ZHCADQ2A February 2024 – April 2024 CC1311P3 , CC1311R3 , CC1312R , CC1312R7 , CC1314R10 , CC1352P , CC1352P7 , CC1352R , CC1354P10 , CC1354R10
人們對(duì)可再生能源的需求正在不斷增長(zhǎng)。為了減少碳足跡和降低成本,公用事業(yè)、企業(yè)和業(yè)主正在考慮替代能源。太陽(yáng)能電池板迅速成為一個(gè)備受青睞的選擇。本文檔討論了不同的逆變器架構(gòu)及其對(duì)用戶的影響。
串式逆變器
如圖 1 所示,串式逆變器由于降低了硬件復(fù)雜性和安裝人工成本,因此可提供超低的系統(tǒng)成本。然而,串式逆變器不支持用戶單獨(dú)監(jiān)控每個(gè)太陽(yáng)能電池板的性能。由于這些太陽(yáng)能電池板都是串聯(lián)連接的,因此不容易確定需要維護(hù)或更換的電池板。單一逆變器拓?fù)洳捎靡粋€(gè)針對(duì)特定功率等級(jí)進(jìn)行優(yōu)化的逆變器,其功率等級(jí)與電池板數(shù)量成正比,這限制了擴(kuò)展或升級(jí)電池板的靈活性。該架構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是,一個(gè)電池板上出現(xiàn)遮光陰影時(shí),會(huì)影響其他電池板的性能。電池板產(chǎn)生的直流電壓被送到一個(gè)集中式逆變器,該逆變器并未安裝在屋頂上。這產(chǎn)生了一個(gè)安全問(wèn)題,即屋頂上存在高直流電壓線路(每個(gè)電池板約 48V)。逆變器隨后會(huì)將直流轉(zhuǎn)換為交流電壓,為樓宇中的電子設(shè)備供電。串式逆變器可快速安裝,并具有低成本,但需要人工排除故障,而且安全風(fēng)險(xiǎn)更高、穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性更低。
具有電源優(yōu)化器的串式逆變器
為了解決這些缺點(diǎn),可以在串式逆變器上添加電源優(yōu)化器。如圖 2 所示,借助電源優(yōu)化器,逆變器可以控制每個(gè)電池板的輸出,并單獨(dú)斷開電池板與該串的連接。斷開電池板會(huì)降低直流線路電壓并消除安全問(wèn)題。在發(fā)生遮光和其他導(dǎo)致某電池板發(fā)電功率降低的干擾時(shí),電池板輸出控制可提供穩(wěn)健性。借助電源優(yōu)化器,其他電池板仍可繼續(xù)產(chǎn)生全功率。該架構(gòu)還允許用戶更好地監(jiān)控每個(gè)電池板的性能,但仍然受到單一逆變器拓?fù)淇蓴U(kuò)展性限制的影響。與只使用串式逆變器相比,電源優(yōu)化器可提高系統(tǒng)效率、穩(wěn)健性、安全性和遙測(cè)性能。
微型逆變器
太陽(yáng)能微型逆變器旨在為用戶提供高功效和便利的維護(hù)。每個(gè)電池板都有一個(gè)微型逆變器,可對(duì)每個(gè)電池板進(jìn)行全面的遙測(cè)。用戶可以監(jiān)測(cè)許多不同的條件,包括溫度、電壓和電流。任何電池板有缺陷,都可直接被識(shí)別出來(lái),無(wú)需人工排除故障即可進(jìn)行有針對(duì)性的維修或更換。此外,當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電池板產(chǎn)生的功率較少時(shí),系統(tǒng)性能不受影響,從而大大增加了系統(tǒng)產(chǎn)生的功率。微型逆變器解決了可擴(kuò)展性問(wèn)題,支持添加或升級(jí)電池板。如果逆變器安裝在靠近電池板的位置,則不存在與高壓直流線路相關(guān)的安全問(wèn)題。相對(duì)于單一逆變器拓?fù)洌⑿湍孀兤鲀?yōu)化了效率、穩(wěn)健性、可擴(kuò)展性和遙測(cè)性能。
圖 3 展示了電力如何從太陽(yáng)能電池板流向斷路器,以及不同架構(gòu)之間的權(quán)衡。下一節(jié)將討論用戶如何監(jiān)控太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)和系統(tǒng)要求。
為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,需要將從每個(gè)電池板收集的信息發(fā)送到云端,以便用戶通過(guò)智能手機(jī)或其他互聯(lián)設(shè)備訪問(wèn)該信息。首先,來(lái)自電池板的數(shù)據(jù)被發(fā)送至家庭能源網(wǎng)關(guān)。然后,該網(wǎng)關(guān)通過(guò) Wi-Fi? 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B接到云端的本地網(wǎng)關(guān)。然后,用戶可以從任何位置查看相關(guān)數(shù)據(jù)。
有多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電池板到家用能源網(wǎng)關(guān)之間的通信。下一節(jié)將討論太陽(yáng)能電池板要求以及每種技術(shù)之間的權(quán)衡。
表 1 按優(yōu)先級(jí)列出了太陽(yáng)能電池板要求。
| 要求 | PLC(1) | TI WSMS(2)-Star | TI WSMS(2)-Mesh | Zigbee? 2.4GHz | Wi-Fi? |
|---|---|---|---|---|---|
| 快速關(guān)斷 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 數(shù)據(jù)速率 | 低成本 PLC:< 1kbps | 5kbps 至 200kbps | 50kbps 至 300kbps | 250kbps | > 1Mbps |
| OFDM(3) PLC:31kbps | |||||
| 干擾 | 低成本 PLC:受影響較大 | 通過(guò)跳頻避免干擾 | 通過(guò)跳頻和網(wǎng)狀路由避免干擾 | 僅通過(guò)網(wǎng)狀路由避免干擾 | 無(wú)網(wǎng)狀路由且無(wú)跳頻 |
| OFDM PLC:穩(wěn)健 | |||||
| 范圍 | 鏈路預(yù)算 | 低成本 PLC:短距離 | 1000m | 125dB | 1000m | 125dB | 50m | 105dB | 50m | 105dB |
| OFDM PLC:1000m | |||||
| 安全 | 是 (AES(4) MAC(5)) | 是(AES MAC + 預(yù)共享網(wǎng)絡(luò)密鑰) | 是(AES MAC + 證書交換 + 預(yù)共享網(wǎng)絡(luò)密鑰) | 是(AES MAC + 預(yù)共享密鑰) | 是(AES MAC + 預(yù)共享密鑰) |
| 設(shè)置和維護(hù) | 共享面板的問(wèn)題 | 無(wú)問(wèn)題且調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單 | 無(wú)問(wèn)題且調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單 | 無(wú)問(wèn)題且調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單 | 無(wú)問(wèn)題且調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單 |
| 組網(wǎng)時(shí)間 | < 5 分鐘 | < 5 分鐘 | 100 個(gè)節(jié)點(diǎn) 5 分鐘 | < 5 分鐘 | < 5 分鐘 |
| 生產(chǎn)測(cè)試支持 | 取決于供應(yīng)商 | 集成射頻(6)診斷和傳播測(cè)試模式 | 集成射頻診斷和傳播測(cè)試模式 | 不可用,可以實(shí)施 | 不可用,可以實(shí)施 |
| 家庭能源網(wǎng)關(guān) | 必需 | 必需 | 必需 | 必需 | 可選(陽(yáng)臺(tái)安裝) |
| 額外的中繼器 | 不需要 | 不需要 | 不需要 | 可選 | 可選 |
| 實(shí)際限制 | 20(低成本 PLC)> 20 | < 50 | 100+ | < 50 | < 10 |
| (OFDM PLC) | |||||
| 無(wú)線協(xié)議 | 非基于 IP | 非基于 IP | IPV6 | 非基于 IP | IPV4 和 IPV6 |
快速關(guān)斷
快速關(guān)斷是一項(xiàng)關(guān)鍵的安全功能,旨在保護(hù)救援人員和居用者。美國(guó)的安全標(biāo)準(zhǔn)(即美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC))在第 690.12 條中規(guī)定了以下參數(shù):“在開始快速關(guān)斷后的 10 秒內(nèi),受控導(dǎo)體的電壓不得超過(guò) 30V,功率不得超過(guò) 240 伏安?!?/p>
表 1 表明所有現(xiàn)有技術(shù)都滿足這一關(guān)鍵的安全要求。無(wú)線技術(shù)通過(guò)向所有微型逆變器發(fā)送帶有關(guān)斷命令的廣播包來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
數(shù)據(jù)速率
與快速關(guān)斷不同,數(shù)據(jù)速率要求確實(shí)會(huì)因選擇的 PLC 選項(xiàng)而異。例如,對(duì)于一座擁有 60 塊電池板的中型房屋,來(lái)自每個(gè)電池板的信息通常包括收集電壓 (V)、電流 (C)、溫度 (T)、電池板識(shí)別 (ID) 和狀態(tài) (S) 數(shù)據(jù)。據(jù)太陽(yáng)能微型逆變器制造商稱,數(shù)據(jù)需要每 15 秒傳輸一次。根據(jù)方程式 1和方程式 2中的計(jì)算,此示例的數(shù)據(jù)速率要求為每秒 736 位。
計(jì)算
為了滿足這一要求,太陽(yáng)能電池板制造商考慮了不同類型的連接選項(xiàng)。過(guò)去,有兩種類型的有線電力線通信 (PLC) 選項(xiàng):正交 (OFDM) 和移頻鍵控 (FSK)。OFDM PLC 是基于標(biāo)準(zhǔn)的,具有足夠高的數(shù)據(jù)速率 (> 1Mbps) 來(lái)支持太陽(yáng)能電池板和家庭能源網(wǎng)關(guān)之間的通信。FSK PLC 通常是專有的,常用于對(duì)成本敏感的設(shè)計(jì)。FSK PLC 提供大約 100bps 的數(shù)據(jù)速率,這對(duì)于許多用例(包括中型房屋示例)而言吞吐量不足。
無(wú)線技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的高數(shù)據(jù)速率選項(xiàng)。TI 提供 Sub-1GHz、2.4GHz 和 Wi-Fi 無(wú)線電,它們具有高數(shù)據(jù)速率 (> 100Kbps),可以支持必要的數(shù)據(jù)速率通信。此外,無(wú)線技術(shù)允許在無(wú)需技術(shù)人員的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)固件更新。
干擾
不同通信選項(xiàng)之間的另一個(gè)權(quán)衡是干擾。樓宇中電器內(nèi)的電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量噪聲。如果來(lái)自電池板的數(shù)據(jù)通過(guò)有線通信(如低成本 PLC)進(jìn)行傳輸,則噪聲可能會(huì)干擾數(shù)據(jù)。如果干擾足夠高,則可能無(wú)法讀取來(lái)自電池板的數(shù)據(jù)。要避免有線系統(tǒng)中發(fā)生干擾,常見方法包括增加環(huán)形鐵氧體環(huán)形濾波器或?yàn)樘?yáng)能電池板提供專用插座或電路,但這會(huì)增加系統(tǒng)成本。
在無(wú)線設(shè)計(jì)中,跳頻和網(wǎng)狀路由技術(shù)都有助于避免干擾。TI WSMS-Mesh 同時(shí)使用這兩種技術(shù)。TI WSMS-Star 僅使用跳頻,而 Zigbee 僅使用網(wǎng)狀路由來(lái)避免噪聲干擾。 大多數(shù)無(wú)線選項(xiàng)都內(nèi)置了干擾保護(hù)技術(shù),而 PLC 干擾緩解可能會(huì)帶來(lái)額外的成本。
范圍
對(duì)于太陽(yáng)能電池板制造商而言,范圍并不僅僅是一項(xiàng)與電池板和家庭能源網(wǎng)關(guān)之間距離相關(guān)的簡(jiǎn)單要求。該規(guī)格決定了產(chǎn)品與哪些市場(chǎng)和樓宇兼容。低成本 PLC、Wi-Fi 和 Zigbee 是近距離通信技術(shù),僅限于陽(yáng)臺(tái)和單戶住宅安裝。Sub-1GHz 選項(xiàng)、TI WSMS-Mesh 和 TI WSMS-Star 支持 20 倍傳輸距離,并針對(duì)多戶家庭、公寓和商業(yè)安裝進(jìn)行了優(yōu)化。
安全
安全性是太陽(yáng)能電池板開發(fā)的一個(gè)重要考慮因素。低成本 PLC 不提供或幾乎不提供加密,而是依靠物理屏障來(lái)阻止訪問(wèn)。無(wú)線選項(xiàng)將電池板連接到互聯(lián)網(wǎng),并必須應(yīng)對(duì)系統(tǒng)受到惡意攻擊的額外路徑。安全系統(tǒng)可以從相對(duì)簡(jiǎn)單的預(yù)共享密鑰架構(gòu)到更復(fù)雜的系統(tǒng)。這些復(fù)雜的系統(tǒng)包括安全密鑰交換、密鑰管理、安全可靠的固件更新和防篡改傳感器等配置。所有安全措施都會(huì)增加開發(fā)時(shí)間和產(chǎn)品成本。因此,每個(gè)供應(yīng)商都需要完成威脅模型評(píng)估并為產(chǎn)品選擇正確的安全級(jí)別。
設(shè)置和維護(hù)
設(shè)置和維護(hù)是無(wú)線選項(xiàng)具有優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)領(lǐng)域。
例如,考慮一個(gè)復(fù)式公寓,其中兩個(gè)家庭共享同一個(gè)配電板。一戶人家已經(jīng)安裝了太陽(yáng)能電池板系統(tǒng),另一戶人家想要安裝太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)。復(fù)式公寓場(chǎng)景帶來(lái)了在多戶住宅樓宇中分離數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。
如果現(xiàn)有和新的太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)都基于 PLC 并連接到一個(gè)配電板,則數(shù)據(jù)將無(wú)法分離,并且兩個(gè)家庭能源網(wǎng)關(guān)無(wú)法區(qū)分太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)。因此,無(wú)法單獨(dú)監(jiān)控每戶住宅的發(fā)電和用電情況。
無(wú)線技術(shù)通過(guò)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符,為解決此問(wèn)題提供了一個(gè)巧妙的選項(xiàng)。安裝人員會(huì)在調(diào)試過(guò)程中將每個(gè)太陽(yáng)能電池板的唯一標(biāo)識(shí)符分配給特定的家庭能源網(wǎng)關(guān)。因此,每個(gè)用戶只能訪問(wèn)單個(gè)太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)的信息?;氐綇?fù)式公寓場(chǎng)景,如果太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)依賴于無(wú)線技術(shù),那么將數(shù)據(jù)路由到正確的家居客戶就沒有問(wèn)題。這使得作為鄰居的每個(gè)業(yè)主都可以監(jiān)控發(fā)電情況,并輕松識(shí)別需要維護(hù)的電池板。
組網(wǎng)時(shí)間
夜間,每個(gè)電池板都會(huì)失去電力并關(guān)斷。隨著太陽(yáng)每天早上升起,整個(gè)太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)并重新連接。有線和無(wú)線技術(shù)都符合 5 分鐘的組網(wǎng)要求(5 分鐘是用戶啟動(dòng)和運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)可接受的任意數(shù)字)。
生產(chǎn)測(cè)試支持
無(wú)線選項(xiàng)設(shè)計(jì)人員在 ?Microsoft?? ?Windows?? PC上使用 SmartRF? Studio 進(jìn)行原型開發(fā)和測(cè)試。然而,當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入生產(chǎn)流程時(shí),制造商需要一個(gè)無(wú)需 PC 或調(diào)試端口的不同工具套件來(lái)進(jìn)行測(cè)試。例如,BLE 和 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)需要全自動(dòng)測(cè)試套件來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)自動(dòng)化測(cè)試。Sub-1GHz 有一個(gè)類似的選項(xiàng),稱為“射頻診斷”。該嵌入式工具幫助制造商在 TI Sub-1GHz IC 上創(chuàng)建自動(dòng)化內(nèi)聯(lián)測(cè)試系統(tǒng)。特別是對(duì)于 TI WSMS-Mesh,我們 7.40 版之后的 SDK 直接在協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板制造商所需的特殊測(cè)試功能。
家庭能源網(wǎng)關(guān)
為了讓用戶能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn),需要將來(lái)自電池板的信息發(fā)送到本地網(wǎng)關(guān)(請(qǐng)參閱圖 4)。如果微型逆變器采用 Wi-Fi,則可以直接連接到現(xiàn)有的本地網(wǎng)關(guān),而無(wú)需單獨(dú)的家庭能源網(wǎng)關(guān)。所有其他技術(shù)都需要單獨(dú)的家庭能源網(wǎng)關(guān),因?yàn)楸镜鼐W(wǎng)關(guān)通常不支持除 Wi-Fi 之外的技術(shù)。
額外的中繼器
使用有線或 Sub-1GHz 技術(shù)(如 TI WSMS-Star 或 TI WSMS-Mesh)的微型逆變器不需要額外的中繼器。與 2.4GHz 相比,Sub-1GHz 的工作頻率更低,波長(zhǎng)更長(zhǎng),傳播距離更遠(yuǎn),可以穿透混凝土墻等物理屏障,并且受到的干擾更少。相比之下,2.4GHz 和 Wi-Fi 技術(shù)需要中繼器才能達(dá)到相同的范圍。
在利用 Sub-1GHz 技術(shù)為太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)帶來(lái)益處時(shí),有兩個(gè)可選方案。對(duì)于規(guī)模較大的安裝(50 個(gè)以上的微型逆變器),建議使用 TI WSMS-Mesh 選項(xiàng);對(duì)于規(guī)模較小的安裝(少于 50 個(gè)微型逆變器),建議使用 TI WSMS-Star。
TI WSMS-Mesh 基于開放式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(IEEE 802.15.4 和 WI-SUN),可推動(dòng)市場(chǎng)統(tǒng)一。德州儀器 (TI) 是 Wi-SUN Alliance? 的活躍成員,提供可互操作選項(xiàng)、免專利費(fèi)的軟件和基于標(biāo)準(zhǔn)的多層安全。Wi-SUN 協(xié)議適用于需要長(zhǎng)距離射頻傳輸、高節(jié)點(diǎn)數(shù)和具有自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)性能的應(yīng)用,例如互聯(lián)智能儀表、電動(dòng)汽車充電、街道照明和太陽(yáng)能微型逆變器。
TI WSMS-Mesh 協(xié)議棧中提供了特定選項(xiàng),可更好地滿足微型逆變器和跟蹤器市場(chǎng)的要求:
對(duì)于不需要網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的小規(guī)模安裝,TI 提供了稱為 TI WSMS-Star 的星形網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。該產(chǎn)品提供了低成本選項(xiàng),具有與 TI WSMS-Mesh 安全性和板載調(diào)試類似的功能,但不支持網(wǎng)狀配置。TI WSMS-Star 協(xié)議棧專為微控制器具有較小閃存存儲(chǔ)器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該協(xié)議棧開銷低,占用空間更小,從而降低了該選項(xiàng)的成本。
這款免專利費(fèi)的 WSMS-Star 協(xié)議棧是一個(gè)完整的軟件平臺(tái),用于開發(fā)需要基于星形拓?fù)涞某凸?、遠(yuǎn)距離、可靠、穩(wěn)健和安全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)的應(yīng)用。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是支持 Zigbee、Thread 和 Wi-SUN 等多種協(xié)議的底層技術(shù)。MAC 層進(jìn)行了擴(kuò)展,并添加了更多更高層的功能,例如調(diào)試和尋址。
圖 5 展示了 TI 用于測(cè)試產(chǎn)品的臺(tái)架裝置示例,包括硬件和軟件,以確保客戶能夠放心使用 TI 產(chǎn)品。

要開始使用 WSMS-Mesh 或 WSMS-Star,請(qǐng)下載 SimpleLink? 低功耗軟件開發(fā)套件 (SDK)。
如需了解更多信息,請(qǐng)參閱 TI 的太陽(yáng)能應(yīng)用頁(yè)面并查找無(wú)線連接選項(xiàng)。