技術

對太陽能和儲能設施進行基本監測的iCoupler隔離式通信解決方案

2025China.cn   2021年06月04日

  新的政府政策與新的法規共同推動可再生能源發電,預計未來太陽能市場將有強勁增長。由于太陽能逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲能平衡的需求,這一代太陽能發電要求對太陽能系統的所有元件進行大量監控。對于太陽能光伏應用,RS-485通信固有的抗擾性能使其得到應用。增加iCoupler?隔離式RS-485收發器可為太陽能光伏網絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

  RS-485有多種用途,主要用途是遠程監控發電、功率點跟蹤器和儲能狀態(電池儲能)。

  對于儲能等太陽能應用,通信至關重要,因為它要將太陽能裝置中的發電和消耗活動報告給用戶。可以實施多種系統策略,例如賬單管理、光伏自用、減少需量電費和備用電源。特別是在美國,颶風常常在得克薩斯州和佛羅里達州造成嚴重破壞,因此備用電源最受歡迎。

  表1:家用儲能策略

  圖1顯示了典型的24小時太陽能發電、儲能和家庭用電情況。圖1說明了太陽能系統針對賬單管理進行設計的主要原因。在夜間,當沒有陽光輻照太陽能電池板時,消耗的電能將從電網購買,此時電費最低。一旦太陽升起,陽光照射到太陽能電池板上,就會產生電力,家庭自用即開始,太陽能電力由家庭使用或轉移到儲能裝置。這樣可以減少從電網獲取的電力,在電力公司提供較低上網電價的區域使用太陽能所產生的電力,從而控制賬單費用。

圖1.典型24小時太陽能發電、儲能和家庭用電情況

  RS-485是通信應用首選,可用于PC屏幕數據更新,如當前功率、最大功率點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.光伏太陽能系統的典型光伏監測系統數據

  圖3顯示了一個典型太陽能系統,包含輸入直流串、DC-AC轉換、充電和儲能、電池管理及通信。ADI公司為太陽能光伏和儲能應用提供完整的電源、通信和控制接口信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅動器解決方案包括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.帶儲能功能的典型太陽能系統框圖

  為什么使用帶iCoupler隔離的RS-485收發器?

  iCoupler隔離能為太陽能光伏網絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

  對于太陽能光伏網絡,RS-485或CAN通信接口通常在充斥電噪聲的環境中通過長電纜運行。RS-485通信本質上是差分式,具備固有抗噪聲能力。增加iCoupler隔離以提升抗擾度。

  ? iCoupler系列數字隔離產品已經過測試,并獲得多家監管機構認證,包括UL、CSA、VDE、TüV、CQC、ATEX和IECEx。這種監管機構測試證明產品達到要求的安全水平,不會因為電氣條件惡劣的太陽能光伏環境中可能出現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據速率工作——低于500 kbps——這正是RS-485通信的理想工作范圍。諸如以太網之類的替代方案以10 Mbps/100 Mbps或1 Gbps的固定數據速率運行,這對應用要求而言明顯過剩。

  ? iCoupler隔離具有經過驗證的EMC魯棒性,可減少現場故障。增強的EMC魯棒性可縮短接口電路的設計和測試時間,從而加快太陽能光伏網絡的上市時間。

圖4.信號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器

  適用于現有太陽能光伏網絡的直接插入式iCoupler隔離解決方案

  對于現有太陽能逆變器設施,其通信端口沒有iCoupler隔離所實現的魯棒性,iCoupler隔離式RS-485中繼器是強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,防止電磁(EMC)惡劣的太陽能環境中的電氣噪聲影響。

  iCoupler隔離式RS-485中繼器設計由兩個RS-485收發器和兩個高速ADCMP600比較器組成。ADM2587E是全集成式數據收發器,支持±15 kV ESD保護及信號和電源隔離,適用于多點傳輸線上的高速通信。ADM2587E內部集成隔離式DC-DC電源,無需外加DC-DC隔離模塊。RS-485中繼器需要數據碼流控制,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,從而實現可靠的通信系統。有關完整設計指南,請參閱AN-1458應用筆記“具備自動方向控制功能的隔離式RS-485中繼器”。

  具備增強EMC魯棒性的iCoupler信號隔離式RS-485

  設計EMC通信接口時,電路設計人員常常要面對設計和測試迭代循環。電路設計必須符合系統級EMC標準和客戶要求。工業自動化的系統級IEC標準(如IEC 61131-2)規定了多種IEC ESD、EFT和浪涌保護級別以及對輻射、傳導和磁場干擾的抗擾度。

  ADI公司iCoupler信號隔離式RS-485包含經認證的額外EMC保護,可防范上述干擾,從而縮短需要滿足嚴格監管目標的設計的上市時間。

  具體而言,ADM2795E RS-485收發器集成了隔離魯棒性和EMC保護,這樣可大幅節省印刷電路板(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收發器,RS-485總線引腳提供高達±42 V的AC-DC峰值總線過壓故障保護特性。該器件采用ADI公司的iCoupler技術,將三通道隔離器、RS-485收發器和IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護集成于單封裝中。

  ADM2795E集成的iCoupler技術已通過VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC(申請中)認證。

  ? 工作電壓:849 VPEAK (600 V rms)加強,VDE0884-10認證

  ? 耐受電壓:5000 V rms,UL1577認證

  ADM2795E在數個系統級EMC測試中表現穩健,已通過EMC合規測試機構的認證(證書可應申請提供):

  ? IEC 61000-4-5浪涌

  ? IEC 61000-4-4 EFT

  ? IEC 61000-4-2 ESD

  ? IEC 61000-4-6傳導射頻抗擾度

  ? 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收發器,A和B總線引腳提供增強的IEC 61000-4-5浪涌魯棒性。

  結論

  ADI公司為太陽能光伏和儲能應用提供完整的信號鏈解決方案。iCoupler隔離式柵極驅動器解決方案包括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絡通信接口提供安全、可靠且EMC魯棒的解決方案。

  ADI公司的接口和隔離產品組合有多種方案可隔離RS-485接口。ADM2795E提供完整的系統級EMC解決方案,其符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD標準,不受惡劣太陽能光伏環境中常見的傳導、輻射和磁場干擾的影響。ADM2795E可縮短需要滿足嚴格監管目標的設計的上市時間。

  信號和電源隔離式RS-485收發器(例如ADM2587E)提供當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中繼器設計,通過iCoupler隔離技術為系統提供更強的魯棒性。

  作者介紹:

  Richard Anslow [ richard.anslow@analog.com]畢業于愛爾蘭利默里克大學,獲工程學士和碩士學位。他從事新產品定義工作,并且擔任面向客戶的角色,處理有關ADI隔離式通信產品系列的問題。

  Martin Murnane [ martin.murname@analog.com]是工業和儀器儀表部太陽能PV系統工程師,專注于能源/太陽能PV應用。加入ADI公司之前,他曾從事過能源循環利用系統中電力電子技術(Schaffner Systems)、基于Windows的應用軟件/數據庫開發(Dell Computers)以及采用應變計技術的HW/FW產品開發(BMS)等領域的工作。Martin畢業于利默里克大學,獲電子工程學士學位。

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