電氣噪聲影響。
iCoupler隔離式RS-485中繼器設(shè)計(jì)由兩個(gè)RS-485收發(fā)器和兩個(gè)高速ADCMP600比較器組成。ADM2587E是全集成式數(shù)據(jù)收發(fā)器，支持±15 kV ESD保護(hù)及信號和電源隔離，適用于多點(diǎn)傳輸線上的高速通信。ADM2587E內(nèi)部集成隔離式DC-DC電源，無需外加DC-DC隔離模塊。RS-485中繼器需要數(shù)據(jù)碼流控制，這對RS-485總線上的通信方向控制很重要。在ADM2587E邏輯引腳上使用高速比較器ADCMP600可提供高速流控制和方向性，從而實(shí)現(xiàn)可靠的通信系統(tǒng)。有關(guān)完整設(shè)計(jì)指南，請參閱AN-1458應(yīng)用筆記“具備自動(dòng)方向控制功能的隔離式RS-485中繼器”。
具備增強(qiáng)EMC魯棒性的iCoupler信號隔離式RS-485
設(shè)計(jì)EMC通信接口時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員常常要面對設(shè)計(jì)和測試迭代循環(huán)。電路設(shè)計(jì)必須符合系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。工業(yè)自動(dòng)化的系統(tǒng)級IEC標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61131-2）規(guī)定了多種IEC ESD、EFT和浪涌保護(hù)級別以及對輻射、傳導(dǎo)和磁場干擾的抗擾度。
ADI公司iCoupler信號隔離式RS-485包含經(jīng)認(rèn)證的額外EMC保護(hù)，可防范上述干擾，從而縮短需要滿足嚴(yán)格監(jiān)管目標(biāo)的設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。
具體而言，ADM2795E RS-485收發(fā)器集成了隔離魯棒性和EMC保護(hù)，這樣可大幅節(jié)省印刷電路板(PCB)空間，以供太陽能光伏通信端口接口使用。
ADM2795E是一款5 kV rms信號隔離RS-485收發(fā)器，RS-485總線引腳提供高達(dá)±42 V的AC-DC峰值總線過壓故障保護(hù)特性。該器件采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，將三通道隔離器、RS-485收發(fā)器和IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護(hù)集成于單封裝中。
ADM2795E集成的iCoupler技術(shù)已通過VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC（申請中）認(rèn)證。
- 工作電壓：849 VPEAK (600 V rms)加強(qiáng)，VDE0884-10認(rèn)證
- 耐受電壓：5000 V rms，UL1577認(rèn)證
ADM2795E在數(shù)個(gè)系統(tǒng)級EMC測試中表現(xiàn)穩(wěn)健，已通過EMC合規(guī)測試機(jī)構(gòu)的認(rèn)證（證書可應(yīng)申請?zhí)峁?/p>
- IEC 61000-4-5浪涌
- IEC 61000-4-4 EFT
- IEC 61000-4-2 ESD
- IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度
- IEC 61000-4-3輻射射頻抗擾度
- IEC 61000-4-8磁場抗擾度
圖5. iCoupler隔離式RS-485收發(fā)器，A和B總線引腳提供增強(qiáng)的IEC 61000-4-5浪涌魯棒性。
結(jié)論
ADI公司為太陽能光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用提供完整的信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223，而iCoupler隔離式通信端口解決方案包括ADM2795E和ADM2587E，ADSP-CM419混合信號控制處理器提供電源通信和控制接口。iCoupler隔離能為太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。
ADI公司的接口和隔離產(chǎn)品組合有多種方案可隔離RS-485接口。ADM2795E提供完整的系統(tǒng)級EMC解決方案，其符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn)，不受惡劣太陽能光伏環(huán)境中常見的傳導(dǎo)、輻射和磁場干擾的影響。ADM2795E可縮短需要滿足嚴(yán)格監(jiān)管目標(biāo)的設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。
信號和電源隔離式RS-485收發(fā)器（例如ADM2587E）提供當(dāng)今市場上集成度最高的信號和電源隔離解決方案。ADM2587E可用于RS-485中繼器設(shè)計(jì)，通過iCoupler隔離技術(shù)為系統(tǒng)提供更強(qiáng)的魯棒性。
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