หลักการและการใช้งานอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

ปัจจุบัน ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ของจีนเป็นระบบ DC เป็นหลัก ซึ่งก็คือการชาร์จพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ และแบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานโดยตรงให้กับโหลด ตัวอย่างเช่น ระบบไฟส่องสว่างโซลาร์เซลล์ในครัวเรือนในภาคตะวันตกเฉียงเหนือของจีนและระบบจ่ายไฟสถานีไมโครเวฟที่อยู่ห่างจากกริดล้วนเป็นระบบ DC ระบบประเภทนี้มีโครงสร้างเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้า DC ของโหลดที่แตกต่างกัน (เช่น 12V, 24V, 48V เป็นต้น) จึงยากที่จะบรรลุมาตรฐานและความเข้ากันได้ของระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับพลังงานสำหรับพลเรือน เนื่องจากโหลด AC ส่วนใหญ่ใช้กับพลังงาน DC เป็นเรื่องยากที่แหล่งจ่ายไฟโซลาร์เซลล์จะจ่ายไฟฟ้าเพื่อเข้าสู่ตลาดเป็นสินค้าโภคภัณฑ์ นอกจากนี้ การผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะบรรลุการทำงานที่เชื่อมต่อกับกริดในที่สุด ซึ่งต้องใช้แบบจำลองตลาดที่ครบถ้วนสมบูรณ์ ในอนาคต ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ AC จะกลายเป็นกระแสหลักของการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ข้อกำหนดของระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สำหรับแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์

ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับประกอบด้วยสี่ส่วน ได้แก่ แผงโซลาร์เซลล์ ตัวควบคุมการชาร์จและการปล่อยประจุ แบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ (ระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับกริดโดยทั่วไปจะช่วยประหยัดแบตเตอรี่ได้) และอินเวอร์เตอร์เป็นส่วนประกอบสำคัญ โซลาร์เซลล์มีข้อกำหนดสำหรับอินเวอร์เตอร์ที่สูงกว่า:

1. ต้องมีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์มีราคาสูง เพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากเซลล์แสงอาทิตย์ให้ได้สูงสุดและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ จึงจำเป็นต้องพยายามปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์

2. จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือสูง ในปัจจุบัน ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ใช้ในพื้นที่ห่างไกล และโรงไฟฟ้าหลายแห่งไม่ได้รับการดูแลและบำรุงรักษา ดังนั้น อินเวอร์เตอร์จะต้องมีโครงสร้างวงจรที่เหมาะสม การเลือกส่วนประกอบที่เข้มงวด และต้องมีฟังก์ชันการป้องกันต่างๆ เช่น การป้องกันการเชื่อมต่อขั้ว DC อินพุต การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรเอาต์พุต AC ความร้อนสูงเกินไป การป้องกันไฟเกิน เป็นต้น

3. แรงดันไฟฟ้าขาเข้า DC จำเป็นต้องมีช่วงการปรับตัวที่กว้าง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงไปตามโหลดและความเข้มของแสงแดด แม้ว่าแบตเตอรี่จะมีผลสำคัญต่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ แต่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะผันผวนตามการเปลี่ยนแปลงของความจุที่เหลือและความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้น แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของแบตเตอรี่ 12 V อาจเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 10 V ถึง 16 V ซึ่งต้องใช้อินเวอร์เตอร์ในการทำงานที่ DC ที่ใหญ่กว่า ให้แน่ใจว่าการทำงานปกติภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าขาออก AC มีเสถียรภาพ

4. ในระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่มีความจุปานกลางและขนาดใหญ่ เอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ควรเป็นคลื่นไซน์ที่มีการบิดเบือนน้อยกว่า เนื่องจากในระบบที่มีความจุปานกลางและขนาดใหญ่ หากใช้พลังงานคลื่นสี่เหลี่ยม เอาต์พุตจะมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกมากขึ้น และฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติม ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จำนวนมากมีอุปกรณ์สื่อสารหรือเครื่องมือวัดมากมาย อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อกำหนดด้านคุณภาพของโครงข่ายไฟฟ้าที่สูงกว่า เมื่อระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่มีความจุปานกลางและขนาดใหญ่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า เพื่อหลีกเลี่ยงมลภาวะทางไฟฟ้าจากโครงข่ายไฟฟ้าสาธารณะ อินเวอร์เตอร์จะต้องส่งออกกระแสคลื่นไซน์ด้วย

อินเวอร์เตอร์แปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ หากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่ำ จะได้รับการเสริมกำลังโดยหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและความถี่กระแสสลับมาตรฐาน สำหรับอินเวอร์เตอร์ที่มีความจุขนาดใหญ่ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบัส DC สูง โดยทั่วไปแล้วเอาต์พุต AC ไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็น 220V ในอินเวอร์เตอร์ที่มีความจุขนาดกลางและขนาดเล็ก แรงดันไฟฟ้า DC ค่อนข้างต่ำ เช่น 12V สำหรับ 24V จะต้องออกแบบวงจรเพิ่ม อินเวอร์เตอร์ที่มีความจุขนาดกลางและขนาดเล็กโดยทั่วไปประกอบด้วยวงจรอินเวอร์เตอร์แบบพุช-พูล วงจรอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์ และวงจรอินเวอร์เตอร์เพิ่มความถี่สูง วงจรพุช-พูลเชื่อมต่อปลั๊กนิวทรัลของหม้อแปลงเพิ่มแรงดันกับแหล่งจ่ายไฟบวก และหลอดไฟสองหลอดทำงานสลับกัน เอาต์พุตกระแสไฟฟ้า AC เนื่องจากทรานซิสเตอร์กำลังเชื่อมต่อกับกราวด์ทั่วไป วงจรขับเคลื่อนและควบคุมนั้นเรียบง่าย และเนื่องจากหม้อแปลงมีค่าเหนี่ยวนำรั่วไหลในระดับหนึ่ง จึงสามารถจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้ จึงปรับปรุงความน่าเชื่อถือของวงจร ข้อเสียคือการใช้หม้อแปลงต่ำและความสามารถในการขับโหลดเหนี่ยวนำไม่ดี
วงจรอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์ช่วยแก้ไขข้อบกพร่องของวงจรพุช-พูล ทรานซิสเตอร์กำลังปรับความกว้างของพัลส์เอาต์พุต และค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเอาต์พุตจะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เนื่องจากวงจรมีลูปฟรีวีล แม้แต่สำหรับโหลดเหนี่ยวนำ รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะไม่ผิดเพี้ยน ข้อเสียของวงจรนี้คือทรานซิสเตอร์กำลังของแขนบนและแขนล่างไม่แบ่งปันกราวด์ ดังนั้นจึงต้องใช้วงจรไดรฟ์เฉพาะหรือแหล่งจ่ายไฟแยก นอกจากนี้ เพื่อป้องกันการนำไฟฟ้าร่วมกันของแขนบนและแขนล่างของบริดจ์ จำเป็นต้องออกแบบวงจรให้ปิดแล้วเปิดใหม่ นั่นคือ จะต้องตั้งเวลาปิด และโครงสร้างวงจรจะซับซ้อนมากขึ้น

เอาต์พุตของวงจรพุช-พูลและวงจรฟูลบริดจ์ต้องเพิ่มหม้อแปลงเพิ่มแรงดัน เนื่องจากหม้อแปลงเพิ่มแรงดันมีขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพต่ำ และมีราคาแพงกว่า ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังและไมโครอิเล็กทรอนิกส์ จึงใช้เทคโนโลยีการแปลงเพิ่มแรงดันความถี่สูงเพื่อให้เกิดการย้อนกลับ สามารถสร้างอินเวอร์เตอร์ความหนาแน่นพลังงานสูงได้ วงจรบูสต์สเตจด้านหน้าของวงจรอินเวอร์เตอร์นี้ใช้โครงสร้างพุช-พูล แต่ความถี่ในการทำงานอยู่เหนือ 20KHz หม้อแปลงบูสต์ใช้แกนแม่เหล็กความถี่สูง จึงมีขนาดเล็กและมีน้ำหนักเบา หลังจากการกลับความถี่สูงแล้ว จะแปลงเป็นกระแสสลับความถี่สูงผ่านหม้อแปลงความถี่สูง จากนั้นจึงรับกระแสตรงแรงดันสูง (โดยทั่วไปสูงกว่า 300V) ผ่านวงจรตัวกรองเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าความถี่สูง จากนั้นจึงกลับแรงดันผ่านวงจรอินเวอร์เตอร์ความถี่ไฟฟ้า

ด้วยโครงสร้างวงจรนี้ ทำให้กำลังของอินเวอร์เตอร์ดีขึ้นอย่างมาก การสูญเสียพลังงานของอินเวอร์เตอร์ขณะไม่มีโหลดลดลงตามไปด้วย และประสิทธิภาพก็ดีขึ้นด้วย ข้อเสียของวงจรคือ วงจรมีความซับซ้อนและความน่าเชื่อถือต่ำกว่าวงจรทั้งสองข้างต้น

วงจรควบคุมวงจรอินเวอร์เตอร์

วงจรหลักของอินเวอร์เตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นทั้งหมดจำเป็นต้องทำโดยวงจรควบคุม โดยทั่วไปมีวิธีการควบคุมสองวิธี ได้แก่ คลื่นสี่เหลี่ยมและคลื่นบวกและคลื่นอ่อน วงจรจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมนั้นเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ แต่มีประสิทธิภาพต่ำและมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกจำนวนมาก เอาต์พุตคลื่นไซน์เป็นแนวโน้มการพัฒนาของอินเวอร์เตอร์ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีฟังก์ชั่น PWM ก็ออกมาเช่นกัน ดังนั้น เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์สำหรับเอาต์พุตคลื่นไซน์จึงเติบโตเต็มที่

1. อินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้วงจรรวมมอดูเลตความกว้างพัลส์ เช่น SG 3 525, TL 494 เป็นต้น การปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่าการใช้วงจรรวม SG3525 และการใช้ FET กำลังไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบของพลังงานสวิตชิ่งสามารถทำให้อินเวอร์เตอร์มีประสิทธิภาพและราคาค่อนข้างสูง เนื่องจาก SG3525 มีความสามารถในการขับเคลื่อน FET กำลังไฟฟ้าโดยตรง ความสามารถและมีแหล่งอ้างอิงภายในและแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการและฟังก์ชันการป้องกันแรงดันไฟต่ำ ดังนั้นวงจรต่อพ่วงจึงเรียบง่ายมาก

2. วงจรรวมควบคุมอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นไซน์ วงจรควบคุมอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นไซน์สามารถควบคุมโดยไมโครโปรเซสเซอร์ เช่น 80 C 196 MC ที่ผลิตโดย INTEL Corporation และผลิตโดยบริษัท Motorola MP 16 และ PI C 16 C 73 ที่ผลิตโดยบริษัท MI-CRO CHIP เป็นต้น คอมพิวเตอร์ชิปเดียวเหล่านี้มีเครื่องกำเนิด PWM หลายตัว และสามารถตั้งค่าแขนสะพานบนและบนได้ ในช่วงเวลาที่ไม่ทำงาน ให้ใช้ 80 C 196 MC ของบริษัท INTEL เพื่อสร้างวงจรเอาต์พุตคลื่นไซน์ 80 C 196 MC เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นไซน์ให้เสร็จสมบูรณ์ และตรวจจับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต AC เพื่อรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า

การเลือกใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าในวงจรหลักของอินเวอร์เตอร์

การเลือกใช้ส่วนประกอบพลังงานหลักของอินเวอร์เตอร์มีความสำคัญมาก ในปัจจุบัน ส่วนประกอบกำลังไฟฟ้าที่ใช้มากที่สุด ได้แก่ ทรานซิสเตอร์กำลังไฟฟ้าดาร์ลิงตัน (BJT) ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามไฟฟ้า (MOS-F ET) ทรานซิสเตอร์เกตฉนวน (IGB) และไทริสเตอร์ปิด (GTO) เป็นต้น อุปกรณ์ที่ใช้มากที่สุดในระบบแรงดันต่ำที่มีความจุขนาดเล็กคือ MOS FET เนื่องจาก MOS FET มีแรงดันตกคร่อมสถานะเปิดที่ต่ำกว่าและความถี่การสลับของ IG BT มักใช้ในระบบแรงดันสูงและความจุขนาดใหญ่ เนื่องจากความต้านทานสถานะเปิดของ MOS FET เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า และ IG BT ในระบบความจุปานกลางมีข้อได้เปรียบมากกว่า ในขณะที่ในระบบความจุขนาดใหญ่พิเศษ (มากกว่า 100 kVA) GTO มักใช้เป็นส่วนประกอบกำลังไฟฟ้า