作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著用戶不斷采用替代能源，離網(wǎng)電力解決方案正變得越來(lái)越流行。由于方案中的光伏 (PV) 電池板使用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù) (MPPT)，因此這些系統(tǒng)的安裝和配置非常復(fù)雜。同時(shí)選件組合需要多個(gè)逆變器和充電器，從而增加了成本。

設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以通過(guò)使用單個(gè)一體化 AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路裝置，來(lái)簡(jiǎn)化離網(wǎng)供電和電池充電過(guò)程并降低成本。

本文首先簡(jiǎn)要回顧了離網(wǎng)供電應(yīng)用和光伏電池板/MPPT 充電的復(fù)雜性。然后介紹 [MEAN WELL] 的一體化裝置，說(shuō)明它們?nèi)绾魏?jiǎn)化安裝和操作，同時(shí)降低成本。同時(shí)使用一個(gè)居家應(yīng)用展示了使用一體化產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

什么是離網(wǎng)供電應(yīng)用？

離網(wǎng)供電之所以越來(lái)越受歡迎，是因?yàn)榧夹g(shù)已經(jīng)成熟，這些系統(tǒng)既可靠、高效，又具有成本效益，能夠讓用戶擺脫電網(wǎng)設(shè)施的束縛。

顧名思義，離網(wǎng)電力不是來(lái)自公用電網(wǎng)，而是通常來(lái)自將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的光伏板。風(fēng)能也是一種選擇。

要實(shí)現(xiàn)完全的電網(wǎng)自主，離網(wǎng)系統(tǒng)需要幾個(gè)關(guān)鍵組件：

• 光伏電池板：將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為直流電
• 外部太陽(yáng)能 MPPT 充電器：優(yōu)化流向蓄電池的電能，最大限度地儲(chǔ)存能量
• 電池：用于儲(chǔ)存光伏電池板產(chǎn)生的能量
• DC/AC 逆變器：將電池電量轉(zhuǎn)換為家用電器所需的交流電

雖然許多用戶都在努力實(shí)現(xiàn)完全的能源自主，但他們也明白，光伏電池板可能無(wú)法持續(xù)為所有家用系統(tǒng)提供足夠的電力，因此他們會(huì)采取明智的預(yù)防措施，與電力公司建立聯(lián)系。電網(wǎng)輸入的交流電被轉(zhuǎn)換成直流電，以提升電池能量（圖 1）。

圖 1：所示為光伏板供電的離網(wǎng)電力系統(tǒng)，帶有備用公用電網(wǎng)交流輸入。（圖片來(lái)源：MEAN WELL）

自主離網(wǎng)系統(tǒng)切實(shí)可行，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不簡(jiǎn)單。安裝和維護(hù)都需要注意，而增加回電裝置為電池充電則增加了復(fù)雜性。假設(shè)光伏電池板安裝在最佳位置和角度，蓄電池有足夠的容量來(lái)儲(chǔ)存足夠的能量，以便在日照時(shí)間有限或?yàn)榱愕那闆r下為住宅供電，那么外部太陽(yáng)能 MPPT 充電器、AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路就是決定系統(tǒng)功效的關(guān)鍵因素。

逆變器的工作之一是將光伏電池板和電池組成的系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成 230 V/60 Hz 的輸出。像 MEAN WELL [ISI-501-212B] 逆變器這樣的產(chǎn)品可接受 12 VDC 輸入，提供 450 W 真正弦波輸出，總諧波失真 (THD) <3% ，AC 調(diào)節(jié)為 ±3%。

在圖 1 所示的架構(gòu)中，逆變器作為 MPPT 光伏充電器運(yùn)行，包括鉛酸電池所需的恒流和恒壓充電特性。MEAN WELL 設(shè)備的充電電流高達(dá) 30 安培 (A)，MPPT 電壓范圍為 25 V 至 50 V，可為開(kāi)放式或密封式鉛酸蓄電池充電。

什么是 MPPT？

MPPT 與光伏電池板等可變電源一起使用，以便在條件變化時(shí)最大限度地提取能量。MPPT 可解決光伏電池的功率傳輸效率隨太陽(yáng)光通量、遮陽(yáng)、光伏電池板溫度和負(fù)載電氣特性的變化而變化所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。隨著這些條件的變化，能提供最高功率傳輸?shù)呢?fù)載特性（阻抗）也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)載特性使功率傳輸保持在最高效率（即最大功率點(diǎn) (MPP)）時(shí)，系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。MPPT 是根據(jù)條件變化調(diào)整負(fù)載特性以達(dá)到 MPP 的過(guò)程。

大多數(shù)現(xiàn)代 MPPT 的轉(zhuǎn)換效率約為 93 至 97%。MEAN WELL ISI-501-212B 的典型轉(zhuǎn)換效率為 98%。

ISI-501-212B 的 MPPT 充電器的輸出可利用光伏電池板的輸出為離網(wǎng)供電系統(tǒng)的電池充電。這是通過(guò)定義好的恒流/恒壓充電曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用 MPPT 來(lái)確保最高的電池容量和最大的電池充電周期數(shù)（圖 2）。浮充階段將電池保持在接近滿電的水平，以防止自放電。

圖 2：所示為使用 MPPT 的恒流/恒壓充電曲線，可優(yōu)化電池容量，同時(shí)最大限度地增加電池充電循環(huán)次數(shù)。（圖片來(lái)源：MEAN WELL）

純正弦波交流電壓的重要性

雖然 ISI-501-212B 的 MPPT 充電器非常關(guān)鍵，但它只是離網(wǎng)供電系統(tǒng)的一部分。例如，要將鉛酸電池或鋰離子電池的電能轉(zhuǎn)換為家用電器所需的交流電壓，就需要進(jìn)行 DC/AC 逆變。家電必須使用純正弦波交流電壓，以避免功率因數(shù)校正等電氣挑戰(zhàn)。

DC/AC 逆變器使用 H 橋電路和控制電路（如脈寬調(diào)制 (PWM)）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。將 H 橋和 PWM 相結(jié)合，可產(chǎn)生近似正弦波的平均電壓。PWM 通常由一個(gè)或多個(gè)微控制器單元 (MCU) 控制，包括改變脈沖寬度以產(chǎn)生平均電壓，從而形成近似正弦波。電感電容 (LC) 濾波可進(jìn)一步降低諧波失真，使波形更平滑，并產(chǎn)生更純凈的正弦波。

例如，MEAN WELL 的 [NTN-5K-148] 連續(xù)逆變器使用 MCU 生成真正的正弦波，總諧波失真 <3%（圖 3）。

圖 3：NTN-5K-148 連續(xù)逆變器使用 MCU 生成真正的正弦波交流輸出，THD <3%。（圖片來(lái)源：MEAN WELL）

一機(jī)多用

使用光伏電池板、MEAN WELL ISI-501-212B 逆變器和 NTN-5K-148 連續(xù)逆變器，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建一個(gè)完整的離網(wǎng)系統(tǒng)，而連續(xù)逆變器還能提供更多功能。在一個(gè)產(chǎn)品中，開(kāi)發(fā)人員可以為電池提供 AC/DC 充電、為電器提供 DC/AC 反向供電以及交流旁路裝置。

NTN-5K-148 需要 48 V 輸入，并產(chǎn)生 110 VAC 輸出。它可以連續(xù)提供 4000 W 的功率，峰值效率為 93%。它是 MEAN WELL [NTN-5K] 系列的一部分，擁有多個(gè)變體。例如，[NTN-5K-2380] 是一款高度可靠的離網(wǎng)真正弦波 DC/AC 電源逆變器，內(nèi)置交流充電器和 UPS 功能（交流旁路）。其主要特性包括：采用 MCU 控制的數(shù)字設(shè)計(jì)、可快速響應(yīng)環(huán)境變化并提高了可靠性的精簡(jiǎn)控制電路、低噪音的高品質(zhì)風(fēng)扇、連續(xù) 5,000 W 輸出以及 380 VDC 輸入的 230 VAC 輸出。峰值效率為 94.5%（圖 4）。

圖 4：NTN-5K-2380 是一款離網(wǎng)真正弦波 DC/AC 電源逆變器，內(nèi)置交流充電器和 UPS 功能（交流旁路）。它可從 380 VDC 輸入提供持續(xù) 5,000 W 的功率和 230 VAC 輸出。（圖片來(lái)源：MEAN WELL）

NTN-5K 系列適用于住宅、商業(yè)、船舶、汽車、礦山、建筑工地和沒(méi)有市電的偏遠(yuǎn)地區(qū)（圖 5）。該系列具有內(nèi)置的有源電流共享功能，最多可并聯(lián) 6 臺(tái)裝置，以提供更高的交流輸出功率。

圖 5：所示為 NTN-5K 的典型家庭應(yīng)用（圖片來(lái)源：MEAN WELL）。

結(jié)語(yǔ)

離網(wǎng)供電系統(tǒng)的吸引力在于其獨(dú)立性。然而，這些系統(tǒng)的安裝和配置都很復(fù)雜。MEAN WELL 的連續(xù)逆變器采用一體化 AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路裝置，簡(jiǎn)化并降低了離網(wǎng)供電和電池充電的成本。例如，NTN-5K 系列充電器/逆變器可處理離網(wǎng)家用電源和電池充電所需的功能。