Trenutno je kitajski fotovoltaični sistem za proizvodnjo energije v glavnem enosmerni sistem, ki polni električno energijo, ki jo ustvari sončna baterija, in baterija neposredno napaja obremenitev. Na primer, sistemi sončne razsvetljave za gospodinjstva na severozahodu Kitajske in sistemi za napajanje mikrovalovnih postaj, ki so daleč od omrežja, so vsi enosmerni sistemi. Ta vrsta sistema ima preprosto strukturo in nizke stroške. Vendar pa je zaradi različnih enosmernih napetosti obremenitev (kot so 12 V, 24 V, 48 V itd.) težko doseči standardizacijo in združljivost sistema, zlasti za civilno napajanje, saj se večina obremenitev z izmeničnim tokom uporablja z enosmernim tokom. Fotovoltaični napajalniki težko dobavljajo električno energijo, da bi vstopili na trg kot blago. Poleg tega bo fotovoltaična proizvodnja energije sčasoma dosegla delovanje, povezano z omrežjem, kar mora sprejeti zrel tržni model. V prihodnosti bodo fotovoltaični sistemi za proizvodnjo energije z izmeničnim tokom postali glavni del proizvodnje fotovoltaične energije.
Zahteve fotovoltaičnega sistema za proizvodnjo energije za napajanje z inverterjem
Fotovoltaični sistem za proizvodnjo energije z izmeničnim tokom je sestavljen iz štirih delov: fotovoltaične celice, krmilnika polnjenja in praznjenja, baterije in razsmernika (sistem za proizvodnjo energije, priključen na omrežje, lahko na splošno prihrani baterijo), pri čemer je razsmernik ključna komponenta. Fotovoltaika ima višje zahteve za razsmernike:
1. Zahtevana je visoka učinkovitost. Zaradi trenutne visoke cene sončnih celic je treba za čim boljši izkoristek sončnih celic in izboljšanje učinkovitosti sistema poskušati izboljšati učinkovitost razsmernika.
2. Zahtevana je visoka zanesljivost. Trenutno se fotovoltaični sistemi za proizvodnjo energije uporabljajo predvsem na oddaljenih območjih, številne elektrarne pa so brez nadzora in vzdrževane. To zahteva, da ima razsmernik razumno strukturo vezja, strogo izbiro komponent in različne zaščitne funkcije, kot so zaščita vhodne enosmerne polaritete, zaščita kratkega stika na izmeničnem izhodu, zaščita pred pregrevanjem, zaščita pred preobremenitvijo itd.
3. Vhodna enosmerna napetost mora imeti širok razpon prilagajanja. Ker se napetost na sponkah baterije spreminja glede na obremenitev in intenzivnost sončne svetlobe, čeprav ima baterija pomemben vpliv na napetost baterije, napetost baterije niha s spremembo preostale kapacitete in notranjega upora baterije. Še posebej, ko se baterija stara, se njena napetost na sponkah zelo spreminja. Na primer, napetost na sponkah 12-voltne baterije se lahko giblje od 10 V do 16 V. To zahteva, da pretvornik deluje pri večjem enosmernem toku, da se zagotovi normalno delovanje znotraj območja vhodne napetosti in stabilnost izhodne izmenične napetosti.
4. V sistemih za proizvodnjo energije s srednje in veliko zmogljivostjo mora biti izhod napajanja razsmernika sinusni val z manj popačenja. To je zato, ker bo v sistemih s srednje in veliko zmogljivostjo, če se uporablja moč kvadratnega vala, izhod vseboval več harmonskih komponent, višji harmoniki pa bodo povzročili dodatne izgube. Številni sistemi za proizvodnjo energije s fotovoltaiko so obremenjeni s komunikacijsko ali instrumentalno opremo. Oprema ima višje zahteve glede kakovosti električnega omrežja. Ko so sistemi za proizvodnjo energije s srednje in veliko zmogljivostjo priključeni na omrežje, mora razsmernik, da bi se izognili onesnaževanju z električno energijo iz javnega omrežja, oddajati tudi sinusni tok.
Razsmernik pretvarja enosmerni tok v izmenični tok. Če je napetost enosmernega toka nizka, jo transformator izmeničnega toka poveča, da doseže standardno napetost in frekvenco izmeničnega toka. Pri razsmernikih z veliko zmogljivostjo zaradi visoke napetosti enosmernega vodila izhodna izmenična napetost običajno ne potrebuje transformatorja za povečanje napetosti na 220 V. Pri razsmernikih s srednjo in majhno zmogljivostjo je enosmerna napetost relativno nizka, na primer 12 V. Za 24 V je treba zasnovati vezje za povečanje napetosti. Razsmerniki s srednjo in majhno zmogljivostjo običajno vključujejo vezja potisnega inverterja, vezja s polnim mostom in vezja za povečanje napetosti z visoko frekvenco. Potisna vezja povezujejo nevtralni vtič potisnega transformatorja s pozitivnim polom napajanja in dve napajalni elektronki izmenično delujejo, izhodna izmenična napetost pa je posledica preprostega pogonskega in krmilnega vezja, saj ima transformator določeno induktivnost puščanja, kar lahko omeji kratkostični tok in s tem izboljša zanesljivost vezja. Slabost je nizka izkoriščenost transformatorja in slaba sposobnost krmiljenja induktivnih bremen.
Vezje polnega mostu inverterja premaga pomanjkljivosti push-pull vezja. Močnostni tranzistor prilagaja širino izhodnega impulza in efektivna vrednost izhodne izmenične napetosti se ustrezno spreminja. Ker ima vezje prostotečno zanko, se valovna oblika izhodne napetosti ne popači niti pri induktivnih obremenitvah. Slabost tega vezja je, da močnostni tranzistorji zgornjega in spodnjega mostu nimajo skupne ozemljitve, zato je treba uporabiti namensko pogonsko vezje ali izoliran napajalnik. Poleg tega je treba za preprečitev skupne prevodnosti zgornjega in spodnjega mostu vezje zasnovati tako, da se izklopi in nato vklopi, torej nastaviti mrtvi čas, struktura vezja pa je bolj zapletena.
Izhod push-pull vezja in polnega mostu mora imeti dodan stopenjski transformator. Ker je stopenjski transformator velik, ima nizko učinkovitost in je dražji, se z razvojem močnostne elektronike in mikroelektronske tehnologije za doseganje povratnega toka uporablja tehnologija visokofrekvenčne stopenjske pretvorbe. To omogoča doseganje visoke gostote moči inverterja. Sprednje vezje za povečanje napetosti tega inverterskega vezja uporablja push-pull strukturo, vendar je delovna frekvenca nad 20 kHz. Stopenjski transformator uporablja visokofrekvenčni magnetni material jedra, zato je majhen in lahek. Po visokofrekvenčni inverziji se prek visokofrekvenčnega transformatorja pretvori v visokofrekvenčni izmenični tok, nato pa se prek visokofrekvenčnega usmerniškega filtrirnega vezja dobi visokonapetostni enosmerni tok (običajno nad 300 V), ki se nato invertira prek vezja frekvenčnega inverterja.
S to strukturo vezja se moč pretvornika močno izboljša, izguba prostega teka pretvornika se ustrezno zmanjša in učinkovitost se izboljša. Slabost vezja je, da je vezje zapleteno in zanesljivost nižja kot pri zgornjih dveh vezjih.
Krmilno vezje inverterskega vezja
Glavna vezja zgoraj omenjenih pretvornikov morajo biti realizirana s krmilnim vezjem. Na splošno obstajata dve metodi krmiljenja: pravokotni val ter pozitivni in šibki val. Vezje napajanja pretvornika s pravokotnim izhodnim valom je preprosto, poceni, vendar z nizko učinkovitostjo in veliko harmoničnih komponent. Sinusni izhodni val je razvojni trend pretvornikov. Z razvojem mikroelektronske tehnologije so se pojavili tudi mikroprocesorji s PWM funkcijami. Zato je tehnologija pretvornikov za sinusni izhodni val dozorela.
1. Pretvorniki s pravokotnim izhodom trenutno večinoma uporabljajo integrirana vezja s pulzno-širinsko modulacijo, kot so SG3525, TL494 in tako naprej. Praksa je pokazala, da lahko uporaba integriranih vezij SG3525 in uporaba močnostnih FET-ov kot stikalnih močnostnih komponent doseže relativno visoko zmogljivost in ceno pretvornikov. Ker ima SG3525 možnost neposrednega krmiljenja močnostnih FET-ov, ima notranji referenčni vir, operacijski ojačevalnik in funkcijo zaščite pred prenizko napetostjo, je njegovo periferno vezje zelo preprosto.
2. Integrirano vezje za krmiljenje inverterja s sinusnim izhodom. Krmilno vezje inverterja s sinusnim izhodom lahko krmili mikroprocesor, kot je 80 C 196 MC, ki ga proizvaja INTEL Corporation, ali Motorola Company, MP 16 in PI C 16 C 73, ki ju proizvaja MI-CRO CHIP Company itd. Ti računalniki z enim čipom imajo več generatorjev PWM in lahko nastavijo zgornjo in zgornjo mostično roko. Med mrtvim časom se za realizacijo sinusnega izhodnega vezja uporabi INTEL-ov 80 C 196 MC, ki dokonča generiranje sinusnega signala in zazna izhodno izmenično napetost za dosego stabilizacije napetosti.
Izbira napajalnih naprav v glavnem vezju pretvornika
Izbira glavnih energetskih komponentpretvornikje zelo pomembno. Trenutno so najpogosteje uporabljene komponente za napajanje Darlingtonovi močnostni tranzistorji (BJT), močnostni tranzistorji s poljskim efektom (MOS-F ET), tranzistorji z izoliranimi vrati (IGB). T) in izklopni tiristorji (GTO) itd. Najpogosteje uporabljene naprave v nizkonapetostnih sistemih z majhno zmogljivostjo so MOS FET, ker imajo MOS FET manjši padec napetosti v vklopljenem stanju in višjo preklopno frekvenco. IG BT se običajno uporablja v visokonapetostnih in sistemih z veliko zmogljivostjo. To je zato, ker se upornost MOS FET v vklopljenem stanju povečuje z naraščanjem napetosti, IG BT pa ima v sistemih s srednjo zmogljivostjo večjo prednost, medtem ko se v sistemih z zelo veliko zmogljivostjo (nad 100 kVA) GTO običajno uporabljajo kot komponente za napajanje.
Čas objave: 21. oktober 2021
