电流电压传感器在光伏系统中的应用-组串式/集中式光伏逆变器

前言： 光伏逆变器是新能源系统的核心单元之一，其性能直接影响发电效率、设备使用寿命和并网电网的质量。电压、电流传感器作为逆变器中的关键监测元件，能够实时采集并反馈电气参数，为控制单元提供数据支持，从而实现精准控制。正确选择和使用这些传感器，对保障设备的正常运行具有重要意义。本文将系统介绍电压、电流传感器在光伏逆变器中的应用场景及选型参考。

组串式和集中式逆变器的差别：

光伏逆变系统主要分为组串式和集中式两种类型，两者在设计和应用上存在一定差异。集中式逆变器通常用于大型地面电站，母线电压较高，一般为1500V，部分系统已达到2000V，功率通常在320KW左右，具有显著的成本效益优势。

组串式逆变器功率较小，母线电压通常为600V左右，功率约为50KW，配置灵活，适用于分布式光伏系统。多个组串式逆变器的输出电压并联后，统一并入输电电网。

可以理解为，一个320KW的集中式光伏逆变器，相当于多个32KW的组串式逆变器并联工作。组串式和集中式逆变器各有优缺点，可根据实际需求选择使用。

一、逆变器系统概述与传感器核心作用

光伏逆变器通过电力电子技术，将光伏阵列产生的直流电转换为交流电，并输送至电网，最终为用电设备供电。其典型拓扑结构包括直流输入、防雷、DC/DC升压、DC/AC逆变、波形整形交流输出等环节。电压、电流传感器在各个环节中发挥着重要作用，具体取决于设计目标。整体方框图如下：

（图1：逆变器拓扑结构图）

电压、电流传感器在逆变器中的核心作用包括：

1. 实时监测： 实时、精确地采集各节点的电流和电压参数，并将数据传输至控制单元，经过模数转换后，为控制算法和逻辑判断提供数据基础。

2. 闭环控制： 控制单元通过采集到的电压、电流数据，进行运算和逻辑分析，实现对功率器件（如SiC、MOSFET、IGBT等）的精准闭环控制。

3. 故障防护： 控制单元通过分析传感器输出的信号，判断设备是否处于过流、短路、漏电等异常状态，并触发相应的保护机制。这要求传感器能够快速响应原边信号的变化。

二、电压、电流传感器在逆变器各个环节的实际应用

1. 直流输入环节：

光伏电池组件产生的直流电经过串并联后，电压通常提升至600V或1500V。从安全角度考虑，通常需要监测光伏电池的漏电流。

（图2：直流输入环节漏电流监测示意图） 此处可考虑使用直流漏电流传感器。

2. DC/DC升压和防雷环节：

DC/DC升压电路通常由完整的电路模块实现，为满足最大功率点跟踪（MPPT）的需求，输入级通常需要配置电压传感器。对于母线电压约为600V的组串式逆变器，可选择量程为1100V的电压传感器；对于母线电压高达1500V的集中式逆变器，则需要选择量程更高的电压传感器。

输入级还需要进行防雷和浪涌保护，以防止后级元器件损坏。典型的防雷电路能够满足抗4000V浪涌/EFT等测试要求，电路示例如下：

（图3：DC/DC升压和防雷电路示意图） 电压传感器可安装在防雷模块两端。

3. DC/AC逆变环节：

该环节需要重点关注IGBT桥臂的控制和故障保护。虽然IGBT能够承受短时过冲击电流，但为了避免因IGBT损坏导致上下桥臂直通引发烧毁或火灾等事故，建议在+HV母线上安装高精度、快速响应的闭环霍尔电流传感器。这类传感器的典型响应时间小于0.5μs，精度约为0.2%。

（图4：IGBT桥臂电流监测波形图） 图中显示+HV母线处的传感器响应时间小于0.5μs

安装在此处的高精度闭环霍尔传感器主要有两个作用：

1.检测总输出电流，用于计算和显示总输出功率；

2.类似保险丝的保护作用，一旦检测到桥臂故障（如+HV与地直通），可迅速触发保护机制。

考虑到控制单元的程序处理速度可能无法完全匹配传感器的响应时间，建议增加最大值检测电路，通过窗口比较器将模拟信号转换为数字信号（低电平表示正常，高电平表示故障），并将其送入控制单元的中断端口，以实现快速响应。此外，该保护信号还可以直接连接到功率器件驱动IC的使能端，实现更快速的关断。

4. 交流输出环节：同步并网与电能质量

如果逆变器的负载为电机，可直接连接到输出端；如果用于并网或为其他设备供电，则需要增加电感，将PWM波形滤波为正弦波，以提高电能质量。根据需要，可在此处安装电压传感器，通常放置在变压器的前级。

（图5：交流输出环节示意图）

三、特定环境下的应用挑战与应对策略

1. 极寒环境（-40℃以下）

建议选择高精度、低温漂的闭环霍尔传感器，温漂系数应小于50ppm/℃，以减少温度变化对测量精度的影响。更可靠的方案是引入加热装置（如硅橡胶加热膜或PTC加热器），通过控制单元进行主动温度管理，并辅以机械温控器作为二级保护，以提高系统在全温度范围内的运行可靠性。

2. 封装要求： 传感器应采用满足IP67防护等级的结构设计，以适应高隔离耐压的要求。

3. 大电流应用场景

PCB的铜箔厚度（如1oz、2oz、5oz等）决定了其载流能力。为满足大电流需求，通常需要加宽走线或增加铜箔厚度，但这会显著增加成本，且散热问题难以解决。在这种情况下，可以采用穿线式霍尔电流传感器，通过10mm²的铜线或铜排轻松承载100A电流，并在PCB上开设相应的通孔焊盘，这是一种低成本的解决方案。

4. 更高隔离耐压： 传感器的原副边爬电距离设计已考虑1500V以上系统的要求，可直接使用。

结语

电压、电流传感器在光伏逆变器中不仅是基础的测量元件，更是确保系统安全和效率的核心部件。随着光伏电池电压从600V提升至1500V乃至2000V，以及开关频率的不断提高，传感器需要向更高精度、更快响应时间和智能化方向发展。这将进一步推动光伏逆变系统朝着更高可靠性和更低维护需求的方向发展。