หลักการและการประยุกต์ใช้อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

ปัจจุบัน ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ของจีนส่วนใหญ่เป็นระบบ DC ซึ่งทำหน้าที่ชาร์จพลังงานไฟฟ้าที่สร้างจากแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ และแบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานให้กับโหลดโดยตรง ตัวอย่างเช่น ระบบไฟส่องสว่างในครัวเรือนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในภาคตะวันตกเฉียงเหนือของจีน และระบบจ่ายไฟของสถานีไมโครเวฟที่อยู่ห่างไกลจากกริดล้วนเป็นระบบ DC ทั้งหมด ระบบประเภทนี้มีโครงสร้างเรียบง่ายและมีต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับโหลดที่แตกต่างกัน (เช่น 12V, 24V, 48V เป็นต้น) จึงเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุมาตรฐานและความเข้ากันได้ของระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกำลังไฟฟ้าพลเรือน เนื่องจากโหลดไฟฟ้ากระแสสลับส่วนใหญ่จะใช้กับไฟฟ้ากระแสตรง . เป็นเรื่องยากสำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่จะจ่ายไฟฟ้าเพื่อเข้าสู่ตลาดในฐานะสินค้าโภคภัณฑ์ นอกจากนี้ การผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะบรรลุการดำเนินการที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายในที่สุด ซึ่งจะต้องนำรูปแบบตลาดที่เติบโตเต็มที่มาใช้ ในอนาคต ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์กระแสสลับจะกลายเป็นกระแสหลักในการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ข้อกำหนดของระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สำหรับแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์

ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์โดยใช้เอาต์พุตไฟฟ้ากระแสสลับประกอบด้วยสี่ส่วน ได้แก่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ ตัวควบคุมการชาร์จและการคายประจุ แบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ (โดยทั่วไประบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับกริดสามารถประหยัดแบตเตอรี่ได้) และอินเวอร์เตอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญ ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์มีข้อกำหนดที่สูงกว่าสำหรับอินเวอร์เตอร์:

1. ต้องการประสิทธิภาพสูง เนื่องจากปัจจุบันโซลาร์เซลล์มีราคาสูง เพื่อที่จะเพิ่มการใช้โซลาร์เซลล์ให้เกิดประโยชน์สูงสุดและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ จึงจำเป็นต้องพยายามปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์

2. จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือสูง ในปัจจุบัน ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่จะใช้ในพื้นที่ห่างไกล และโรงไฟฟ้าหลายแห่งไม่มีการดูแลและบำรุงรักษา สิ่งนี้ต้องการให้อินเวอร์เตอร์มีโครงสร้างวงจรที่เหมาะสม การเลือกส่วนประกอบที่เข้มงวด และต้องการให้อินเวอร์เตอร์มีฟังก์ชันการป้องกันต่างๆ เช่น การป้องกันการเชื่อมต่อขั้ว DC อินพุต การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรเอาต์พุต AC ความร้อนสูงเกิน การป้องกันโอเวอร์โหลด ฯลฯ

3. จำเป็นต้องมีแรงดันไฟฟ้าขาเข้า DC เพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนได้หลากหลาย เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงไปตามโหลดและความเข้มของแสงแดด แม้ว่าแบตเตอรี่จะมีผลกระทบสำคัญต่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จึงผันผวนตามการเปลี่ยนแปลงความจุคงเหลือของแบตเตอรี่และความต้านทานภายใน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้น แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อของแบตเตอรี่ 12 V อาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 10 V ถึง 16 V ซึ่งกำหนดให้อินเวอร์เตอร์ทำงานที่ DC ที่ใหญ่กว่า ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการทำงานปกติภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต และรับประกันความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต AC

4. ในระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ความจุปานกลางและขนาดใหญ่ เอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ควรเป็นคลื่นไซน์ที่มีการบิดเบือนน้อยกว่า เนื่องจากในระบบที่มีความจุปานกลางและขนาดใหญ่ หากใช้พลังงานคลื่นสี่เหลี่ยม เอาท์พุตจะมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกมากกว่า และฮาร์โมนิคที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติม ระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จำนวนมากเต็มไปด้วยอุปกรณ์สื่อสารหรือเครื่องมือวัด อุปกรณ์ดังกล่าวมีข้อกำหนดด้านคุณภาพของโครงข่ายไฟฟ้าที่สูงขึ้น เมื่อระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ความจุปานกลางและขนาดใหญ่เชื่อมต่อกับโครงข่าย เพื่อหลีกเลี่ยงมลพิษทางไฟฟ้าด้วยโครงข่ายสาธารณะ อินเวอร์เตอร์ยังจำเป็นต้องส่งออกกระแสคลื่นไซน์ด้วย

อินเวอร์เตอร์แปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ หากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่ำ จะถูกเสริมด้วยหม้อแปลงกระแสสลับเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและความถี่กระแสสลับมาตรฐาน สำหรับอินเวอร์เตอร์ที่มีความจุสูง เนื่องจากแรงดันบัส DC สูง โดยทั่วไปเอาต์พุต AC จึงไม่จำเป็นต้องมีหม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็น 220V ในอินเวอร์เตอร์ขนาดกลางและขนาดเล็ก แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงค่อนข้างต่ำ เช่น 12V สำหรับ 24V จะต้องออกแบบวงจรบูสต์ โดยทั่วไปอินเวอร์เตอร์ความจุขนาดกลางและขนาดเล็กประกอบด้วยวงจรอินเวอร์เตอร์แบบพุชพูล วงจรอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์ และวงจรอินเวอร์เตอร์บูสต์ความถี่สูง วงจรพุชดึงเชื่อมต่อปลั๊กกลางของบูสต์หม้อแปลงเข้ากับแหล่งจ่ายไฟบวก และหลอดกำลังสองหลอด ทำงานสำรอง กำลังไฟ AC เอาท์พุต เนื่องจากทรานซิสเตอร์กำลังเชื่อมต่อกับกราวด์ร่วม วงจรขับเคลื่อนและควบคุมจึงเรียบง่าย และเนื่องจาก หม้อแปลงไฟฟ้ามีการเหนี่ยวนำการรั่วไหล ซึ่งสามารถจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของวงจร ข้อเสียคือการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าต่ำและความสามารถในการขับเคลื่อนโหลดแบบเหนี่ยวนำไม่ดี
วงจรอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์จะเอาชนะข้อบกพร่องของวงจรพุชพูล ทรานซิสเตอร์กำลังปรับความกว้างพัลส์เอาท์พุต และค่าประสิทธิผลของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเอาท์พุตจะเปลี่ยนไปตามนั้น เนื่องจากวงจรมีวงวนอิสระ แม้แต่กับโหลดแบบเหนี่ยวนำ รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตจะไม่บิดเบี้ยว ข้อเสียของวงจรนี้คือ พาวเวอร์ทรานซิสเตอร์ที่แขนส่วนบนและส่วนล่างไม่ได้ใช้กราวด์ร่วมกัน ดังนั้นจึงต้องใช้วงจรขับเคลื่อนเฉพาะหรือแหล่งจ่ายไฟแยก นอกจากนี้ เพื่อป้องกันการนำร่วมกันของแขนสะพานบนและล่าง ต้องออกแบบวงจรให้ปิดแล้วเปิดใหม่ กล่าวคือ ต้องตั้งเวลาตาย และโครงสร้างของวงจรมีความซับซ้อนมากขึ้น

เอาต์พุตของวงจรพุชพูลและวงจรฟูลบริดจ์จะต้องเพิ่มหม้อแปลงสเต็ปอัพ เนื่องจากหม้อแปลงแบบ step-up มีขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพต่ำ และมีราคาแพงกว่า ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังและไมโครอิเล็กทรอนิกส์ จึงใช้เทคโนโลยีการแปลงแบบ step-up ความถี่สูงเพื่อให้เกิดการย้อนกลับ โดยสามารถรับรู้อินเวอร์เตอร์ความหนาแน่นของพลังงานสูง วงจรบูสต์ด้านหน้าของวงจรอินเวอร์เตอร์นี้ใช้โครงสร้างแบบพุชดึง แต่ความถี่ในการทำงานสูงกว่า 20KHz หม้อแปลงเพิ่มใช้วัสดุแกนแม่เหล็กความถี่สูง ดังนั้นจึงมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา หลังจากการผกผันความถี่สูง มันจะถูกแปลงเป็นกระแสสลับความถี่สูงผ่านหม้อแปลงความถี่สูง จากนั้นกระแสตรงแรงดันสูง (โดยทั่วไปสูงกว่า 300V) จะได้รับผ่านวงจรกรองวงจรเรียงกระแสความถี่สูง จากนั้นกลับด้านผ่าน วงจรอินเวอร์เตอร์ความถี่ไฟฟ้า

ด้วยโครงสร้างวงจรนี้ กำลังของอินเวอร์เตอร์ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก การสูญเสียที่ไม่มีโหลดของอินเวอร์เตอร์จะลดลงตามลำดับ และปรับปรุงประสิทธิภาพ ข้อเสียของวงจรคือวงจรมีความซับซ้อนและความน่าเชื่อถือต่ำกว่าสองวงจรข้างต้น

วงจรควบคุมวงจรอินเวอร์เตอร์

วงจรหลักของอินเวอร์เตอร์ที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมดจำเป็นต้องรับรู้โดยวงจรควบคุม โดยทั่วไป มีวิธีควบคุมสองวิธี: คลื่นสี่เหลี่ยมและคลื่นบวกและคลื่นอ่อน วงจรจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาท์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมนั้นเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ แต่มีประสิทธิภาพต่ำและมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกขนาดใหญ่ - เอาต์พุตคลื่นไซน์เป็นแนวโน้มการพัฒนาอินเวอร์เตอร์ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีฟังก์ชัน PWM ก็ได้ออกมาเช่นกัน ดังนั้นเทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์สำหรับเอาต์พุตคลื่นไซน์จึงครบกำหนด

1. อินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้วงจรรวมการมอดูเลตความกว้างพัลส์ เช่น SG 3 525, TL 494 เป็นต้น การปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่าการใช้วงจรรวม SG3525 และการใช้ FET พลังงานเป็นส่วนประกอบพลังงานสวิตชิ่งสามารถบรรลุประสิทธิภาพและราคาอินเวอร์เตอร์ที่ค่อนข้างสูง เนื่องจาก SG3525 มีความสามารถในการขับเคลื่อนความสามารถของ FET กำลังไฟฟ้าโดยตรง และมีแหล่งอ้างอิงภายใน แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน และฟังก์ชันการป้องกันแรงดันตก ดังนั้นวงจรต่อพ่วงจึงง่ายมาก

2. วงจรรวมควบคุมอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นไซน์ วงจรควบคุมของอินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตคลื่นไซน์สามารถควบคุมได้ด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ เช่น 80 C 196 MC ที่ผลิตโดย INTEL Corporation และผลิตโดย Motorola Company MP 16 และ PI C 16 C 73 ผลิตโดยบริษัท MI-CRO CHIP ฯลฯ คอมพิวเตอร์ชิปเดี่ยวเหล่านี้มีตัวกำเนิดสัญญาณ PWM หลายตัว และสามารถตั้งค่าแขนบริดจ์ส่วนบนและส่วนบนได้ ในช่วงเวลาที่หยุดชะงัก ให้ใช้ 80 C 196 MC ของบริษัท INTEL เพื่อรับรู้วงจรเอาท์พุตคลื่นไซน์ 80 C 196 MC เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นไซน์ให้เสร็จสมบูรณ์ และตรวจจับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต AC เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าคงที่

การเลือกอุปกรณ์ไฟฟ้าในวงจรหลักของอินเวอร์เตอร์

การเลือกใช้ส่วนประกอบพลังงานหลักของอินเวอร์เตอร์เป็นสิ่งสำคัญมาก ในปัจจุบัน ส่วนประกอบกำลังที่ใช้มากที่สุด ได้แก่ ทรานซิสเตอร์กำลังดาร์ลิงตัน (BJT), ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามกำลัง (MOS-F ET), ทรานซิสเตอร์เกตที่หุ้มฉนวน (IGB) T) และไทริสเตอร์ปิด (GTO) ฯลฯ อุปกรณ์ที่ใช้มากที่สุดในระบบแรงดันไฟฟ้าต่ำความจุขนาดเล็กคือ MOS FET เนื่องจาก MOS FET มีแรงดันไฟฟ้าตกในสถานะต่ำกว่าและสูงกว่า ความถี่การสลับของ IG BT โดยทั่วไป ใช้ในระบบไฟฟ้าแรงสูงและความจุขนาดใหญ่ เนื่องจากความต้านทานในสถานะของ MOS FET จะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น และ IG BT อยู่ในระบบที่มีความจุปานกลางจะมีข้อได้เปรียบมากกว่า ในขณะที่ในระบบที่มีความจุขนาดใหญ่พิเศษ (มากกว่า 100 kVA) โดยทั่วไปแล้ว GTO จะใช้ เป็นส่วนประกอบพลังงาน