V súčasnosti je čínsky fotovoltaický systém výroby energie prevažne jednosmerný, ktorý nabíja elektrickú energiu vyrobenú solárnou batériou a batéria priamo dodáva energiu do záťaže. Napríklad solárny systém domáceho osvetlenia v severozápadnej Číne a systém napájania mikrovlnných staníc ďaleko od siete sú všetky jednosmerné systémy. Tento typ systému má jednoduchú štruktúru a nízke náklady. Avšak kvôli rôznym jednosmerným napätiam záťaže (napríklad 12 V, 24 V, 48 V atď.) je ťažké dosiahnuť štandardizáciu a kompatibilitu systému, najmä pre civilné napájanie, pretože väčšina striedavých záťaží sa používa na jednosmerný prúd. Pre fotovoltaické zdroje je ťažké vstúpiť na trh ako komodita dodávať elektrinu. Okrem toho sa fotovoltaická výroba energie nakoniec dostane do prevádzky pripojenej k sieti, čo si vyžaduje zavedenie zrelého trhového modelu. V budúcnosti sa systémy na výrobu energie striedavým fotovoltaickým systémom stanú hlavným prúdom vo výrobe fotovoltaickej energie.
Požiadavky fotovoltaického systému na výrobu energie pre invertorové napájanie
Fotovoltaický systém na výrobu energie využívajúci striedavý prúd pozostáva zo štyroch častí: fotovoltaického poľa, regulátora nabíjania a vybíjania, batérie a meniča (systém na výrobu energie pripojený k sieti môže vo všeobecnosti šetriť batériu), pričom menič je kľúčovou súčasťou. Fotovoltaika má vyššie požiadavky na meniče:
1. Vyžaduje sa vysoká účinnosť. Vzhľadom na súčasnú vysokú cenu solárnych článkov je potrebné snažiť sa zlepšiť účinnosť meniča, aby sa maximalizovalo využitie solárnych článkov a zlepšila sa účinnosť systému.
2. Vyžaduje sa vysoká spoľahlivosť. V súčasnosti sa fotovoltaické systémy na výrobu energie používajú hlavne v odľahlých oblastiach a mnohé elektrárne sú bez dozoru a údržby. To si vyžaduje, aby menič mal rozumnú štruktúru obvodu, prísny výber komponentov a aby menič mal rôzne ochranné funkcie, ako je ochrana pripojenia vstupného jednosmerného prúdu proti zmene polarity, ochrana proti skratu na výstupe striedavého prúdu, ochrana proti prehriatiu, ochrana proti preťaženiu atď.
3. Vstupné jednosmerné napätie musí mať široký rozsah prispôsobenia. Keďže sa svorkové napätie batérie mení so záťažou a intenzitou slnečného žiarenia, hoci batéria má významný vplyv na napätie batérie, napätie batérie kolíše so zmenou zostávajúcej kapacity a vnútorného odporu batérie. Najmä pri starnutí batérie sa jej svorkové napätie značne mení. Napríklad svorkové napätie 12 V batérie sa môže pohybovať od 10 V do 16 V. To vyžaduje, aby menič pracoval s vyšším jednosmerným napätím, aby sa zabezpečila normálna prevádzka v rámci rozsahu vstupného napätia a stabilita výstupného striedavého napätia.
4. V stredne a veľkokapacitných fotovoltaických systémoch na výrobu energie by mal byť výstup invertorového napájania sínusový s menším skreslením. Je to preto, že v stredne a veľkokapacitných systémoch, ak sa použije výkon s obdĺžnikovou vlnou, bude výstup obsahovať viac harmonických zložiek a vyššie harmonické budú generovať dodatočné straty. Mnohé fotovoltaické systémy na výrobu energie sú zaťažené komunikačnými alebo prístrojovými zariadeniami. Tieto zariadenia majú vyššie požiadavky na kvalitu elektrickej siete. Keď sú stredne a veľkokapacitné fotovoltaické systémy na výrobu energie pripojené k sieti, aby sa predišlo znečisteniu elektrickou energiou verejnou sieťou, musí invertor tiež vydávať sínusový prúd.
Menič premieňa jednosmerný prúd na striedavý prúd. Ak je napätie jednosmerného prúdu nízke, zosilní sa transformátorom striedavého prúdu, aby sa dosiahlo štandardné napätie a frekvencia striedavého prúdu. Pri meničoch s veľkou kapacitou, kvôli vysokému napätiu jednosmernej zbernice, výstup striedavého prúdu vo všeobecnosti nepotrebuje transformátor na zvýšenie napätia na 220 V. Pri meničoch so strednou a malou kapacitou je jednosmerné napätie relatívne nízke, napríklad 12 V. Pre 24 V musí byť navrhnutý zosilňovací obvod. Meniče so strednou a malou kapacitou zvyčajne zahŕňajú obvody meničov typu push-pull, obvody meničov s plným mostíkom a obvody meničov s vysokou frekvenciou. Obvody typu push-pull pripájajú neutrálny konektor zosilňovacieho transformátora ku kladnému napájaciemu zdroju a dve výkonové trubice pracujú striedavo a poskytujú striedavý výstupný striedavý prúd. Výkonové tranzistory sú pripojené k spoločnému uzemneniu, riadiace a riadiace obvody sú jednoduché a transformátor má určitú zvodovú indukčnosť, čo môže obmedziť skratový prúd, čím sa zlepší spoľahlivosť obvodu. Nevýhodou je nízke využitie transformátora a slabá schopnosť riadiť indukčné záťaže.
Obvod s plným mostíkom a invertorom prekonáva nedostatky push-pull obvodu. Výkonový tranzistor upravuje šírku výstupného impulzu a efektívna hodnota výstupného striedavého napätia sa zodpovedajúcim spôsobom mení. Pretože obvod má voľnobežnú slučku, ani pri indukčnej záťaži nie je priebeh výstupného napätia skreslený. Nevýhodou tohto obvodu je, že výkonové tranzistory horného a dolného ramena nezdieľajú zem, takže sa musí použiť samostatný budiaci obvod alebo izolovaný zdroj napájania. Okrem toho, aby sa zabránilo spoločnému vedeniu horného a dolného mostíkového ramena, musí byť obvod navrhnutý tak, aby sa dal vypnúť a potom zapnúť, t. j. musí sa nastaviť mŕtvy čas, a štruktúra obvodu je zložitejšia.
Výstup push-pull obvodu a plného mostíka musí obsahovať zvyšujúci transformátor. Pretože zvyšujúci transformátor má veľké rozmery, nízku účinnosť a je drahší, s rozvojom výkonovej elektroniky a mikroelektronickej technológie sa na dosiahnutie spätného chodu používa technológia vysokofrekvenčnej zvyšujúcej konverzie. To umožňuje realizovať menič s vysokou hustotou výkonu. Predzosilňovací obvod tohto meniča má push-pull štruktúru, ale pracovná frekvencia je nad 20 kHz. Zvyšujúci transformátor má vysokofrekvenčné magnetické jadro, takže je malý a ľahký. Po vysokofrekvenčnej inverzii sa pomocou vysokofrekvenčného transformátora premieňa na vysokofrekvenčný striedavý prúd a potom sa cez vysokofrekvenčný usmerňovací filtračný obvod získa vysokonapäťový jednosmerný prúd (zvyčajne nad 300 V) a následne sa invertuje cez obvod výkonového frekvenčného meniča.
Vďaka tejto štruktúre obvodu sa výrazne zvýši výkon meniča, zodpovedajúcim spôsobom sa znížia straty meniča naprázdno a zlepší sa účinnosť. Nevýhodou tohto obvodu je jeho zložitosť a nižšia spoľahlivosť ako u dvoch vyššie uvedených obvodov.
Riadiaci obvod invertora
Hlavné obvody vyššie uvedených meničov musia byť realizované pomocou riadiaceho obvodu. Vo všeobecnosti existujú dve metódy riadenia: obdĺžniková a kladná a slabá vlna. Obvod napájania meniča s obdĺžnikovým výstupom je jednoduchý, lacný, ale s nízkou účinnosťou a vysokým obsahom harmonických zložiek. Sínusový výstup je vývojovým trendom meničov. S rozvojom mikroelektronickej technológie sa objavili aj mikroprocesory s funkciami PWM. Preto technológia meničov so sínusovým výstupom dozrela.
1. Meniče s obdĺžnikovým výstupom v súčasnosti väčšinou používajú integrované obvody s pulzno-šírkovou moduláciou, ako napríklad SG 3 525, TL 494 atď. Prax ukázala, že použitie integrovaných obvodov SG3525 a použitie výkonových FET ako spínaných výkonových komponentov umožňuje dosiahnuť relatívne vysoký výkon a cenu meničov. Pretože SG3525 má schopnosť priamo riadiť výkonové FET a má interný referenčný zdroj, operačný zosilňovač a funkciu ochrany proti podpätiu, jeho periférny obvod je veľmi jednoduchý.
2. Riadiaci integrovaný obvod meniča so sínusovým výstupom. Riadiaci obvod meniča so sínusovým výstupom môže byť riadený mikroprocesorom, ako napríklad 80 C 196 MC od spoločnosti INTEL Corporation alebo od spoločnosti Motorola Company, MP 16 a PI C 16 C 73 od spoločnosti MI-CRO CHIP Company atď. Tieto jednočipové počítače majú viacero PWM generátorov a dokážu nastaviť horné a horné mostíkové ramená. Počas mŕtveho času sa na realizáciu sínusového výstupného obvodu použije 80 C 196 MC od spoločnosti INTEL, 80 C 196 MC na dokončenie generovania sínusového signálu a detekciu striedavého výstupného napätia na dosiahnutie stabilizácie napätia.
Výber výkonových zariadení v hlavnom obvode meniča
Výber hlavných výkonových komponentovmeničje veľmi dôležité. V súčasnosti medzi najpoužívanejšie výkonové komponenty patria Darlingtonove výkonové tranzistory (BJT), výkonové tranzistory riadené poľom (MOS-F ET), tranzistory s izolovanou hradlou (IGB). T) a vypínacie tyristory (GTO) atď. Najpoužívanejšími zariadeniami v nízkonapäťových systémoch s malou kapacitou sú MOS FET, pretože MOS FET má nižší úbytok napätia v zapnutom stave a vyššiu frekvenciu spínania IGBT sa všeobecne používa vo vysokonapäťových a veľkokapacitných systémoch. Je to preto, že odpor MOS FET v zapnutom stave sa zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím a IGBT má väčšiu výhodu v systémoch so strednou kapacitou, zatiaľ čo v systémoch s veľmi veľkou kapacitou (nad 100 kVA) sa GTO všeobecne používajú ako výkonové komponenty.
Čas uverejnenia: 21. októbra 2021
