Наразі система виробництва фотоелектричної енергії в Китаї є переважно системою постійного струму, яка заряджає електроенергію, що виробляється сонячною батареєю, а батарея безпосередньо постачає живлення на навантаження. Наприклад, система сонячного освітлення для дому на північному заході Китаю та система живлення мікрохвильових станцій, розташованих далеко від мережі, – це системи постійного струму. Цей тип системи має просту структуру та низьку вартість. Однак через різну напругу постійного струму навантаження (наприклад, 12 В, 24 В, 48 В тощо) важко досягти стандартизації та сумісності системи, особливо для цивільного енергопостачання, оскільки більшість навантажень змінного струму використовуються з постійним струмом. Фотоелектричним джерелам живлення важко постачати електроенергію, щоб вийти на ринок як товар. Крім того, фотоелектричне виробництво енергії зрештою досягне роботи, підключеної до мережі, що потребує прийняття зрілої ринкової моделі. У майбутньому системи виробництва фотоелектричної енергії змінного струму стануть основним напрямком виробництва фотоелектричної енергії.
Вимоги до фотоелектричної системи виробництва енергії для інверторного живлення
Система генерації фотоелектричної енергії, що використовує вихід змінного струму, складається з чотирьох частин: фотоелектричної панелі, контролера заряду та розряду, акумулятора та інвертора (система генерації електроенергії, підключена до мережі, зазвичай може економити заряд акумулятора), причому інвертор є ключовим компонентом. Фотоелектричні системи мають вищі вимоги до інверторів:
1. Потрібна висока ефективність. Через високу ціну сонячних елементів на даний момент, для максимального використання сонячних елементів та підвищення ефективності системи необхідно спробувати підвищити ефективність інвертора.
2. Потрібна висока надійність. Наразі фотоелектричні системи виробництва електроенергії використовуються переважно у віддалених районах, і багато електростанцій не обслуговуються та не потребують обслуговування. Це вимагає від інвертора розумної схеми, суворого вибору компонентів та наявності різних захисних функцій, таких як захист від перевищення полярності вхідного постійного струму, захист від короткого замикання на виході змінного струму, перегріву, перевантаження тощо.
3. Вхідна напруга постійного струму повинна мати широкий діапазон адаптації. Оскільки напруга на клемах акумулятора змінюється залежно від навантаження та інтенсивності сонячного світла, хоча акумулятор має важливий вплив на напругу акумулятора, вона коливається залежно від зміни залишкової ємності та внутрішнього опору акумулятора. Напруга на клемах акумулятора значно змінюється, особливо коли акумулятор старіє. Наприклад, напруга на клемах 12-вольтового акумулятора може коливатися від 10 до 16 В. Це вимагає, щоб інвертор працював на більшій постійній напрузі, щоб забезпечити нормальну роботу в діапазоні вхідної напруги та стабільність вихідної напруги змінного струму.
4. У фотоелектричних системах середньої та великої потужності вихідний сигнал інверторного джерела живлення повинен мати синусоїдальну форму з меншими спотвореннями. Це пояснюється тим, що в системах середньої та великої потужності, якщо використовується прямокутна хвиля, вихідний сигнал міститиме більше гармонійних складових, а вищі гармоніки генеруватимуть додаткові втрати. Багато фотоелектричних систем генерації електроенергії завантажені комунікаційним або контрольно-вимірювальним обладнанням. Обладнання має вищі вимоги до якості електромережі. Коли фотоелектричні системи генерації електроенергії середньої та великої потужності підключені до мережі, щоб уникнути забруднення електроенергією від загальної мережі, інвертор також повинен видавати синусоїдальний струм.
Інвертор перетворює постійний струм у змінний. Якщо напруга постійного струму низька, вона підвищується трансформатором змінного струму для отримання стандартної напруги та частоти змінного струму. Для інверторів великої потужності, через високу напругу шини постійного струму, вихідна напруга змінного струму зазвичай не потребує трансформатора для підвищення напруги до 220 В. В інверторах середньої та малої потужності напруга постійного струму відносно низька, наприклад, 12 В. Для 24 В необхідно розробити схему підвищення. Інвертори середньої та малої потужності зазвичай включають схеми двотактних інверторів, схеми повного мосту інверторів та схеми високочастотних підвищувальних інверторів. Двотактні схеми підключають нейтральний штекер підвищувального трансформатора до позитивного джерела живлення, а дві силові лампи працюють по черзі, виходячи зі змінного струму, оскільки силові транзистори підключені до загальної землі, схеми керування та управління прості, а оскільки трансформатор має певну індуктивність витоку, він може обмежувати струм короткого замикання, тим самим підвищуючи надійність схеми. Недоліком є низьке використання трансформатора та низька здатність керувати індуктивними навантаженнями.
Схема повного мостового інвертора долає недоліки двотактної схеми. Силовий транзистор регулює ширину вихідного імпульсу, і ефективне значення вихідної змінної напруги змінюється відповідно. Оскільки схема має контур вільного ходу, навіть для індуктивних навантажень форма хвилі вихідної напруги не буде спотворена. Недоліком цієї схеми є те, що силові транзистори верхнього та нижнього плечей мосту не мають спільної землі, тому необхідно використовувати спеціальну схему керування або ізольоване джерело живлення. Крім того, щоб запобігти спільній провідності верхнього та нижнього плечей мосту, схема повинна бути спроектована так, щоб її можна було вимикати, а потім вмикати, тобто потрібно встановити час затримки, а структура схеми є складнішою.
Вихід двотактної схеми та повно-мостової схеми потребує додавання підвищувального трансформатора. Оскільки підвищувальний трансформатор має великі розміри, низьку ефективність та більшу вартість, з розвитком силової електроніки та мікроелектроніки для досягнення зворотного обертання використовується технологія високочастотного підвищувального перетворення. Це дозволяє реалізувати інвертор з високою щільністю потужності. Схема підвищення фронтального каскаду цієї схеми інвертора має двотактну структуру, але робоча частота перевищує 20 кГц. Підвищувальний трансформатор виготовлений з високочастотного магнітного осердя, тому він має невеликі розміри та вагу. Після високочастотної інверсії він перетворюється на високочастотний змінний струм через високочастотний трансформатор, а потім через високочастотний випрямний фільтр отримується постійний струм високої напруги (зазвичай понад 300 В), а потім інвертується через схему інвертора потужності.
Завдяки такій структурі схеми потужність інвертора значно покращується, відповідно зменшуються втрати холостого ходу інвертора та підвищується ефективність. Недоліком цієї схеми є її складність та нижча надійність, ніж у двох вищезгаданих схем.
Схема керування інверторною схемою
Основні схеми вищезгаданих інверторів повинні бути реалізовані за допомогою схеми керування. Зазвичай існує два методи керування: прямокутна хвиля та позитивна та слабка хвиля. Схема живлення інвертора з прямокутною хвилею є простою, низькою вартістю, але низькою ефективністю та великим вмістом гармонійних складових. Синусоїдальна хвиля є тенденцією розвитку інверторів. З розвитком мікроелектроніки також з'явилися мікропроцесори з функціями ШІМ. Таким чином, технологія інверторів для синусоїдальної виходи досягла певного прогресу.
1. Інвертори з прямокутним виходом наразі переважно використовують інтегральні схеми з широтно-імпульсною модуляцією, такі як SG 3 525, TL 494 тощо. Практика довела, що використання інтегральних схем SG3525 та використання силових польових транзисторів як імпульсних силових компонентів може забезпечити відносно високу продуктивність та ціну інверторів. Оскільки SG3525 має здатність безпосередньо керувати силовими польовими транзисторами, має внутрішнє джерело опорної напруги, операційний підсилювач та функцію захисту від зниження напруги, його периферійна схема дуже проста.
2. Інтегральна схема керування інвертором із синусоїдальним виходом. Схема керування інвертором із синусоїдальним виходом може керуватися мікропроцесором, таким як 80 C 196 MC виробництва INTEL Corporation та Motorola Company, MP 16 та PI C 16 C 73 виробництва MI-CRO CHIP Company тощо. Ці однокристальні комп'ютери мають кілька ШІМ-генераторів і можуть встановлювати верхні плечі мосту та верхній міст. Під час часу затримки використовується 80 C 196 MC компанії INTEL для реалізації схеми синусоїдального виходу, 80 C 196 MC для завершення генерації синусоїдального сигналу та виявлення вихідної змінної напруги для досягнення стабілізації напруги.
Вибір силових пристроїв у головному колі інвертора
Вибір основних силових компонентівінверторце дуже важливо. Наразі до найбільш використовуваних силових компонентів належать силові транзистори Дарлінгтона (BJT), силові польові транзистори (MOS-F ET), транзистори з ізольованим затвором (IGB). T) та тиристори з вимкненням (GTO) тощо. Найбільш використовуваними пристроями в низьковольтних системах малої ємності є MOS FET, оскільки MOS FET має менше падіння напруги у ввімкненому стані та вищу частоту перемикання. IG BT зазвичай використовується у високовольтних та великовольтних системах. Це пояснюється тим, що опір MOS FET у ввімкненому стані збільшується зі збільшенням напруги, і IG BT має більшу перевагу в системах середньої ємності, тоді як у системах надвеликої ємності (понад 100 кВА) GTO зазвичай використовуються як силові компоненти.
Час публікації: 21 жовтня 2021 р.
