Мета інвертора полягає в перетворенні постійної напруги на змінний сигнал, щоб подавати потужність у навантаження (наприклад, в електромережу) із заданою частотою та малим фазовим кутом (φ ≈0). Спрощена схема для однофазної уніполярної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) показана на рисунку2 (таку ж загальну схему можна поширити на трифазну систему). У цій схемі фотоелектрична система, що діє як джерело постійної напруги з певною індуктивністю джерела, формується в сигнал змінного струму через чотири IGBT-перемикачі, паралельно з'єднані з діодами вільного ходу. Ці перемикачі керуються на затворі за допомогою ШІМ-сигналу, який зазвичай є виходом ІС, що порівнює несучу хвилю (зазвичай синусоїду потрібної вихідної частоти) та опорну хвилю на значно вищій частоті (зазвичай трикутну хвилю 5-20 кГц). Вихід IGBT формується в сигнал змінного струму, придатний для використання або інжекції в мережу, шляхом застосування різних топологій LC-фільтрів.
Інвертори належать до великої групи статичних перетворювачів, до якої входять багато сучасних'пристрої, здатні«конвертувати«електричні параметри на вході, такі як напруга та частота, щоб отримати вихідний сигнал, сумісний з вимогами навантаження.
Загалом кажучи, інвертори – це пристрої, здатні перетворювати постійний струм на змінний, і вони досить поширені в промисловій автоматизації та електроприводах. Архітектура та конструкція різних типів інверторів змінюються залежно від кожного конкретного застосування, навіть якщо їхнє основне призначення однакове (перетворення постійного струму на змінний).
1. Автономні та мережеві інвертори
Інвертори, що використовуються у фотоелектричних системах, історично поділяються на дві основні категорії:
:Автономні інвертори
:Інвертори, підключені до мережі
Автономні інвертори призначені для застосувань, коли фотоелектрична установка не підключена до основної розподільчої мережі. Інвертор здатний постачати електроенергію до підключених навантажень, забезпечуючи стабільність основних електричних параметрів (напруги та частоти). Це підтримує їх у визначених межах, здатних витримувати тимчасові перевантаження. У цьому випадку інвертор поєднується з системою акумуляторного накопичення енергії, щоб забезпечити стабільне енергопостачання.
З іншого боку, підключені до мережі інвертори здатні синхронізуватися з електричною мережею, до якої вони підключені, оскільки в цьому випадку напруга та частота...«нав'язаний«від основної мережі. Ці інвертори повинні мати можливість відключення у разі виходу з ладу основної мережі, щоб уникнути будь-якого можливого зворотного живлення основної мережі, яке може становити серйозну небезпеку.
- Рисунок 1 – Приклад автономної системи та системи, підключеної до мережі. Зображення надано Biblus.
2. Яка роль шинного конденсатора
Рисунок 2: Однофазна імпульсна широтно-імпульсна модуляція (ШІМ)налаштування інвертора. IGBT-перемикачі разом із вихідним LC-фільтром формують вхідний сигнал постійного струму в придатний для використання сигнал змінного струму. Це індукуєшкідливі пульсації напруги на фотоелектричних клемах. ШинаРозмір конденсатора підібрано таким чином, щоб зменшити цю пульсацію.
Робота IGBT-транзисторів створює пульсації напруги на клемах фотоелектричного масиву. Ці пульсації шкідливі для роботи фотоелектричної системи, оскільки номінальна напруга, що подається на клеми, повинна підтримуватися в точці максимальної потужності (MPP) кривої IV, щоб отримати максимальну потужність. Пульсації напруги на клемах фотоелектричних елементів коливатимуть потужність, що виводиться з системи, що призведе до...
нижча середня вихідна потужність (Рисунок 3). До шини додано конденсатор для згладжування пульсацій напруги.
Рисунок 3: Пульсації напруги, що виникають на фотоелектричних клемах за допомогою схеми ШІМ-інвертора, зміщують прикладену напругу з точки максимальної потужності (MPP) фотоелектричного масиву. Це призводить до пульсацій вихідної потужності масиву, так що середня вихідна потужність нижча за номінальну MPP.
Амплітуда (від піку до піку) пульсацій напруги визначається частотою комутації, напругою фотоелектричних елементів, ємністю шини та індуктивністю фільтра відповідно до:
де:
VPV – це напруга постійного струму сонячної панелі,
Cbus – ємність конденсатора шини,
L – індуктивність фільтруючих котушок індуктивності,
fШІМ – частота перемикання.
Рівняння (1) застосовується до ідеального конденсатора, який запобігає протіканню заряду через конденсатор під час заряджання, а потім розряджає енергію, що знаходиться в електричному полі, без опору. Насправді, жоден конденсатор не є ідеальним (рис. 4), а складається з кількох елементів. Окрім ідеальної ємності, діелектрик не є ідеально резистивним, і невеликий струм витоку протікає від анода до катода вздовж скінченного шунтуючого опору (Rsh), минаючи діелектричну ємність (C). Коли через конденсатор протікає струм, контакти, фольга та діелектрик не є ідеально провідними, і послідовно з ємністю існує еквівалентний послідовний опір (ESR). Нарешті, конденсатор накопичує певну енергію в магнітному полі, тому послідовно з ємністю та ESR існує еквівалентна послідовна індуктивність (ESL).
Рисунок 4: Еквівалентна схема типового конденсатора. Конденсатор – цескладається з багатьох неідеальних елементів, включаючи діелектричну ємність (C), нескінченний шунтуючий опір через діелектрик, який обходить конденсатор, послідовний опір (ESR) та послідовну індуктивність (ESL).
Навіть у такому, здавалося б, простому компоненті, як конденсатор, існує кілька елементів, які можуть вийти з ладу або погіршитися. Кожен з цих елементів може впливати на поведінку інвертора, як на стороні змінного, так і на стороні постійного струму. Щоб визначити вплив деградації неідеальних компонентів конденсатора на пульсації напруги, що виникають на фотоелектричних клемах, за допомогою SPICE було змодельовано ШІМ-уніполярний H-мостовий інвертор (Рисунок 2). Фільтруючі конденсатори та індуктори мають ємність 250 мкФ та 20 мГн відповідно. SPICE-моделі для IGBT отримані з роботи Петрі та ін. ШІМ-сигнал, який керує IGBT-ключами, визначається компаратором та інвертуючою схемою компаратора для IGBT-ключів високої та низької сторін відповідно. Входами для ШІМ-керування є синусоїдальна несуча хвиля 9,5 В, 60 Гц та трикутна хвиля 10 В, 10 кГц.
- Рішення CRE
CRE — це високотехнологічне підприємство, що спеціалізується на виробництві плівкових конденсаторів, зосереджуючись на застосуванні силової електроніки.
CRE пропонує зріле рішення для серії плівкових конденсаторів для фотоелектричних інверторів, що включає ланку постійного струму, фільтр змінного струму та демпфер.
Час публікації: 01 грудня 2023 р.