這一段時間，“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”作為全產(chǎn)業(yè)熱詞刷爆了朋友圈，而要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，必須要大幅發(fā)展可再生能源，降低化石能源的比重。據(jù)國家能源局早前預(yù)計，2020年底光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將超過風(fēng)電，成為全國第三大電源。可以預(yù)計，未來光伏將是驅(qū)動我國能源發(fā)展的新能源的中堅力量，未來十年光伏裝機(jī)容量年均復(fù)合增長率或保持在15%以上。因此，隨著光伏發(fā)電的持續(xù)普及，光伏逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲能平衡的需求，要求對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有元件進(jìn)行大量監(jiān)控。本文將介紹ADI 為太陽能光伏和儲能應(yīng)用提供的完整的電源、通信和控制接口信號鏈解決方案供行業(yè)設(shè)計參考。

　　光伏產(chǎn)業(yè)“風(fēng)光無限”的背后，也缺儲能“黃金搭檔”

　　太陽能發(fā)電是利用太陽能和半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)發(fā)電的，太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。

　　雖說太陽能這種清潔得以源迅猛發(fā)展，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，太陽能發(fā)電有一些特殊的難點(diǎn)需要解決，例如太陽能只能白天發(fā)電，晚上無法發(fā)電;太陽能發(fā)電的間歇性，發(fā)電功率受到天氣的影響，不可預(yù)見性，會對電網(wǎng)造成沖擊，影響整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定等。而光伏儲能可以完美解決光伏發(fā)電的難點(diǎn)，例如在負(fù)荷低谷時將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能用蓄電池儲存，在負(fù)荷高峰時釋放儲存的電能，減少對電網(wǎng)的壓力;在電網(wǎng)故障時，太陽能可繼續(xù)發(fā)電，切換到離網(wǎng)模式繼續(xù)給負(fù)載供電;實(shí)現(xiàn)削峰填谷，根據(jù)不同用戶的用電規(guī)律，合理地、有計劃地安排和組織用電時間。以降低負(fù)荷高峰，填補(bǔ)負(fù)荷低谷。減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，使發(fā)電、用電趨于平衡;儲能系統(tǒng)的存在也方便實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念……

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　　光伏儲能和傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電不一樣的地方，是要增加蓄電池以及蓄電池充放電裝置，所以相應(yīng)的應(yīng)用范圍要寬廣很多。比如：在能使用光伏發(fā)電時，儲能機(jī)可以把更多的電能先儲存起來。而在夜晚等不能發(fā)電的時候，儲能機(jī)可以把儲存的電直接供應(yīng)負(fù)載或者反饋到電網(wǎng)。因此，光伏儲能一體機(jī)是整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，特別是市場需求量比較大的戶用光伏儲能應(yīng)用，光伏儲能系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的光伏逆變器系統(tǒng)，在電路結(jié)構(gòu)上主要增加了電池包的充放電管理部分。

　　安全、可靠且EMC魯棒系統(tǒng)通訊的重要性

　　下圖顯示了典型的24小時太陽能發(fā)電、儲能和家庭用電情況，也說明了太陽能系統(tǒng)針對賬單管理進(jìn)行設(shè)計的主要原因。在夜間，當(dāng)沒有陽光輻照太陽能電池板時，消耗的電能將從電網(wǎng)購買，此時電費(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。因此，對于光伏儲能的應(yīng)用，它要將太陽能裝置中的發(fā)電和消耗活動報告給用戶，以便可以實(shí)施多種系統(tǒng)策略，例如賬單管理、光伏自用、減少電費(fèi)和備用電源。

　　實(shí)現(xiàn)這些功能，通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性至關(guān)重要。通常而言，太陽能光伏通信接口小于500kbps的低數(shù)據(jù)速率工作，這正是RS-485通信的理想工作范圍，其他諸如以太網(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，對應(yīng)用性能要求而言明顯降低。

　　此外，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。因此，RS-485通訊協(xié)議是太陽能光伏儲能系統(tǒng)通信應(yīng)用的首選，可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)電、功率點(diǎn)跟蹤器和儲能狀態(tài)與PC屏幕數(shù)據(jù)更新。

　　符合“光伏+儲能”需求的太陽能系統(tǒng)設(shè)計

　　ADI公司能為太陽能光伏和儲能應(yīng)用提供完整的電源、通信和控制接口信號鏈解決方案。下圖顯示了一個典型太陽能光伏系統(tǒng)，包含輸入直流串、DC-AC轉(zhuǎn)換、充電和儲能、電池管理及通信，其中ADI iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器解決方案包括ADuM4135 和 ADuM4223/ADuM3223，iCoupler隔離式通信端口解決方案這包括ADM2795E、 ADM2587E和ADM3054，混合信號處理器解決方案則包括 ADSP-CM419。

　　帶儲能功能的典型太陽能系統(tǒng)框圖

　　iCoupler隔離式RS-485中繼器設(shè)計由兩個RS-485收發(fā)器和兩個高速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)。

　　值得一提的是，設(shè)計EMC通信接口時，電路設(shè)計人員常常要面對設(shè)計和測試迭代循環(huán)，電路設(shè)計必須符合系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。而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)計的上市時間。

　　總結(jié)

　　“碳中和”是我國能源安全和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的內(nèi)在需求，也與世界各國未來發(fā)展的利益一致。而從實(shí)現(xiàn)路徑上來看，“光伏+儲能”的模式將為可再生能源大規(guī)模發(fā)展和并網(wǎng)提供有力支撐。ADI 公司能為儲能系統(tǒng)與電源轉(zhuǎn)換市場提供完整的產(chǎn)品和解決方案組合，將助力提高多元能源系統(tǒng)的安全性、靈活性和可調(diào)性，推動構(gòu)建新時代下的能源互聯(lián)網(wǎng)核心。