對太陽能和儲能設施進行基本監測的 iCoupler 隔離式通訊解決方案

作者:Richard Anslow和Martin Murnane /ADI

政府的新政策與新法規共同推動著可再生能源發電的進展,預計,未來太陽能市場將具強勁的成長動能。由於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,目前太陽能發電要求對太陽能系統的所有元件進行大量監控。對於太陽能光伏應用, RS-485 通訊固有的抗擾性能,而使其獲得應用。增加iCoupler® 隔離式RS-485 收發器可為太陽能光伏網路通訊介面提供安全、可靠且具備EMC強固性的解決方案。

RS-485有多種用途,主要用途是遠端監控發電、功率點追蹤器和儲能狀態(電池儲能)。

對於儲能等太陽能應用,通訊至關重要,因為它要將太陽能裝置中的發電和消耗活動報告給用戶。同時有多種系統原則可建置,例如帳單管理、光伏自用、減少需量電費和備用電源。特別是在美國,颶風常常在德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
家用儲能策略 定義
帳單管理使用時間(TOU) 最大限度地減少用電高峰時段的購電量,TOU將客戶購電轉移到費率較低的時段。此策略的目標是減少客戶帳單費用。
光伏自用 最大限度地減少電錶後光伏系統所供電力的出口,以最大限度地提高電費較高的光伏地區的經濟效益。
減少高峰時段電費 讓客戶可以儲能,降低成本,因為電力公司在高峰時段會收取額外費用。
備用電源 這是一種更常見的策略,給任何可儲能設備充電,以便在電網停電時或夜間使用。這更可說是一種備用電源策略,在高峰時段可以減少用電費用,而且上網電價較低。

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帳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。如此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,從而控制帳單費用。

Figure 1
圖1.典型24小時太陽能發電、儲能和家庭用電情況

RS-485是通訊應用首選,可用於PC螢幕資料更新,如當前功率、最大功率點追蹤器中的電流消耗、電池充電和健康狀況、CO2減少等,如圖2所示。

Figure 2
圖2.光伏太陽能系統的典型光伏監測系統資料

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、電池管理及通訊。ADI為太陽能光伏和儲能應用提供完整的電源、通訊和控制介面訊號鏈解決方案。iCoupler隔離式閘極驅動器解決方案包括 ADuM4135ADuM4223/ADuM3223iCoupler隔離式通訊連接埠解決方案包括 ADM2795EADM2587E和 ADM3054。混合訊號處理器解決方案包括 ADSP-CM419.

Figure 3
圖3.具備儲能功能的典型太陽能系統框圖

使用具備iCoupler隔離的RS-485收發器的原因?

iCoupler隔離能為太陽能光伏網路通訊介面提供安全、可靠且具備EMC強固性的解決方案。

對於太陽能光伏網路,RS-485或CAN通訊介面通常在充斥電雜訊的環境中通過長電纜運行。RS-485通訊本質上是差分式,具備固有抗雜訊能力。增加iCoupler隔離以提升抗擾度。

  • iCoupler系列數位隔離產品已經過測試,並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準,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湧而受到影響。
  • 太陽能光伏通訊介面通常以低資料速率工作——低於500 kbps——這正是RS-485通訊的理想工作範圍。諸如乙太網路之類的替代方案以10 Mbps/100 Mbps或1 Gbps的固定資料速率運行,這對應用要求而言明顯過剩。
  • iCoupler隔離具有經過驗證的EMC強固性,可減少現場故障。增強的EMC強固性可縮短介面電路的設計和測試時間,從而加快太陽能光伏網路的上市時間。

適用於現有太陽能光伏網路的直接插入式iCoupler隔離解決方案

對於現有太陽能逆變器設施,其通訊連接埠沒有iCoupler隔離所實現的強固性,iCoupler隔離式RS-485中繼器是強大的直接插入式解決方案。精小的訊號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器提供強固的隔離保護,防止電磁(EMC)惡劣的太陽能環境中的電氣雜訊影響。

Figure 4
圖4.訊號和電源iCoupler隔離式RS-485中繼器

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是全整合式資料收發器,支援±15 kV ESD保護及訊號和電源隔離,適用於多點傳輸線上的高速通訊。ADM2587E內部整合隔離式DC-DC電源,無需外加DC-DC隔離模組。RS-485中繼器需要資料碼流控制,這對RS-485匯流排上的通訊方向控制而言相當重要。在ADM2587E邏輯接腳上使用高速比較器ADCMP600可提供高速流控制和方向性,從而實現可靠的通訊系統。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強固性的iCoupler訊號隔離式RS-485

設計EMC通訊介面時,電路設計人員常常要面對設計和測試反覆運算迴圈。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和湧浪保護級別以及對輻射、傳導和磁場干擾的抗擾度。

ADI公司iCoupler訊號隔離式RS-485包含經認證的額外EMC保護,可防範上述干擾,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收發器整合了隔離強固性和EMC保護,如此可大幅節省印刷電路板(PCB)空間,以供太陽能光伏通訊連接埠介面使用。

ADM2795E是一款5 kV rms 訊號隔離RS-485收發器,RS-485匯流排接腳提供高達±42 V的AC-DC峰值匯流排過壓故障保護特性。該元件採用ADI的iCoupler技術,將三通道隔離器、RS-485收發器和IEC電磁相容性(EMC)瞬變保護整合於單一封裝中。

ADM2795E內建的iCoupler技術已透過VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC(申請中)認證。

  • 操作電壓: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 湧浪
  • 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
Figure 5
圖5. iCoupler隔離式RS-485收發器,A和B匯流排接腳提供增強的IEC 61000-4-5湧浪強固性。

結論

ADI為太陽能光伏和儲能應用提供完整的訊號鏈解決方案。iCoupler隔離式閘極驅動器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223,而iCoupler隔離式通訊連接埠解決方案包括ADM2795E和ADM2587E,ADSP-CM419混合訊號控制處理器提供電源通訊和控制介面。iCoupler隔離能為太陽能光伏網路通訊介面提供安全、可靠且具EMC強固性的解決方案。

ADI 的介面和隔離產品組合有多種方案可隔離RS-485介面。ADM2795E提供完整的系統級EMC解決方案,其符合IEC 61000湧浪、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設計的上市時間。

訊號和電源隔離式RS-485收發器(例如ADM2587E)提供目前市場上整合度最高的訊號和電源隔離解決方案。ADM2587E可用於RS-485中繼器設計,透過iCoupler隔離技術為系統提供更強的強固性。


Authors

Richard Anslow

Richard Anslow

Richard Anslow earned both his BEng and MEng from the University of Limerick, Ireland. He has worked on new product definitions, and customer-facing roles related to ADI's isolated communications portfolio.

Martin Murnane

Martin Murnane

Martin Murnane is a solar PV systems engineer in the Industrial and Instrumentation segment, focusing on energy/ solar PV applications. Prior to joining Analog Devices, he held several roles in power electronics in energy recycling systems (Schaffner Systems), Windows based application software/database development (Dell Computers), and HW/FW product development using strain gauge technology (BMS). Martin has a bachelor's degree in electronic engineering from the University of Limerick.