Προς το παρόν, το φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας της Κίνας είναι κυρίως ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος, το οποίο πρόκειται να φορτίσει την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την ηλιακή μπαταρία, και η μπαταρία τροφοδοτεί απευθείας το φορτίο. Για παράδειγμα, το ηλιακό σύστημα οικιακού φωτισμού στη βορειοδυτική Κίνα και το σύστημα τροφοδοσίας σταθμών μικροκυμάτων μακριά από το δίκτυο είναι όλα συστήματα συνεχούς ρεύματος. Αυτός ο τύπος συστήματος έχει απλή δομή και χαμηλό κόστος. Ωστόσο, λόγω των διαφορετικών τάσεων συνεχούς ρεύματος φορτίου (όπως 12V, 24V, 48V, κ.λπ.), είναι δύσκολο να επιτευχθεί τυποποίηση και συμβατότητα του συστήματος, ειδικά για την πολιτική ενέργεια, καθώς τα περισσότερα από τα φορτία εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιούνται με συνεχές ρεύμα. Είναι δύσκολο για το φωτοβολταϊκό τροφοδοτικό να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια να εισέλθει στην αγορά ως εμπόρευμα. Επιπλέον, η παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας θα επιτύχει τελικά λειτουργία συνδεδεμένη στο δίκτυο, η οποία πρέπει να υιοθετήσει ένα ώριμο μοντέλο αγοράς. Στο μέλλον, τα φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος θα γίνουν η κύρια τάση της παραγωγής φωτοβολταϊκής ενέργειας.
Οι απαιτήσεις του φωτοβολταϊκού συστήματος παραγωγής ενέργειας για την τροφοδοσία του μετατροπέα
Το φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιεί έξοδο εναλλασσόμενου ρεύματος αποτελείται από τέσσερα μέρη: φωτοβολταϊκή συστοιχία, ελεγκτή φόρτισης και εκφόρτισης, μπαταρία και μετατροπέα (το συνδεδεμένο στο δίκτυο σύστημα παραγωγής ενέργειας μπορεί γενικά να εξοικονομήσει ενέργεια από την μπαταρία) και ο μετατροπέας είναι το βασικό στοιχείο. Τα φωτοβολταϊκά έχουν υψηλότερες απαιτήσεις για μετατροπείς:
1. Απαιτείται υψηλή απόδοση. Λόγω της υψηλής τιμής των ηλιακών κυψελών σήμερα, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η χρήση των ηλιακών κυψελών και να βελτιωθεί η απόδοση του συστήματος, είναι απαραίτητο να γίνει προσπάθεια βελτίωσης της απόδοσης του μετατροπέα.
2. Απαιτείται υψηλή αξιοπιστία. Προς το παρόν, τα φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιούνται κυρίως σε απομακρυσμένες περιοχές και πολλοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας δεν επιτηρούνται και δεν συντηρούνται. Αυτό απαιτεί ο μετατροπέας να έχει μια λογική δομή κυκλώματος, αυστηρή επιλογή εξαρτημάτων και να διαθέτει διάφορες λειτουργίες προστασίας, όπως προστασία σύνδεσης πολικότητας εισόδου DC, προστασία από βραχυκύκλωμα εξόδου AC, υπερθέρμανση, προστασία από υπερφόρτωση κ.λπ.
3. Η τάση εισόδου DC πρέπει να έχει ένα ευρύ φάσμα προσαρμογής. Δεδομένου ότι η τάση των ακροδεκτών της μπαταρίας αλλάζει με το φορτίο και την ένταση του ηλιακού φωτός, αν και η μπαταρία έχει σημαντική επίδραση στην τάση της μπαταρίας, η τάση της μπαταρίας κυμαίνεται με την αλλαγή της εναπομένουσας χωρητικότητας και της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας. Ειδικά όταν η μπαταρία γερνάει, η τάση των ακροδεκτών της ποικίλλει σημαντικά. Για παράδειγμα, η τάση των ακροδεκτών μιας μπαταρίας 12 V μπορεί να κυμαίνεται από 10 V έως 16 V. Αυτό απαιτεί από τον μετατροπέα να λειτουργεί σε μεγαλύτερο DC. Εξασφαλίζει κανονική λειτουργία εντός του εύρους τάσης εισόδου και διασφαλίζει τη σταθερότητα της τάσης εξόδου AC.
4. Σε συστήματα παραγωγής φωτοβολταϊκών ενέργειας μεσαίας και μεγάλης χωρητικότητας, η έξοδος της τροφοδοσίας του μετατροπέα θα πρέπει να είναι ημιτονοειδές κύμα με λιγότερη παραμόρφωση. Αυτό συμβαίνει επειδή σε συστήματα μεσαίας και μεγάλης χωρητικότητας, εάν χρησιμοποιείται τετραγωνική ισχύς, η έξοδος θα περιέχει περισσότερες αρμονικές συνιστώσες και οι υψηλότερες αρμονικές θα δημιουργήσουν πρόσθετες απώλειες. Πολλά φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας είναι φορτωμένα με εξοπλισμό επικοινωνίας ή οργάνων. Ο εξοπλισμός έχει υψηλότερες απαιτήσεις στην ποιότητα του ηλεκτρικού δικτύου. Όταν τα φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας μεσαίας και μεγάλης χωρητικότητας είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, προκειμένου να αποφευχθεί η ρύπανση της ενέργειας με το δημόσιο δίκτυο, ο μετατροπέας απαιτείται επίσης να εξάγει ημιτονοειδές ρεύμα.
Ο μετατροπέας μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Εάν η τάση συνεχούς ρεύματος είναι χαμηλή, ενισχύεται από έναν μετασχηματιστή εναλλασσόμενου ρεύματος για να επιτευχθεί μια τυπική τάση και συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος. Για τους μετατροπείς μεγάλης χωρητικότητας, λόγω της υψηλής τάσης διαύλου DC, η έξοδος AC γενικά δεν χρειάζεται μετασχηματιστή για να ενισχύσει την τάση στα 220V. Στους μετατροπείς μεσαίας και μικρής χωρητικότητας, η τάση DC είναι σχετικά χαμηλή, όπως 12V. Για τα 24V, πρέπει να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα ενίσχυσης. Οι μετατροπείς μεσαίας και μικρής χωρητικότητας περιλαμβάνουν γενικά κυκλώματα μετατροπέα push-pull, κυκλώματα μετατροπέα πλήρους γέφυρας και κυκλώματα μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής συχνότητας. Τα κυκλώματα push-pull συνδέουν το ουδέτερο βύσμα του μετασχηματιστή ενίσχυσης με την θετική τροφοδοσία ρεύματος και δύο σωλήνες τροφοδοσίας. Εναλλασσόμενη εργασία, έξοδος τροφοδοσίας AC, επειδή τα τρανζίστορ ισχύος είναι συνδεδεμένα στην κοινή γείωση, τα κυκλώματα οδήγησης και ελέγχου είναι απλά και επειδή ο μετασχηματιστής έχει μια ορισμένη αυτεπαγωγή διαρροής, μπορεί να περιορίσει το ρεύμα βραχυκυκλώματος, βελτιώνοντας έτσι την αξιοπιστία του κυκλώματος. Το μειονέκτημα είναι ότι η αξιοποίηση του μετασχηματιστή είναι χαμηλή και η ικανότητα οδήγησης επαγωγικών φορτίων είναι κακή.
Το κύκλωμα μετατροπέα πλήρους γέφυρας ξεπερνά τα μειονεκτήματα του κυκλώματος push-pull. Το τρανζίστορ ισχύος ρυθμίζει το πλάτος παλμού εξόδου και η ενεργός τιμή της τάσης AC εξόδου αλλάζει ανάλογα. Επειδή το κύκλωμα έχει βρόχο ελεύθερης περιστροφής, ακόμη και για επαγωγικά φορτία, η κυματομορφή τάσης εξόδου δεν θα παραμορφωθεί. Το μειονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι ότι τα τρανζίστορ ισχύος των άνω και κάτω βραχιόνων δεν μοιράζονται τη γείωση, επομένως πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα ειδικό κύκλωμα οδήγησης ή μια απομονωμένη παροχή ρεύματος. Επιπλέον, για να αποφευχθεί η κοινή αγωγιμότητα των άνω και κάτω βραχιόνων γέφυρας, ένα κύκλωμα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να απενεργοποιείται και στη συνέχεια να ενεργοποιείται, δηλαδή, πρέπει να οριστεί ένας νεκρός χρόνος και η δομή του κυκλώματος είναι πιο περίπλοκη.
Η έξοδος του κυκλώματος push-pull και του κυκλώματος πλήρους γέφυρας πρέπει να προσθέσει έναν μετασχηματιστή ανύψωσης. Επειδή ο μετασχηματιστής ανύψωσης είναι μεγάλος σε μέγεθος, χαμηλής απόδοσης και πιο ακριβός, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ηλεκτρονικών ισχύος και μικροηλεκτρονικής, η τεχνολογία μετατροπής ανύψωσης υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται για την επίτευξη αντίστροφης τάσης. Μπορεί να υλοποιήσει μετατροπέα υψηλής πυκνότητας ισχύος. Το κύκλωμα ενίσχυσης μπροστινού σταδίου αυτού του κυκλώματος μετατροπέα υιοθετεί δομή push-pull, αλλά η συχνότητα λειτουργίας είναι πάνω από 20KHz. Ο μετασχηματιστής ενίσχυσης υιοθετεί υλικό μαγνητικού πυρήνα υψηλής συχνότητας, επομένως είναι μικρός σε μέγεθος και ελαφρύς σε βάρος. Μετά την αντιστροφή υψηλής συχνότητας, μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας μέσω ενός μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας και στη συνέχεια λαμβάνεται συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης (γενικά πάνω από 300V) μέσω ενός κυκλώματος φίλτρου ανορθωτή υψηλής συχνότητας και στη συνέχεια αναστρέφεται μέσω ενός κυκλώματος μετατροπέα συχνότητας ισχύος.
Με αυτήν τη δομή κυκλώματος, η ισχύς του μετατροπέα βελτιώνεται σημαντικά, οι απώλειες κενού φορτίου του μετατροπέα μειώνονται αντίστοιχα και η απόδοση βελτιώνεται. Το μειονέκτημα του κυκλώματος είναι ότι είναι περίπλοκο και η αξιοπιστία του είναι χαμηλότερη από τα δύο παραπάνω κυκλώματα.
Κύκλωμα ελέγχου του κυκλώματος του μετατροπέα
Τα κύρια κυκλώματα των προαναφερθέντων μετατροπέων πρέπει να υλοποιούνται από ένα κύκλωμα ελέγχου. Γενικά, υπάρχουν δύο μέθοδοι ελέγχου: τετραγωνικό κύμα και θετικό και ασθενές κύμα. Το κύκλωμα τροφοδοσίας του μετατροπέα με τετραγωνική έξοδο είναι απλό, χαμηλού κόστους, αλλά χαμηλής απόδοσης και με μεγάλες αρμονικές συνιστώσες. Η ημιτονοειδής έξοδος είναι η τάση ανάπτυξης των μετατροπέων. Με την ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας, έχουν επίσης εμφανιστεί μικροεπεξεργαστές με λειτουργίες PWM. Επομένως, η τεχνολογία μετατροπέα για ημιτονοειδή έξοδο έχει ωριμάσει.
1. Οι μετατροπείς με τετραγωνική έξοδο χρησιμοποιούν σήμερα κυρίως ολοκληρωμένα κυκλώματα διαμόρφωσης πλάτους παλμού, όπως SG 3 525, TL 494 κ.ο.κ. Η πρακτική έχει αποδείξει ότι η χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων SG3525 και η χρήση FET ισχύος ως εξαρτήματα μεταγωγής ισχύος μπορούν να επιτύχουν σχετικά υψηλής απόδοσης και κόστους μετατροπείς. Επειδή το SG3525 έχει την ικανότητα να οδηγεί άμεσα FET ισχύος και διαθέτει εσωτερική πηγή αναφοράς και λειτουργικό ενισχυτή και λειτουργία προστασίας από υποτάση, το περιφερειακό του κύκλωμα είναι πολύ απλό.
2. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα ελέγχου του μετατροπέα με έξοδο ημιτονοειδούς κύματος, το κύκλωμα ελέγχου του μετατροπέα με έξοδο ημιτονοειδούς κύματος μπορεί να ελεγχθεί από έναν μικροεπεξεργαστή, όπως ο 80 C 196 MC που παράγεται από την INTEL Corporation και παράγεται από την Motorola Company, οι MP 16 και PI C 16 C 73 που παράγεται από την MICRO CHIP Company, κ.λπ. Αυτοί οι υπολογιστές ενός τσιπ διαθέτουν πολλαπλές γεννήτριες PWM και μπορούν να ρυθμίσουν τους άνω και άνω βραχίονες γέφυρας. Κατά τη διάρκεια του νεκρού χρόνου, χρησιμοποιήστε τον 80 C 196 MC της INTEL για να πραγματοποιήσετε το κύκλωμα εξόδου ημιτονοειδούς κύματος, τον 80 C 196 MC για να ολοκληρώσετε την παραγωγή σήματος ημιτονοειδούς κύματος και να ανιχνεύσετε την τάση εξόδου AC για να επιτύχετε σταθεροποίηση τάσης.
Επιλογή συσκευών ισχύος στο κύριο κύκλωμα του μετατροπέα
Η επιλογή των κύριων εξαρτημάτων ισχύος τουαντιστροφέαςείναι πολύ σημαντικό. Σήμερα, τα πιο χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα ισχύος περιλαμβάνουν τρανζίστορ ισχύος Darlington (BJT), τρανζίστορ φαινομένου πεδίου ισχύος (MOS-F ET), τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGB). T) και θυρίστορ απενεργοποίησης (GTO), κ.λπ., οι πιο χρησιμοποιούμενες συσκευές σε συστήματα χαμηλής τάσης μικρής χωρητικότητας είναι τα MOS FET, επειδή το MOS FET έχει χαμηλότερη πτώση τάσης σε κατάσταση ενεργοποίησης και υψηλότερη. Η συχνότητα μεταγωγής του IG BT χρησιμοποιείται γενικά σε συστήματα υψηλής τάσης και μεγάλης χωρητικότητας. Αυτό συμβαίνει επειδή η αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης του MOS FET αυξάνεται με την αύξηση της τάσης και το IG BT σε συστήματα μεσαίας χωρητικότητας κατέχει μεγαλύτερο πλεονέκτημα, ενώ σε συστήματα υπερμεγάλης χωρητικότητας (άνω των 100 kVA), τα GTO χρησιμοποιούνται γενικά ως εξαρτήματα ισχύος.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Οκτωβρίου 2021
