V současné době je čínský fotovoltaický systém výroby energie převážně stejnosměrným systémem, který nabíjí elektrickou energii generovanou solární baterií a baterie přímo dodává energii do zátěže. Například solární systém domácího osvětlení v severozápadní Číně a systém napájení mikrovlnných stanic daleko od sítě jsou všechny stejnosměrné systémy. Tento typ systému má jednoduchou strukturu a nízké náklady. Vzhledem k různým stejnosměrným napětím zátěže (například 12 V, 24 V, 48 V atd.) je však obtížné dosáhnout standardizace a kompatibility systému, zejména pro civilní napájení, protože většina střídavých zátěží používá stejnosměrný proud. Pro fotovoltaické zdroje je obtížné vstoupit na trh jako komodita a dodávat elektřinu. Kromě toho se fotovoltaická výroba energie nakonec dostane do provozu připojeného k síti, což vyžaduje vyspělý tržní model. V budoucnu se střídavé fotovoltaické systémy výroby energie stanou hlavním proudem ve výrobě fotovoltaické energie.
Požadavky fotovoltaického systému pro výrobu energie pro napájení střídačem
Fotovoltaický systém pro výrobu energie využívající střídavý proud se skládá ze čtyř částí: fotovoltaického pole, regulátoru nabíjení a vybíjení, baterie a střídače (systém pro výrobu energie připojený k síti obecně dokáže baterii šetřit), přičemž střídač je klíčovou součástí. Fotovoltaika má na střídače vyšší požadavky:
1. Je vyžadována vysoká účinnost. Vzhledem k současné vysoké ceně solárních článků je nutné se snažit zlepšit účinnost střídače, aby se maximalizovalo využití solárních článků a zlepšila účinnost systému.
2. Je vyžadována vysoká spolehlivost. V současné době se fotovoltaické systémy pro výrobu energie používají hlavně v odlehlých oblastech a mnoho elektráren je bez dozoru a údržby. To vyžaduje, aby střídač měl rozumnou strukturu obvodu, přísný výběr součástek a aby měl různé ochranné funkce, jako je ochrana proti přepólování vstupního stejnosměrného proudu, ochrana proti zkratu na výstupu střídavého proudu, ochrana proti přehřátí, ochrana proti přetížení atd.
3. Vstupní stejnosměrné napětí musí mít široký rozsah adaptace. Protože se svorkové napětí baterie mění se zátěží a intenzitou slunečního záření, ačkoliv baterie má na napětí baterie důležitý vliv, napětí baterie kolísá se změnou zbývající kapacity a vnitřního odporu baterie. Zejména při stárnutí baterie se její svorkové napětí značně mění. Například svorkové napětí 12V baterie se může pohybovat od 10 V do 16 V. To vyžaduje, aby střídač pracoval s větším stejnosměrným napětím, aby se zajistil normální provoz v rozsahu vstupního napětí a stabilita výstupního střídavého napětí.
4. U systémů pro výrobu energie ze střední a velké kapacity fotovoltaiky by měl být výstup střídače sinusový s menším zkreslením. Je to proto, že u systémů se střední a velkou kapacitou, pokud se použije obdélníkový výkon, bude výstup obsahovat více harmonických složek a vyšší harmonické budou generovat další ztráty. Mnoho systémů pro výrobu energie ze střední a velké kapacity je zatíženo komunikačními nebo přístrojovými zařízeními. Tato zařízení mají vyšší požadavky na kvalitu elektrické sítě. Pokud jsou systémy pro výrobu energie ze střední a velké kapacity fotovoltaiky připojeny k síti, musí střídač také vydávat sinusový proud, aby se zabránilo znečištění veřejné sítě.
Měnič převádí stejnosměrný proud na střídavý proud. Pokud je napětí stejnosměrného proudu nízké, je zesíleno transformátorem střídavého proudu, aby se dosáhlo standardního střídavého napětí a frekvence. U velkokapacitních měničů obvykle kvůli vysokému napětí na stejnosměrné sběrnici není pro zvýšení výstupního střídavého proudu na 220 V nutný transformátor. U měničů se střední a malou kapacitou je stejnosměrné napětí relativně nízké, například 12 V. Pro 24 V je nutné navrhnout zesilovací obvod. Měniče se střední a malou kapacitou obvykle zahrnují obvody měničů typu push-pull, měniče s plným můstkem a vysokofrekvenční zesilovací měniče. Obvody typu push-pull připojují neutrální zástrčku zesilovacího transformátoru ke kladnému pólu napájení a dvě výkonové elektronky pracují střídavě a vydávají střídavý proud. Výstupní střídavý proud je způsoben tím, že výkonové tranzistory jsou připojeny ke společné zemi, řídicí a ovládací obvody jsou jednoduché a transformátor má určitou svodovou indukčnost, což omezuje zkratový proud, čímž se zlepšuje spolehlivost obvodu. Nevýhodou je nízké využití transformátoru a nízká schopnost řídit indukční zátěže.
Obvod s plným můstkem a invertorem překonává nedostatky obvodu push-pull. Výkonový tranzistor upravuje šířku výstupního impulsu a efektivní hodnota výstupního střídavého napětí se odpovídajícím způsobem mění. Protože obvod má volnoběhovou smyčku, nedochází ke zkreslení průběhu výstupního napětí ani při indukční zátěži. Nevýhodou tohoto obvodu je, že výkonové tranzistory horního a dolního ramene nesdílejí zem, takže je nutné použít samostatný budicí obvod nebo izolovaný zdroj napájení. Aby se zabránilo společnému vedení horního a dolního ramene můstku, musí být obvod navržen tak, aby se dal vypnout a poté zapnout, tj. musí být nastavena mrtvá doba, a struktura obvodu je složitější.
Výstup push-pull obvodu a můstkového obvodu musí být opatřen zvyšujícím transformátorem. Vzhledem k tomu, že zvyšující transformátor má velké rozměry, nízkou účinnost a je dražší, s rozvojem výkonové elektroniky a mikroelektronické technologie se k dosažení reverzního směru používá technologie vysokofrekvenční zvyšující konverze. To umožňuje realizovat měnič s vysokou hustotou výkonu. Přední zesilovací obvod tohoto měniče využívá push-pull strukturu, ale pracovní frekvence je nad 20 kHz. Zesilovací transformátor používá vysokofrekvenční magnetické jádro, takže je malý a lehký. Po vysokofrekvenční inverzi se pomocí vysokofrekvenčního transformátoru převádí na vysokofrekvenční střídavý proud a poté se pomocí vysokofrekvenčního usměrňovacího filtru získá vysokofrekvenční stejnosměrný proud (obvykle nad 300 V) a poté se invertuje pomocí obvodu výkonového frekvenčního měniče.
Díky této struktuře obvodu se výrazně zvýší výkon střídače, odpovídajícím způsobem se sníží ztráty naprázdno a zlepší se účinnost. Nevýhodou tohoto obvodu je jeho složitost a nižší spolehlivost než u výše uvedených dvou obvodů.
Řídicí obvod měniče
Hlavní obvody výše uvedených měničů musí být realizovány pomocí řídicího obvodu. Obecně existují dvě metody řízení: obdélníková a kladná a slabá vlna. Obvod napájení měniče s obdélníkovým výstupem je jednoduchý, levný, ale s nízkou účinností a vysokým obsahem harmonických složek. Sinusový výstup je vývojovým trendem měničů. S rozvojem mikroelektronické technologie se objevily i mikroprocesory s funkcemi PWM. Proto technologie měničů se sinusovým výstupem dospěla.
1. Měniče s obdélníkovým výstupem v současnosti většinou používají integrované obvody s pulzně šířkovou modulací, jako například SG 3 525, TL 494 atd. Praxe ukázala, že použití integrovaných obvodů SG3525 a použití výkonových FETů jako spínaných výkonových komponent může dosáhnout relativně vysokého výkonu a ceny měničů. Protože SG3525 má schopnost přímo řídit výkonové FETy a má interní referenční zdroj, operační zesilovač a funkci ochrany proti podpětí, jeho periferní obvod je velmi jednoduchý.
2. Řídicí integrovaný obvod střídače se sinusovým výstupem. Řídicí obvod střídače se sinusovým výstupem může být řízen mikroprocesorem, jako je 80 C 196 MC od společnosti INTEL Corporation nebo Motorola Company, MP 16 a PI C 16 C 73 od společnosti MI-CRO CHIP Company atd. Tyto jednočipové počítače mají více PWM generátorů a mohou nastavovat horní a horní můstkové rameno. Během doby nečinnosti se k realizaci sinusového výstupního obvodu použije 80 C 196 MC od společnosti INTEL, 80 C 196 MC dokončí generování sinusového signálu a detekuje výstupní střídavé napětí pro dosažení stabilizace napětí.
Výběr výkonových zařízení v hlavním obvodu měniče
Výběr hlavních výkonových komponentůstřídačje velmi důležité. V současné době patří mezi nejpoužívanější výkonové komponenty Darlingtonovy výkonové tranzistory (BJT), výkonové tranzistory řízené polem (MOS-F ET), tranzistory s izolovanou hradlou (IGB). T) a vypínací tyristory (GTO) atd. Nejpoužívanějšími součástkami v nízkonapěťových systémech s malou kapacitou jsou MOS FET, protože MOS FET má nižší úbytek napětí v zapnutém stavu a vyšší spínací frekvenci. IGBT se obecně používá ve vysokonapěťových a velkokapacitních systémech. Je to proto, že odpor MOS FET v zapnutém stavu se zvyšuje se zvyšujícím se napětím a IGBT má větší výhodu ve středněkapacitních systémech, zatímco v systémech s velmi velkou kapacitou (nad 100 kVA) se GTO obvykle používají jako výkonové komponenty.
Čas zveřejnění: 21. října 2021
