Zadaniem falownika jest przekształcenie napięcia stałego na sygnał prądu przemiennego w celu dostarczenia mocy do obciążenia (np. sieci energetycznej) o zadanej częstotliwości i małym kącie fazowym (φ ≈0). Na rysunku pokazano uproszczony układ jednofazowej unipolarnej modulacji szerokości impulsu (PWM).2 (Ten sam ogólny schemat można rozszerzyć na układ trójfazowy). Na tym schemacie układ fotowoltaiczny, działający jako źródło napięcia stałego o pewnej indukcyjności źródłowej, jest przekształcany w sygnał prądu przemiennego za pomocą czterech tranzystorów IGBT połączonych równolegle z diodami gaszącymi. Przełączniki te są sterowane na bramce sygnałem PWM, który zazwyczaj jest sygnałem wyjściowym układu scalonego, porównującego falę nośną (zwykle sinusoidalną o żądanej częstotliwości wyjściowej) z falą odniesienia o znacznie wyższej częstotliwości (zwykle falą trójkątną o częstotliwości 5–20 kHz). Sygnał wyjściowy tranzystorów IGBT jest przekształcany w sygnał prądu przemiennego nadający się do użytku lub do zasilania siatki poprzez zastosowanie różnych topologii filtrów LC.
Falowniki należą do dużej grupy przetwornic statycznych, do której zalicza się wiele współczesnych'urządzenia zdolne do„konwertować”parametry elektryczne na wejściu, takie jak napięcie i częstotliwość, w celu uzyskania sygnału wyjściowego zgodnego z wymaganiami obciążenia.
Ogólnie rzecz biorąc, falowniki to urządzenia umożliwiające zamianę prądu stałego na przemienny i są powszechnie stosowane w automatyce przemysłowej oraz napędach elektrycznych. Architektura i konstrukcja różnych typów falowników różni się w zależności od konkretnego zastosowania, nawet jeśli ich główne przeznaczenie jest takie samo (konwersja prądu stałego na przemienny).
1. Falowniki autonomiczne i podłączone do sieci
Falowniki stosowane w aplikacjach fotowoltaicznych tradycyjnie dzielą się na dwie główne kategorie:
:Falowniki autonomiczne
:Falowniki podłączone do sieci
Falowniki autonomiczne są przeznaczone do zastosowań, w których instalacja fotowoltaiczna nie jest podłączona do głównej sieci dystrybucji energii. Falownik jest w stanie dostarczać energię elektryczną do podłączonych odbiorników, zapewniając stabilność głównych parametrów elektrycznych (napięcia i częstotliwości). Dzięki temu utrzymują się one w określonych granicach i są odporne na chwilowe przeciążenia. W takiej sytuacji falownik jest połączony z systemem magazynowania energii, aby zapewnić stabilne zasilanie.
Z drugiej strony falowniki podłączone do sieci są w stanie synchronizować się z siecią elektryczną, do której są podłączone, ponieważ w tym przypadku napięcie i częstotliwość są„narzucony”przez sieć główną. Falowniki te muszą mieć możliwość odłączenia się w przypadku awarii sieci głównej, aby uniknąć ewentualnego odwrotnego zasilania sieci głównej, które mogłoby stanowić poważne zagrożenie.
- Rysunek 1 – Przykład systemu autonomicznego i systemu podłączonego do sieci. Zdjęcie dzięki uprzejmości Biblus.
2.Jaka jest rola kondensatora magistrali?
Rysunek 2: Modulacja szerokości impulsu (PWM) jednofazowaKonfiguracja falownika. Przełączniki IGBT wraz z filtrem wyjściowym LC przekształcają sygnał wejściowy DC w użyteczny sygnał AC. To indukujeszkodliwe tętnienia napięcia na zaciskach fotowoltaicznych. SzynaKondensator ma taki rozmiar, aby zmniejszyć to tętnienie.
Praca tranzystorów IGBT powoduje tętnienie napięcia na zaciskach układu fotowoltaicznego. Tętnienie to jest szkodliwe dla działania systemu fotowoltaicznego, ponieważ napięcie nominalne przyłożone do zacisków powinno być utrzymywane w punkcie maksymalnej mocy (MPP) krzywej IV, aby uzyskać maksymalną moc. Tętnienie napięcia na zaciskach PV spowoduje oscylacje mocy pobieranej z systemu, co spowoduje…
niższa średnia moc wyjściowa (rysunek 3). Do magistrali dodawany jest kondensator w celu wygładzenia tętnień napięcia.
Rysunek 3: Tętnienie napięcia wprowadzane na zaciski paneli fotowoltaicznych przez układ falownika PWM przesuwa napięcie wyjściowe poza punkt mocy maksymalnej (MPP) panelu fotowoltaicznego. Powoduje to tętnienie mocy wyjściowej panelu, przez co średnia moc wyjściowa jest niższa niż nominalny punkt mocy maksymalnej (MPP).
Amplitudę (od szczytu do szczytu) tętnienia napięcia określa się na podstawie częstotliwości przełączania, napięcia fotowoltaicznego, pojemności magistrali i indukcyjności filtru zgodnie z:
Gdzie:
VPV to napięcie stałe panelu słonecznego,
Cbus to pojemność kondensatora magistrali,
L jest indukcyjnością cewek filtru,
fPWM jest częstotliwością przełączania.
Równanie (1) odnosi się do idealnego kondensatora, który zapobiega przepływowi ładunku przez kondensator podczas ładowania, a następnie rozładowuje energię zgromadzoną w polu elektrycznym bez oporu. W rzeczywistości żaden kondensator nie jest idealny (rysunek 4), ale składa się z wielu elementów. Oprócz idealnej pojemności, dielektryk nie jest idealnie rezystancyjny i niewielki prąd upływu płynie z anody do katody wzdłuż skończonej rezystancji bocznikowej (Rsh), omijając pojemność dielektryka (C). Gdy przez kondensator płynie prąd, piny, folie i dielektryk nie przewodzą idealnie i występuje szeregowo z pojemnością równoważna rezystancja szeregowa (ESR). Wreszcie, kondensator magazynuje pewną energię w polu magnetycznym, więc występuje szeregowo z pojemnością i ESR równoważna indukcyjność szeregowa (ESL).
Rysunek 4: Schemat zastępczy typowego kondensatora. Kondensator toskłada się z wielu nieidealnych elementów, w tym pojemności dielektrycznej (C), nieskończonej rezystancji bocznikowej przechodzącej przez dielektryk omijający kondensator, rezystancji szeregowej (ESR) i indukcyjności szeregowej (ESL).
Nawet w tak pozornie prostym elemencie jak kondensator, istnieje wiele elementów, które mogą ulec awarii lub degradacji. Każdy z tych elementów może wpływać na działanie falownika, zarówno po stronie prądu przemiennego, jak i stałego. Aby określić wpływ degradacji nieidealnych elementów kondensatora na tętnienia napięcia wprowadzane na zaciski fotowoltaiczne, symulowano unipolarny falownik PWM z mostkiem H (rysunek 2) za pomocą programu SPICE. Kondensatory filtrujące i cewki są utrzymywane odpowiednio na poziomie 250 µF i 20 mH. Modele SPICE dla tranzystorów IGBT pochodzą z prac Petriego i in. Sygnał PWM, który steruje przełącznikami IGBT, jest określany przez komparator i odwracający obwód komparatora odpowiednio dla przełączników IGBT po stronie wysokiej i niskiej. Wejściem dla sterowania PWM jest sinusoidalna fala nośna 9,5 V, 60 Hz i fala trójkątna 10 V, 10 kHz.
- Rozwiązanie CRE
CRE jest przedsiębiorstwem high-tech specjalizującym się w produkcji kondensatorów foliowych i kładącym nacisk na zastosowania elektroniki mocy.
CRE oferuje dojrzałe rozwiązanie w postaci kondensatorów foliowych do inwerterów fotowoltaicznych, obejmujące łącze prądu stałego, filtr prądu przemiennego i tłumik przepięć.
Czas publikacji: 01-12-2023
