利用一体化充电器/逆变器简化离网光伏供电解决方案

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美编辑

随着用户不断采用替代能源，离网电力解决方案正变得越来越流行。由于方案中的光伏 (PV) 电池板使用最大功率点跟踪技术 (MPPT)，因此这些系统的安装和配置非常复杂。同时选件组合需要多个逆变器和充电器，从而增加了成本。

设计人员现在可以通过使用单个一体化 AC/DC 充电、DC/AC 逆变和 AC 旁路装置，来简化离网供电和电池充电过程并降低成本。

本文首先简要回顾了离网供电应用和光伏电池板/MPPT 充电的复杂性。然后介绍 [MEAN WELL] 的一体化装置，说明它们如何简化安装和操作，同时降低成本。同时使用一个居家应用展示了使用一体化产品的优势。

什么是离网供电应用？

离网供电之所以越来越受欢迎，是因为技术已经成熟，这些系统既可靠、高效，又具有成本效益，能够让用户摆脱电网设施的束缚。

顾名思义，离网电力不是来自公用电网，而是通常来自将阳光转化为电能的光伏板。风能也是一种选择。

要实现完全的电网自主，离网系统需要几个关键组件：

• 光伏电池板：将太阳光转换为直流电
• 外部太阳能 MPPT 充电器：优化流向蓄电池的电能，最大限度地储存能量
• 电池：用于储存光伏电池板产生的能量
• DC/AC 逆变器：将电池电量转换为家用电器所需的交流电

虽然许多用户都在努力实现完全的能源自主，但他们也明白，光伏电池板可能无法持续为所有家用系统提供足够的电力，因此他们会采取明智的预防措施，与电力公司建立联系。电网输入的交流电被转换成直流电，以提升电池能量（图 1）。

图 1：所示为光伏板供电的离网电力系统，带有备用公用电网交流输入。（图片来源：MEAN WELL）

自主离网系统切实可行，但实现起来并不简单。安装和维护都需要注意，而增加回电装置为电池充电则增加了复杂性。假设光伏电池板安装在最佳位置和角度，蓄电池有足够的容量来储存足够的能量，以便在日照时间有限或为零的情况下为住宅供电，那么外部太阳能 MPPT 充电器、AC/DC 充电、DC/AC 逆变和 AC 旁路就是决定系统功效的关键因素。

逆变器的工作之一是将光伏电池板和电池组成的系统产生的直流电转换成 230 V/60 Hz 的输出。像 MEAN WELL [ISI-501-212B] 逆变器这样的产品可接受 12 VDC 输入，提供 450 W 真正弦波输出，总谐波失真 (THD) <3% ，AC 调节为 ±3%。

在图 1 所示的架构中，逆变器作为 MPPT 光伏充电器运行，包括铅酸电池所需的恒流和恒压充电特性。MEAN WELL 设备的充电电流高达 30 安培 (A)，MPPT 电压范围为 25 V 至 50 V，可为开放式或密封式铅酸蓄电池充电。

什么是 MPPT？

MPPT 与光伏电池板等可变电源一起使用，以便在条件变化时最大限度地提取能量。MPPT 可解决光伏电池的功率传输效率随太阳光通量、遮阳、光伏电池板温度和负载电气特性的变化而变化所带来的挑战。随着这些条件的变化，能提供最高功率传输的负载特性（阻抗）也会发生变化。当负载特性使功率传输保持在最高效率（即最大功率点 (MPP)）时，系统就实现了优化。MPPT 是根据条件变化调整负载特性以达到 MPP 的过程。

大多数现代 MPPT 的转换效率约为 93 至 97%。MEAN WELL ISI-501-212B 的典型转换效率为 98%。

ISI-501-212B 的 MPPT 充电器的输出可利用光伏电池板的输出为离网供电系统的电池充电。这是通过定义好的恒流/恒压充电曲线来实现的，使用 MPPT 来确保最高的电池容量和最大的电池充电周期数（图 2）。浮充阶段将电池保持在接近满电的水平，以防止自放电。

图 2：所示为使用 MPPT 的恒流/恒压充电曲线，可优化电池容量，同时最大限度地增加电池充电循环次数。（图片来源：MEAN WELL）

纯正弦波交流电压的重要性

虽然 ISI-501-212B 的 MPPT 充电器非常关键，但它只是离网供电系统的一部分。例如，要将铅酸电池或锂离子电池的电能转换为家用电器所需的交流电压，就需要进行 DC/AC 逆变。家电必须使用纯正弦波交流电压，以避免功率因数校正等电气挑战。

DC/AC 逆变器使用 H 桥电路和控制电路（如脉宽调制 (PWM)）来实现这一功能。将 H 桥和 PWM 相结合，可产生近似正弦波的平均电压。PWM 通常由一个或多个微控制器单元 (MCU) 控制，包括改变脉冲宽度以产生平均电压，从而形成近似正弦波。电感电容 (LC) 滤波可进一步降低谐波失真，使波形更平滑，并产生更纯净的正弦波。

例如，MEAN WELL 的 [NTN-5K-148] 连续逆变器使用 MCU 生成真正的正弦波，总谐波失真 <3%（图 3）。

图 3：NTN-5K-148 连续逆变器使用 MCU 生成真正的正弦波交流输出，THD <3%。（图片来源：MEAN WELL）

一机多用

使用光伏电池板、MEAN WELL ISI-501-212B 逆变器和 NTN-5K-148 连续逆变器，设计人员可以构建一个完整的离网系统，而连续逆变器还能提供更多功能。在一个产品中，开发人员可以为电池提供 AC/DC 充电、为电器提供 DC/AC 反向供电以及交流旁路装置。

NTN-5K-148 需要 48 V 输入，并产生 110 VAC 输出。它可以连续提供 4000 W 的功率，峰值效率为 93%。它是 MEAN WELL [NTN-5K] 系列的一部分，拥有多个变体。例如，[NTN-5K-2380] 是一款高度可靠的离网真正弦波 DC/AC 电源逆变器，内置交流充电器和 UPS 功能（交流旁路）。其主要特性包括：采用 MCU 控制的数字设计、可快速响应环境变化并提高了可靠性的精简控制电路、低噪音的高品质风扇、连续 5,000 W 输出以及 380 VDC 输入的 230 VAC 输出。峰值效率为 94.5%（图 4）。

图 4：NTN-5K-2380 是一款离网真正弦波 DC/AC 电源逆变器，内置交流充电器和 UPS 功能（交流旁路）。它可从 380 VDC 输入提供持续 5,000 W 的功率和 230 VAC 输出。（图片来源：MEAN WELL）

NTN-5K 系列适用于住宅、商业、船舶、汽车、矿山、建筑工地和没有市电的偏远地区（图 5）。该系列具有内置的有源电流共享功能，最多可并联 6 台装置，以提供更高的交流输出功率。

图 5：所示为 NTN-5K 的典型家庭应用（图片来源：MEAN WELL）。

结语

离网供电系统的吸引力在于其独立性。然而，这些系统的安装和配置都很复杂。MEAN WELL 的连续逆变器采用一体化 AC/DC 充电、DC/AC 逆变和 AC 旁路装置，简化并降低了离网供电和电池充电的成本。例如，NTN-5K 系列充电器/逆变器可处理离网家用电源和电池充电所需的功能。