透過整合式充電器／逆變器簡化離網光電解決方案

隨著使用者採用替代能源，利用最大功率點追蹤 (MPPT) 技術的光電 (PV) 面板式離網電源解決方案也越來越流行。但是，這些系統的安裝和配置很複雜。不同選項的組合，需要多種逆變器和充電器，因此會增加成本。

設計人員現在可以使用單一個整合式 AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路單元，就可簡化離網電源和電池充電，並可降低相關成本。

本文將簡單回顧離網電源應用與光電面板／MPPT 充電的複雜性。然接著會介紹 MEAN WELL 的整合式裝置，展示其如何簡化安裝與操作，同時降低成本。透過居家應用展示整合式產品的優勢。

什麼是離網電力應用？

離網電力越來越受歡迎，因為技術已經成熟到一定程度，能讓這些系統可靠、高效且具有成本效益，因此使用者能脫離公用事業享有獨立性。

顧名思義，離網電力來自非公用事業的能源，通常是將陽光轉化為電能的光電板。風力發電也是選擇之一。

為了完全達到電網自主性，離網系統需要幾個關鍵元件：

• 光電板：將陽光轉化為直流電
• 外部太陽能 MPPT 充電器：將通往電池的電力流動最佳化，以達到最大儲能效果
• 電池：儲存光電板產生的能量
• DC/AC 逆變器：將電池電力轉換成家用電器所需的交流電

雖然許多使用者努力達到完全的能源自主性，但也瞭解光電板可能無法一致地發電，提供其居家系統所需的足夠電力，因此會採取明智的預防措施，回頭串接公用事業供應商。來自電網的 AC 輸入會轉換成 DC 電力，以增強電池能量 (圖 1)。

圖 1：此為光電板發電的離網電力系統，並搭配備援的 AC 市電輸入。(圖片來源：MEAN WELL)

自主型離網系統相當實用，但要實作並不容易。在設置和維護上都需要注意，添加電源迴路為電池充電更會增加複雜性。假設光電板安裝在最佳位置和最佳角度，而且電池有足夠的容量可儲存足夠的能量，以便在陽光有限或無陽光時為住宅供電，此時，外部太陽能 MPPT 充電器、AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路就會是決定系統效率的關鍵因素。

逆變器有個作用就是將來自光電板和電池組成之系統的直流電轉換成 230 V/60 Hz 輸出。像是 MEAN WELL 的 ISI-501-212B 逆變器等產品，就可接受 12 V_DC 輸入，同時提供 450 W 的正弦波輸出，且總諧波失真 (THD) <3%，AC 調節為 ±3%。

在圖 1 所示的設置中，逆變器可當作 MPPT 光電充電器運作，具有鉛酸電池所需的恆定電流和恆定電壓充電特性。MEAN WELL 裝置提供高達 30 A 的充電電流，MPPT 電壓範圍介於 25 V 至 50 V，能為開放式或密封式鉛酸電池補充電力。

什麼是 MPPT？

MPPT 會搭配光電板等可變電源使用，以隨著條件改變發揮最大的能源擷取效果。PV 電池在陽光通量、陰影、光電板溫度和負載的電氣特性影響下會有不同的電力傳輸效率，MPPT 可針對此問題克服相關困境。隨著條件變化，提供最高電力傳輸的負載特性 (阻抗) 也會有所改變。當負載特性以最高效率維持電力傳輸時 (即最大功率點，MPP)，系統就可達到最佳化。MPPT 是隨條件變化而調整負載特性以達到 MPP 的過程。

大多數現代 MPPT 可在轉換過程中提供大約 93% 至 97% 的效率。MEAN WELL 的 ISI-501-212B 典型轉換效率為 98%。

ISI-501-212B 的 MPPT 充電器輸出可利用光電板的輸出對離網電力系統的電池充電。方法是使用指定的恆定電流／恆定電壓充電曲線，其採用 MPPT 來確保最大的電池容量並達到最大的電池充電循環次數 (圖 2)。浮動階段會讓電池保持在接近滿電量的水準，以避免自放電。

圖 2：採用 MPPT 的恆定電流／恆定電壓充電曲線，可將電池容量最佳化，同時達到最大的電池充電循環次數。(圖片來源：MEAN WELL)

正弦波 AC 電壓的重要性

雖然 ISI-501-212B 的 MPPT 充電器是關鍵，但它只是離網電力系統的一部分。例如，要將鉛酸或鋰離子電池的電力轉換成家電所需的 AC 電壓，就需要 DC/AC 逆變。此類電器必須用正弦波 AC 電壓供電，以免遭到功率因數校正等電氣難題。

DC/AC 逆變器會使用全橋電路和脈寬調變 (PWM) 等控制電路來達到此目標。將全橋和 PWM 結合，就可產生近似正弦波的平均電壓。PWM 通常由一個或多個微控制器單元 (MCU) 控制，且會改變脈衝的寬度，以產生近似正弦波的平均電壓。若要進一步降低諧波失真，則可採用電感電容 (LC) 濾波，其可平滑波形並產生更清晰的正弦波。

舉例而言，MEAN WELL 的 NTN-5K-148 連續逆變器就使用 MCU 來產生 THD <3% 的正弦波 (圖 3)。

圖 3：NTN-5K-148 連續逆變器使用 MCU 來產生正弦波 AC 輸出且 THD <3%。(圖片來源：MEAN WELL)

單一尺寸皆適用

透過光電板，MEAN WELL 的 ISI-501-212B 逆變器和 NTN-5K-148 連續逆變器能讓設計人員打造完整的離網系統，但連續逆變器不僅能達到這些。開發人員可在一件產品中，加入電池充電用的 AC/DC 充電、電器供電所需的 DC/AC 逆變，以及 AC 旁路單元。

NTN-5K-148 需要 48 V 輸入，並可產生 110 V_AC 輸出。可以連續提供 4,000 W 功率，峰值效率為 93%。隸屬於 MEAN WELL 的 NTN-5K 系列成員，有多種款式。例如，NTN-5K-2380 是一款高度可靠的離網正弦波 DC/AC 電源逆變器，內建 AC 充電器和 UPS 功能 (AC 旁路)。主要特點包括具有 MCU 控制的數位設計、可快速應對環境變化並提高可靠性的流線型控制電路、低噪音的高品質風扇、5,000 W 連續輸出，以及以 380 V_DC 輸入提供 230 V_AC 輸出。峰值效率為 94.5% (圖 4)。

圖 4：NTN-5K-2380 是一款離網正弦波 DC/AC 電源逆變器，並內建 AC 充電器和 UPS 功能 (AC 旁路)。能以 380 V_DC 輸入提供 5,000 W 和 230 V_AC 的連續輸出。(圖片來源：MEAN WELL)

NTN-5K 系列適用於住宅、商業、航海、汽車、礦業、建築工地，以及沒有市電的偏遠地區 (圖 5)。此系列具有內建主動均流功能，最多能與 6 台裝置並聯連接，以提供更高的 AC 輸出功率。

圖 5：NTN-5K 的典型居家應用。(圖片來源：MEAN WELL)

結論

離網電力系統之所以有吸引力，是因為可提供獨立性。但此類系統在安裝和配置上較為複雜。MEAN WELL 的連續逆變器採用整合式 AC/DC 充電、DC/AC 逆變和 AC 旁路單元，因此能簡化離網電源和電池充電，並降低相關成本。NTN-5K 系列充電器／逆變器就是例子之一，可處理離網家用電源和電池充電所需的功能。