Εν συντομία, η διαδικασία εργασίας ενός φωτοβολταϊκού μετατροπέα μπορεί να χωριστεί σε τρία βασικά στάδια:συλλογή ενέργειας και βελτιστοποίηση, Μετατροπή DC-AC, καιπλέγμα-συνδεδεμένο/απενεργοποιημένο-προσαρμογή δικτύου. Ακολουθεί μια λεπτομερής ανάλυση από τις προοπτικές των βασικών αρχών, των βασικών ενοτήτων και των βασικών τεχνολογιών:
I. Βασικοί Στόχοι Εργασίας
Τα χαρακτηριστικά εξόδου των φωτοβολταϊκών μονάδων είναι πολύ ευαίσθητα στον φωτισμό και τη θερμοκρασία, παρουσιάζοντας μια μη γραμμική σχέση μεταξύ τάσης εξόδου και ρεύματος. Επιπλέον, η απευθείας παραγόμενη ισχύς συνεχούς ρεύματος δεν μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο δίκτυο ή να οδηγήσει συμβατικά φορτία AC. Επομένως, ο μετατροπέας πρέπει να επιτύχει δύο βασικούς στόχους:
Μεγιστοποιήστε την ισχύ εξόδου: Παρακολουθήστε το σημείο μέγιστης ισχύος εξόδου των φωτοβολταϊκών μονάδων σε πραγματικό χρόνο μέσω της τεχνολογίας MPPT για να βελτιώσετε την απόδοση παραγωγής ενέργειας όσο το δυνατόν περισσότερο.
Κυματομορφή και συγχρονισμός: Μετατρέψτε την ισχύ συνεχούς ρεύματος σε ημιτονοειδή τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος που πληροί τα πρότυπα του δικτύου (με σταθερή τάση, συχνότητα και φάση με το ηλεκτρικό δίκτυο) για να διασφαλίσετε-την ασφάλεια που συνδέεται με το δίκτυο ή τη σταθερή λειτουργία των φορτίων εκτός-του δικτύου.
II. Βασική Διαδικασία Λειτουργίας Φωτοβολταϊκών Μετατροπέων
Λαμβάνοντας τα πιο συνηθισμένασυνδεδεμένοι στο δίκτυο-φ/β μετατροπείςΓια παράδειγμα, η συνολική διαδικασία εργασίας μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα βήματα:
Βήμα 1: Είσοδος και φιλτράρισμα DC (Πλάγια επεξεργασία DC-)
Η ισχύς εξόδου συνεχούς ρεύματος από τις σειρές/παράλληλες-συνδεδεμένες Φ/Β μονάδες δεν είναι απολύτως σταθερή, με κυματισμούς τάσης και διακυμάνσεις ρεύματος που προκαλούνται από αλλαγές φωτισμού και διαφορές στα χαρακτηριστικά της μονάδας.
Ο μετατροπέας συνδέεται πρώτα στο ρεύμα συνεχούς ρεύματος μέσω αΑσφάλεια DC(για προστασία από υπερένταση) και αDC απαγωγέας υπερτάσεων(για προστασία από υπερτάσεις).
Στη συνέχεια, ένα κύκλωμα φίλτρου που αποτελείται απόΠυκνωτές/επαγωγείς φίλτρου DCχρησιμοποιείται για την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της τάσης DC, παρέχοντας μια σταθερή είσοδο DC για το επόμενο στάδιο μετατροπής.
Βήμα 2: Μέγιστη παρακολούθηση σημείων ισχύος (MPPT)
Αυτός είναι ένας βασικός σύνδεσμος για τον μετατροπέα για τη βελτίωση της απόδοσης παραγωγής ενέργειας. Η βασική αρχή είναι η ανίχνευση της τάσης και του ρεύματος εξόδου των φωτοβολταϊκών μονάδων σε πραγματικό χρόνοαλγόριθμους ελέγχου, υπολογίστε την τρέχουσα ισχύ εξόδου και προσαρμόστε δυναμικά την τάση εισόδου συνεχούς ρεύματος του μετατροπέα για να διατηρήσετε τις φωτοβολταϊκές μονάδες να λειτουργούν στο σημείο της μέγιστης ισχύος εξόδου ανά πάσα στιγμή.
Κοινοί αλγόριθμοι MPPT: Διαταραχή και Παρατήρηση (P&O), Αυξητική αγωγιμότητα (INC). Μεταξύ αυτών, η μέθοδος της αυξητικής αγωγιμότητας έχει μεγαλύτερη ακρίβεια και είναι κατάλληλη για σενάρια με γρήγορες αλλαγές φωτισμού.
Μέθοδος υλοποίησης: Ρυθμίστε την τάση DC μέσω αΜετατροπέας DC-DC(όπως ένα κύκλωμα Boost step-up). Όταν η τάση εξόδου των φωτοβολταϊκών μονάδων είναι χαμηλή, το κύκλωμα Boost την ενισχύει σε τάση διαύλου DC κατάλληλη για αναστροφή (π.χ. δίαυλος DC 380 V που αντιστοιχεί σε έξοδο AC 380 V).
Βήμα 3:-Μετατροπή AC (Στάδιο αντιστροφής πυρήνα)
Αυτή είναι η βασική λειτουργία του μετατροπέα, ο οποίος ουσιαστικά μετατρέπει τη σταθερή ισχύ συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα παρόμοια με ένα ημιτονοειδές κύμα μέσω της λειτουργίας ενεργοποίησης- υψηλής συχνότηταςηλεκτρονικές συσκευές μεταγωγής ισχύος. Σύμφωνα με διαφορετικές τοπολογικές δομές, χωρίζεται κυρίως σεμονοφασικοί-μετατροπείς(για πολιτικές εφαρμογές χαμηλής-ισχύουσας ενέργειας) καιτριφασικοί-μετατροπείς(για βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές υψηλής ισχύος-), με συνεπείς βασικές αρχές:
Εναλλαγή συσκευών: Υιοθετούνται διπολικά τρανζίστορ με μόνωση πύλης (IGBT) ή Μεταλλικά-Οξείδιο-Ημιαγωγών Πεδίου-Τρανζίστορ εφέ (MOSFET), τα οποία είναι "ηλεκτρονικοί διακόπτες" για μετατροπή ισχύος και μπορούν να ολοκληρώσουν{{3}τον έλεγχο εκτός λειτουργίας εντός μικροδευτερόλεπτων.
Τοπολογία γέφυρας μετατροπέα: Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο είναι τοπλήρες-κύκλωμα μετατροπέα γέφυρας(με 4 συσκευές μεταγωγής για μονοφασικές-και 6 για τριφασικές-). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το μονοφασικό κύκλωμα-πλήρους-γέφυρας:
Οι έξοδοι του ελεγκτήΣήματα διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM).για τον έλεγχο της σειράς ενεργοποίησης-απενεργοποίησης και του κύκλου λειτουργίας των 4 IGBT.
Ρυθμίζοντας το πλάτος του παλμού, η έξοδος "παλμών τετραγώνου κύματος" από τις συσκευές μεταγωγής φιλτράρεται για να σχηματίσει ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος κοντά σε ένα ημιτονοειδές κύμα.
Φιλτράρισμα AC: Η ισχύς εναλλασσόμενου ρεύματος μετά την αναστροφή περιέχει αρμονικές-υψηλής συχνότητας, οι οποίες πρέπει να φιλτράρονται απόΚύκλωμα φίλτρου LCΑποτελείται από επαγωγείς και πυκνωτές φίλτρου εναλλασσόμενου ρεύματος για την απόκτηση καθαρής ημιτονοειδούς ισχύος AC.
Βήμα 4: Πλέγμα-συνδεδεμένο/Απενεργοποιημένο-Προσαρμογή και προστασία δικτύου (Επεξεργασία από την πλευρά AC)
1. Συνδεδεμένοι μετατροπείς στο δίκτυο-: Συγχρονισμός και σύνδεση δικτύου
Εάν ο μετατροπέας χρησιμοποιείται για συνδεδεμένη στο δίκτυο-παραγωγή ενέργειας, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι η ισχύς εναλλασσόμενου ρεύματος εξόδου είναιστην ίδια συχνότητα, φάση και τάσηως ηλεκτρικό δίκτυο:
Σε πραγματικό-χρόνο ανίχνευση της συχνότητας τάσης και της φάσης του δικτύου τροφοδοσίαςΦάση-Τεχνολογία κλειδωμένου βρόχου (PLL)., ρυθμίστε τη φάση και τη συχνότητα της εξόδου εναλλασσόμενου ρεύματος από τον μετατροπέα και επιτύχετε ακριβή συγχρονισμό με το ηλεκτρικό δίκτυο.
Συνδέστε στο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενόςΕπαφές AC, και διασφαλίστε την ασφάλεια του δικτύου-διαμέσουπροστασία νησίδας, προστασία υπέρτασης/υπότασης, προστασία υπερέντασης, προστασία συχνότητας, κ.λπ. (π.χ., όταν το ηλεκτρικό δίκτυο είναι εκτός ρεύματος, ο μετατροπέας πρέπει να σταματήσει να λειτουργεί αμέσως για να αποτρέψει το "φαινόμενο νησίδας" να θέσει σε κίνδυνο το προσωπικό συντήρησης).
2. Ανενεργοί-μετατροπείς δικτύου: Άμεση τροφοδοσία
Εάν ο μετατροπέας χρησιμοποιείται σε σύστημα εκτός δικτύου (π.χ. τροφοδοσία φωτοβολταϊκού ρεύματος σε απομακρυσμένες περιοχές), η φιλτραρισμένη ημιτονοειδής ισχύς εναλλασσόμενου ρεύματος παρέχεται απευθείας στα φορτία (π.χ. οικιακές συσκευές, βιομηχανικός εξοπλισμός). Εν τω μεταξύ, μπορεί να συνδυαστεί με μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας για να επιτευχθεί σταθερή ρύθμιση τάσης.
III. Κύριοι τύποι φωτοβολταϊκών μετατροπέων και τοπολογικές διαφορές
Διαφορετικοί τύποι μετατροπέων έχουν μικρές διαφορές στην τοπολογία του σταδίου αναστροφής και είναι κατάλληλοι για διαφορετικά σενάρια:
Κεντρικοί μετατροπείς(υψηλής-ισχύς, για βιομηχανική/εμπορική χρήση και φωτοβολταϊκούς σταθμούς):
Υιοθετώμετασχηματιστής συχνότητας ισχύος/μετασχηματιστής-υψηλής συχνότηταςτοπολογία. Ορισμένοι (μη-απομονωμένοι) τύποι χωρίς μετασχηματιστή επιτυγχάνουν απομόνωση μέσω πυκνωτών, με ισχύ που φτάνει αρκετά μεγαβάτ. Χαρακτηρίζονται από υψηλή ενσωμάτωση και άνετη λειτουργία και συντήρηση.
Μετατροπείς στοιχειοσειρών(μεσαίας και μικρής ισχύος, για οικιακή χρήση και κατανεμημένα φωτοβολταϊκά συστήματα):
Κάθε Φ/Β συμβολοσειρά είναι εξοπλισμένη με έναν ανεξάρτητο ελεγκτή MPPT και το στάδιο αναστροφής υιοθετεί μια πλήρη-τοπολογία γέφυρας. Μπορεί να παρακολουθεί το σημείο μέγιστης ισχύος κάθε χορδής ανεξάρτητα, προσαρμόζοντας τις διαφορές φωτισμού μεταξύ διαφορετικών χορδών (π.χ. σκίαση).
Microinverters(χαμηλής-ισχύς, για οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα):
Απευθείας εγκατεστημένο στο πίσω μέρος των φωτοβολταϊκών μονάδων, με έναν μικρομετατροπέα που αντιστοιχεί σε ένα δομοστοιχείο, πραγματοποιώντας "αναστροφή επιπέδου μονάδας-". Έχει την υψηλότερη ακρίβεια MPPT και είναι κατάλληλο για σύνθετα περιβάλλοντα φωτισμού.
IV. Βασικοί τεχνικοί δείκτες και επιπτώσεις στην απόδοση
Αποτελεσματικότητα αναστροφής: Οι μετατροπείς-υψηλής ποιότητας μπορούν να επιτύχουν μέγιστη απόδοση άνω του 98% (Ευρωπαϊκή απόδοση), η οποία εξαρτάται κυρίως από την απώλεια αγωγιμότητας των συσκευών μεταγωγής και την ακρίβεια παρακολούθησης του MPPT.
Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (THD): Οι συνδεδεμένοι μετατροπείς-του δικτύου απαιτούν THD μικρότερο ή ίσο με 5%. Όσο χαμηλότερο είναι το THD, τόσο πιο καθαρό είναι το ημιτονοειδές κύμα εξόδου και τόσο μικρότερη είναι η παρεμβολή στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Αποδοτικότητα MPPT: Γενικά απαιτείται να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 99%, το οποίο επηρεάζει άμεσα τη συνολική παραγωγή ενέργειας του φωτοβολταϊκού συστήματος.
Περίληψη
Η ουσία ενός φωτοβολταϊκού μετατροπέα είναι ναπραγματοποίηση μετατροπής φόρμας ισχύος μέσω διαμόρφωσης υψηλής-συχνότητας με τον πυρήνα των ηλεκτρονικών συσκευών μεταγωγής ισχύος, ενώ επιτυγχάνεται βελτιστοποίηση ισχύος και προσαρμογή δικτύου μέσω αλγορίθμων ελέγχου. Ο πυρήνας της αρχής λειτουργίας του έγκειται στα εξής:πραγματοποίηση βελτιστοποίησης ισχύος μέσω μετατροπέων DC-μετατροπών DC, επίτευξη μετατροπής συνεχούς ρεύματος-AC μέσω διαμορφωμένων γεφυρών μετατροπέα PWM-και διασφάλιση ασφαλούς σύνδεσης στο δίκτυο μέσω-κλειδωμένων βρόχων φάσης και κυκλωμάτων προστασίας. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά γρήγορης μεταγωγής της ηλεκτρονικής τεχνολογίας ισχύος, αλλά συνδυάζει επίσης την ακριβή ρύθμιση της θεωρίας ελέγχου, χρησιμεύοντας ως βασικός κρίκος για την αποτελεσματική χρήση της ισχύος σε φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας.
