اصل و کاربرد اینورتر خورشیدی

در حال حاضر، سیستم تولید برق فتوولتائیک چین عمدتاً یک سیستم DC است که وظیفه شارژ انرژی الکتریکی تولید شده توسط باتری خورشیدی را بر عهده دارد و باتری مستقیماً برق را به بار تأمین می‌کند. به عنوان مثال، سیستم روشنایی خانگی خورشیدی در شمال غربی چین و سیستم منبع تغذیه ایستگاه مایکروویو دور از شبکه، همگی سیستم DC هستند. این نوع سیستم ساختار ساده و هزینه کمی دارد. با این حال، به دلیل ولتاژهای DC مختلف بار (مانند 12 ولت، 24 ولت، 48 ولت و غیره)، دستیابی به استانداردسازی و سازگاری سیستم، به ویژه برای برق غیرنظامی، دشوار است، زیرا بیشتر بارهای AC با برق DC استفاده می‌شوند. برای منبع تغذیه فتوولتائیک دشوار است که برق را به عنوان یک کالا وارد بازار کند. علاوه بر این، تولید برق فتوولتائیک در نهایت به عملکرد متصل به شبکه دست خواهد یافت که باید یک مدل بازار بالغ را اتخاذ کند. در آینده، سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک AC به جریان اصلی تولید برق فتوولتائیک تبدیل خواهند شد.
الزامات سیستم تولید برق فتوولتائیک برای منبع تغذیه اینورتر

سیستم تولید برق فتوولتائیک با استفاده از خروجی برق AC از چهار بخش تشکیل شده است: آرایه فتوولتائیک، کنترل کننده شارژ و دشارژ، باتری و اینورتر (سیستم تولید برق متصل به شبکه به طور کلی می تواند باتری را ذخیره کند) و اینورتر جزء اصلی است. فتوولتائیک الزامات بالاتری برای اینورترها دارد:

۱. راندمان بالا مورد نیاز است. با توجه به قیمت بالای سلول‌های خورشیدی در حال حاضر، برای به حداکثر رساندن استفاده از سلول‌های خورشیدی و بهبود راندمان سیستم، تلاش برای بهبود راندمان اینورتر ضروری است.

۲. قابلیت اطمینان بالا مورد نیاز است. در حال حاضر، سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک عمدتاً در مناطق دور افتاده استفاده می‌شوند و بسیاری از نیروگاه‌ها بدون مراقبت و نگهداری هستند. این امر مستلزم آن است که اینورتر دارای ساختار مدار معقول، انتخاب دقیق قطعات و عملکردهای حفاظتی مختلف مانند حفاظت اتصال قطبیت ورودی DC، حفاظت اتصال کوتاه خروجی AC، گرمای بیش از حد، حفاظت اضافه بار و غیره باشد.

۳. ولتاژ ورودی DC باید طیف وسیعی از سازگاری را داشته باشد. از آنجایی که ولتاژ ترمینال باتری با بار و شدت نور خورشید تغییر می‌کند، اگرچه باتری تأثیر مهمی بر ولتاژ باتری دارد، اما ولتاژ باتری با تغییر ظرفیت باقیمانده باتری و مقاومت داخلی آن نوسان می‌کند. به خصوص هنگامی که باتری در حال فرسودگی است، ولتاژ ترمینال آن به طور گسترده تغییر می‌کند. به عنوان مثال، ولتاژ ترمینال یک باتری ۱۲ ولتی می‌تواند از ۱۰ ولت تا ۱۶ ولت متغیر باشد. این امر مستلزم آن است که اینورتر در یک DC بزرگتر کار کند تا عملکرد عادی در محدوده ولتاژ ورودی تضمین شود و پایداری ولتاژ خروجی AC تضمین شود.

۴. در سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک با ظرفیت متوسط ​​و زیاد، خروجی منبع تغذیه اینورتر باید موج سینوسی با اعوجاج کمتر باشد. دلیل این امر این است که در سیستم‌های با ظرفیت متوسط ​​و زیاد، اگر از توان موج مربعی استفاده شود، خروجی شامل اجزای هارمونیک بیشتری خواهد بود و هارمونیک‌های بالاتر باعث ایجاد تلفات اضافی می‌شوند. بسیاری از سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک با تجهیزات ارتباطی یا ابزار دقیق بارگذاری می‌شوند. این تجهیزات الزامات بالاتری در مورد کیفیت شبکه برق دارند. هنگامی که سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک با ظرفیت متوسط ​​و زیاد به شبکه متصل می‌شوند، برای جلوگیری از آلودگی برق با شبکه عمومی، اینورتر نیز باید جریان موج سینوسی تولید کند.

اینورتر جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کند. اگر ولتاژ جریان مستقیم پایین باشد، توسط یک ترانسفورماتور جریان متناوب تقویت می‌شود تا ولتاژ و فرکانس جریان متناوب استاندارد به دست آید. برای اینورترهای با ظرفیت بالا، به دلیل ولتاژ باس DC بالا، خروجی AC عموماً نیازی به ترانسفورماتور برای تقویت ولتاژ تا 220 ولت ندارد. در اینورترهای با ظرفیت متوسط ​​و کم، ولتاژ DC نسبتاً کم است، مانند 12 ولت، برای 24 ولت، باید یک مدار تقویت طراحی شود. اینورترهای با ظرفیت متوسط ​​و کم عموماً شامل مدارهای اینورتر پوش-پول، مدارهای اینورتر تمام پل و مدارهای اینورتر تقویت فرکانس بالا هستند. مدارهای پوش-پول، دوشاخه خنثی ترانسفورماتور بوست را به منبع تغذیه مثبت متصل می‌کنند و دو لوله برق به طور متناوب کار می‌کنند و برق AC خروجی می‌دهند، زیرا ترانزیستورهای برق به زمین مشترک متصل هستند، مدارهای درایو و کنترل ساده هستند و از آنجا که ترانسفورماتور دارای اندوکتانس نشتی خاصی است، می‌تواند جریان اتصال کوتاه را محدود کند و در نتیجه قابلیت اطمینان مدار را بهبود بخشد. عیب آن این است که میزان استفاده از ترانسفورماتور کم است و توانایی آن در راه اندازی بارهای القایی ضعیف است.
مدار اینورتر تمام پل، کاستی‌های مدار پوش-پول را برطرف می‌کند. ترانزیستور قدرت، پهنای پالس خروجی را تنظیم می‌کند و مقدار مؤثر ولتاژ AC خروجی بر این اساس تغییر می‌کند. از آنجا که مدار دارای حلقه هرزگرد است، حتی برای بارهای القایی، شکل موج ولتاژ خروجی تحریف نمی‌شود. عیب این مدار این است که ترانزیستورهای قدرت بازوهای بالا و پایین زمین مشترک ندارند، بنابراین باید از یک مدار درایو اختصاصی یا یک منبع تغذیه ایزوله استفاده شود. علاوه بر این، برای جلوگیری از هدایت مشترک بازوهای پل بالا و پایین، باید مداری طراحی شود که خاموش و سپس روشن شود، یعنی باید یک زمان مرده تنظیم شود و ساختار مدار پیچیده‌تر است.

خروجی مدار پوش-پول و مدار تمام پل باید یک ترانسفورماتور افزاینده اضافه کند. از آنجا که ترانسفورماتور افزاینده اندازه بزرگی دارد، راندمان آن کم و گران‌تر است، با توسعه فناوری الکترونیک قدرت و میکروالکترونیک، از فناوری تبدیل افزاینده فرکانس بالا برای دستیابی به معکوس استفاده می‌شود. این می‌تواند اینورتر با چگالی توان بالا را محقق کند. مدار بوست مرحله جلو این مدار اینورتر از ساختار پوش-پول استفاده می‌کند، اما فرکانس کار آن بالاتر از 20 کیلوهرتز است. ترانسفورماتور بوست از مواد هسته مغناطیسی با فرکانس بالا استفاده می‌کند، بنابراین اندازه و وزن کمی دارد. پس از وارونگی فرکانس بالا، از طریق یک ترانسفورماتور فرکانس بالا به جریان متناوب فرکانس بالا تبدیل می‌شود و سپس جریان مستقیم ولتاژ بالا (عموماً بالای 300 ولت) از طریق یک مدار فیلتر یکسوکننده فرکانس بالا به دست می‌آید و سپس از طریق یک مدار اینورتر فرکانس قدرت معکوس می‌شود.

با این ساختار مدار، توان اینورتر تا حد زیادی بهبود می‌یابد، تلفات بی‌باری اینورتر به طور متناظر کاهش می‌یابد و راندمان بهبود می‌یابد. عیب مدار این است که مدار پیچیده است و قابلیت اطمینان آن کمتر از دو مدار فوق است.

مدار کنترل مدار اینورتر

مدارهای اصلی اینورترهای فوق الذکر همگی باید توسط یک مدار کنترل تحقق یابند. به طور کلی، دو روش کنترل وجود دارد: موج مربعی و موج مثبت و ضعیف. مدار منبع تغذیه اینورتر با خروجی موج مربعی ساده، کم هزینه، اما کم بازده و دارای اجزای هارمونیک زیاد است. خروجی موج سینوسی روند توسعه اینورترها است. با توسعه فناوری میکروالکترونیک، ریزپردازنده‌هایی با عملکرد PWM نیز به بازار عرضه شده‌اند. بنابراین، فناوری اینورتر برای خروجی موج سینوسی به بلوغ رسیده است.

۱. اینورترهایی با خروجی موج مربعی در حال حاضر عمدتاً از مدارهای مجتمع مدولاسیون پهنای پالس مانند SG 3 525، TL 494 و غیره استفاده می‌کنند. تجربه ثابت کرده است که استفاده از مدارهای مجتمع SG3525 و استفاده از FET های قدرت به عنوان اجزای سوئیچینگ قدرت می‌تواند به اینورترهایی با عملکرد و قیمت نسبتاً بالا دست یابد. از آنجا که SG3525 توانایی هدایت مستقیم FET های قدرت را دارد و دارای منبع مرجع داخلی و تقویت‌کننده عملیاتی و عملکرد حفاظت در برابر افت ولتاژ است، مدار جانبی آن بسیار ساده است.

۲. مدار مجتمع کنترل اینورتر با خروجی موج سینوسی، مدار کنترل اینورتر با خروجی موج سینوسی را می‌توان توسط یک ریزپردازنده کنترل کرد، مانند ۸۰ C 196 MC تولید شده توسط شرکت INTEL و تولید شده توسط شرکت موتورولا. MP 16 و PI C 16 C 73 تولید شده توسط شرکت MI-CRO CHIP و غیره. این کامپیوترهای تک تراشه‌ای دارای چندین ژنراتور PWM هستند و می‌توانند بازوهای پل بالایی و بالایی را تنظیم کنند. در طول زمان مرده، از ۸۰ C 196 MC شرکت INTEL برای تحقق مدار خروجی موج سینوسی، ۸۰ C 196 MC برای تکمیل تولید سیگنال موج سینوسی و تشخیص ولتاژ خروجی AC برای دستیابی به تثبیت ولتاژ استفاده کنید.

انتخاب دستگاه‌های قدرت در مدار اصلی اینورتر

انتخاب اجزای اصلی قدرتاینورتربسیار مهم است. در حال حاضر، پرکاربردترین اجزای قدرت شامل ترانزیستورهای قدرت دارلینگتون (BJT)، ترانزیستورهای اثر میدان قدرت (MOS-F ET)، ترانزیستورهای گیت عایق (IGB) و تریستور خاموش (GTO) و غیره هستند. پرکاربردترین دستگاه‌ها در سیستم‌های ولتاژ پایین با ظرفیت کم، MOS FET هستند، زیرا MOS FET افت ولتاژ حالت روشن کمتری و فرکانس سوئیچینگ بالاتری دارد. IG BT معمولاً در سیستم‌های ولتاژ بالا و ظرفیت بالا استفاده می‌شود. دلیل این امر این است که مقاومت حالت روشن MOS FET با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد و IG BT در سیستم‌های با ظرفیت متوسط ​​مزیت بیشتری دارد، در حالی که در سیستم‌های با ظرفیت فوق‌العاده بالا (بالای 100 کیلوولت آمپر)، GTOها معمولاً به عنوان اجزای قدرت استفاده می‌شوند.