หลักการและการประยุกต์ใช้อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

ในปัจจุบันระบบการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ของจีนส่วนใหญ่เป็นระบบ DC ซึ่งคือการชาร์จพลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานโดยตรงให้กับโหลด ตัวอย่างเช่นระบบไฟส่องสว่างของครัวเรือนสุริยะในภาคตะวันตกเฉียงเหนือของจีนและระบบแหล่งจ่ายไฟสถานีไมโครเวฟที่อยู่ห่างจากกริดเป็นระบบ DC ทั้งหมด ระบบประเภทนี้มีโครงสร้างที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตามเนื่องจากแรงดันไฟฟ้า DC โหลดที่แตกต่างกัน (เช่น 12V, 24V, 48V ฯลฯ ) จึงเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุมาตรฐานและความเข้ากันได้ของระบบโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับพลังงานพลเรือนเนื่องจากโหลด AC ส่วนใหญ่ใช้กับพลังงาน DC มันเป็นเรื่องยากสำหรับแหล่งจ่ายไฟเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อจัดหากระแสไฟฟ้าเพื่อเข้าสู่ตลาดเป็นสินค้า นอกจากนี้การผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะบรรลุการดำเนินการที่เชื่อมต่อแบบกริดซึ่งในที่สุดจะต้องนำรูปแบบการตลาดที่เป็นผู้ใหญ่มาใช้ ในอนาคตระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ AC จะกลายเป็นกระแสหลักของการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ข้อกำหนดของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์

ระบบการสร้างพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์โดยใช้เอาต์พุตพลังงาน AC ประกอบด้วยสี่ส่วน: อาร์เรย์โซลาร์เซลล์, คอนโทรลเลอร์การชาร์จและการปลดปล่อย, แบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ (ระบบการสร้างพลังงานที่เชื่อมต่อกับกริดโดยทั่วไปสามารถประหยัดแบตเตอรี่) และอินเวอร์เตอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญ เซลล์แสงอาทิตย์มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับอินเวอร์เตอร์:

1. จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากราคาสูงของเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบันเพื่อเพิ่มการใช้เซลล์แสงอาทิตย์และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบจึงจำเป็นต้องพยายามปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์

2. จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือสูง ในปัจจุบันระบบการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่จะใช้ในพื้นที่ห่างไกลและสถานีพลังงานจำนวนมากไม่ได้รับการดูแลและบำรุงรักษา สิ่งนี้ต้องการให้อินเวอร์เตอร์มีโครงสร้างวงจรที่สมเหตุสมผลการเลือกส่วนประกอบที่เข้มงวดและกำหนดให้อินเวอร์เตอร์มีฟังก์ชั่นการป้องกันที่หลากหลายเช่นการป้องกันการเชื่อมต่อขั้ว DC อินพุต

3. แรงดันไฟฟ้าอินพุต DC จำเป็นต้องมีการปรับตัวที่หลากหลาย เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเทอร์มินัลของแบตเตอรี่เปลี่ยนไปตามภาระและความเข้มของแสงแดดแม้ว่าแบตเตอรี่จะมีผลกระทบที่สำคัญต่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ แต่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จึงผันผวนเมื่อการเปลี่ยนแปลงความจุที่เหลืออยู่ของแบตเตอรี่และความต้านทานภายใน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้นแรงดันไฟฟ้าเทอร์มินัลจะแตกต่างกันอย่างกว้างขวาง ตัวอย่างเช่นแรงดันไฟฟ้าเทอร์มินัลของแบตเตอรี่ 12 V อาจแตกต่างกันไปจาก 10 V ถึง 16 V ซึ่งต้องการให้อินเวอร์เตอร์ทำงานที่ DC ที่ใหญ่กว่าจะช่วยให้การทำงานปกติภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและตรวจสอบความคงตัวของแรงดันเอาต์พุต AC

4. ในระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดกลางและความจุขนาดใหญ่การส่งออกของแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ควรเป็นคลื่นไซน์ที่มีการบิดเบือนน้อยลง นี่เป็นเพราะในระบบขนาดกลางและความจุขนาดใหญ่หากใช้พลังงานคลื่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสเอาต์พุตจะมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกมากขึ้นและฮาร์โมนิกที่สูงขึ้นจะสร้างการสูญเสียเพิ่มเติม ระบบการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จำนวนมากเต็มไปด้วยอุปกรณ์สื่อสารหรือเครื่องมือวัด อุปกรณ์มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นเกี่ยวกับคุณภาพของกริดพลังงาน เมื่อระบบการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขนาดกลางและขนาดใหญ่เชื่อมต่อกับกริดเพื่อหลีกเลี่ยงมลพิษทางพลังงานด้วยกริดสาธารณะอินเวอร์เตอร์จะต้องใช้ในการส่งออกกระแสคลื่นไซน์

อินเวอร์เตอร์แปลงกระแสไฟฟ้าโดยตรงเป็นกระแสสลับกัน หากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่ำจะถูกเพิ่มขึ้นโดยหม้อแปลงกระแสสลับเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและความถี่ในปัจจุบันที่สลับกัน สำหรับอินเวอร์เตอร์ความจุขนาดใหญ่เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบัส DC สูงเอาต์พุต AC โดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็น 220V ในอินเวอร์เตอร์ขนาดกลางและขนาดเล็กแรงดันไฟฟ้า DC ค่อนข้างต่ำเช่น 12V สำหรับ 24V ต้องออกแบบวงจรเพิ่ม โดยทั่วไปแล้วอินเวอร์เตอร์ความจุขนาดกลางและขนาดเล็กรวมถึงวงจรอินเวอร์เตอร์แบบพุชดึงวงจรอินเวอร์เตอร์บริดจ์เต็มรูปแบบและวงจรอินเวอร์เตอร์เพิ่มความถี่สูง วงจรแบบพุชดึงเชื่อมต่อปลั๊กที่เป็นกลางของหม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มเข้ากับแหล่งจ่ายไฟที่เป็นบวกและท่อพลังงานสองงานสลับงานเอาท์พุทไฟ AC เนื่องจากทรานซิสเตอร์พลังงานเชื่อมต่อกับพื้นดินทั่วไปไดรฟ์และวงจรควบคุมจึงง่ายและเนื่องจากหม้อแปลงมีการเหนี่ยวนำการรั่วไหลบางอย่าง ข้อเสียคือการใช้หม้อแปลงต่ำและความสามารถในการขับเคลื่อนโหลดอุปนัยนั้นไม่ดี
วงจรอินเวอร์เตอร์ Full-Bridge จะเอาชนะข้อบกพร่องของวงจร push-pull ทรานซิสเตอร์พลังงานจะปรับความกว้างของพัลส์เอาท์พุทและค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้า AC เอาท์พุทจะเปลี่ยนไปตามลำดับ เนื่องจากวงจรมีห่วงฟรีแม้กระทั่งสำหรับโหลดอุปนัยรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทจะไม่บิดเบือน ข้อเสียของวงจรนี้คือทรานซิสเตอร์พลังงานของแขนด้านบนและล่างไม่ได้แบ่งปันพื้นดินดังนั้นวงจรไดรฟ์เฉพาะหรือแหล่งจ่ายไฟที่แยกได้จะต้องใช้ นอกจากนี้เพื่อป้องกันไม่ให้การนำแขนสะพานบนและล่างทั่วไปวงจรจะต้องได้รับการออกแบบให้ปิดและเปิดอยู่นั่นคือเวลาตายจะต้องตั้งค่าและโครงสร้างวงจรมีความซับซ้อนมากขึ้น

เอาต์พุตของวงจรพุชดึงและวงจรเต็มสะพานจะต้องเพิ่มหม้อแปลงแบบ step-up เนื่องจากหม้อแปลงแบบ step-up มีขนาดใหญ่มีประสิทธิภาพต่ำและมีราคาแพงกว่าด้วยการพัฒนาพลังงานอิเล็กทรอนิกส์พลังงานและเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์เทคโนโลยีการแปลงขั้นสูงความถี่สูงจึงใช้เพื่อให้ได้ย้อนกลับสามารถตระหนักถึงอินเวอร์เตอร์ความหนาแน่นพลังงานสูง วงจรเพิ่มเวทีด้านหน้าของวงจรอินเวอร์เตอร์นี้ใช้โครงสร้างแบบพุชแบบพุช แต่ความถี่ในการทำงานสูงกว่า 20kHz Boost Transformer ใช้วัสดุแกนแม่เหล็กความถี่สูงดังนั้นจึงมีขนาดเล็กและมีน้ำหนักเบา หลังจากการผกผันความถี่สูงมันจะถูกแปลงเป็นกระแสสลับความถี่สูงผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าความถี่สูงและจากนั้นกระแสไฟฟ้าโดยตรงแรงดันสูง (โดยทั่วไปสูงกว่า 300V) จะได้รับผ่านวงจรตัวกรองเครื่องกรองความถี่สูง

ด้วยโครงสร้างของวงจรนี้พลังของอินเวอร์เตอร์ได้รับการปรับปรุงอย่างมากการสูญเสียแบบไม่มีโหลดของอินเวอร์เตอร์จะลดลงอย่างสอดคล้องกันและประสิทธิภาพก็ดีขึ้น ข้อเสียของวงจรคือวงจรมีความซับซ้อนและความน่าเชื่อถือต่ำกว่าสองวงจรข้างต้น

วงจรควบคุมของวงจรอินเวอร์เตอร์

วงจรหลักของอินเวอร์เตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นทั้งหมดจำเป็นต้องรับรู้โดยวงจรควบคุม โดยทั่วไปมีวิธีการควบคุมสองวิธี: คลื่นสี่เหลี่ยมและคลื่นบวกและคลื่นอ่อนแอ วงจรแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาท์พุทคลื่นสี่เหลี่ยมนั้นง่ายราคาต่ำ แต่มีประสิทธิภาพต่ำและมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกขนาดใหญ่ - Sine Wave Output เป็นแนวโน้มการพัฒนาของอินเวอร์เตอร์ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีฟังก์ชั่น PWM ก็ออกมาเช่นกัน ดังนั้นเทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์สำหรับเอาต์พุตคลื่นไซน์ได้ครบกำหนดแล้ว

1. อินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสส่วนใหญ่ใช้วงจรรวมการปรับความกว้างพัลส์เช่น SG 3 525, TL 494 และอื่น ๆ การฝึกฝนได้พิสูจน์แล้วว่าการใช้วงจรรวม SG3525 และการใช้พลังงาน FET เป็นส่วนประกอบการสลับพลังงานสามารถบรรลุประสิทธิภาพและอินเวอร์เตอร์ราคาค่อนข้างสูง เนื่องจาก SG3525 มีความสามารถในการขับเคลื่อนความสามารถในการขับเคลื่อนพลังงานโดยตรงและมีแหล่งอ้างอิงภายในและแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการและฟังก์ชั่นการป้องกันแรงดันไฟฟ้าต่ำดังนั้นวงจรส่วนปลายจึงง่ายมาก

2. วงจรการควบคุมอินเวอร์เตอร์แบบรวมกับเอาต์พุตคลื่นไซน์วงจรควบคุมของอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นไซน์สามารถควบคุมได้โดยไมโครโปรเซสเซอร์เช่น 80 C 196 MC ที่ผลิตโดย Intel Corporation และผลิตโดย บริษัท โมโตโรล่า MP 16 และ PI C 16 C 73 ผลิตโดย Mi-Cro Chip Company ฯลฯ คอมพิวเตอร์ชิปเดี่ยวเหล่านี้มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า PWM หลายตัวและสามารถตั้งแขนสะพานบนและบน ในช่วงเวลาตายใช้ 80 C 196 MC ของ Intel Company เพื่อตระหนักถึงวงจรเอาท์พุท Sine Wave, 80 C 196 MC เพื่อทำให้การสร้างสัญญาณคลื่นไซน์เสร็จสมบูรณ์

การเลือกอุปกรณ์พลังงานในวงจรหลักของอินเวอร์เตอร์

ตัวเลือกของส่วนประกอบพลังงานหลักของอินเวอร์เตอร์เป็นสิ่งสำคัญมาก ปัจจุบันส่วนประกอบพลังงานที่ใช้มากที่สุด ได้แก่ Darlington Power Transistors (BJT), ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามไฟฟ้า (MOS-F ET), ทรานซิสเตอร์เกตฉนวน (IGB) t) และ turn-off thyristor (GTO) ฯลฯ อุปกรณ์ที่ใช้มากที่สุดในระบบแรงดันไฟฟ้าต่ำที่มีความจุน้อยคือ MOS FET เนื่องจาก MOS FET มีแรงดันไฟฟ้าลดลงในสถานะที่ต่ำกว่า นี่เป็นเพราะความต้านทานต่อรัฐของ MOS FET เพิ่มขึ้นเมื่อการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าและ IG BT อยู่ในระบบความจุขนาดกลางจะได้เปรียบมากขึ้นในขณะที่ระบบความจุสูง (สูงกว่า 100 kVA) โดยทั่วไป GTOs จะใช้เป็นส่วนประกอบพลังงาน