Целью инвертора является преобразование напряжения постоянного тока в сигнал переменного тока для подачи мощности в нагрузку (например, электросеть) на заданной частоте и с небольшим фазовым углом (φ ≈0).Упрощенная схема однофазной униполярной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) показана на рисунке.2 (та же общая схема может быть распространена и на трехфазную систему).На этой схеме фотоэлектрическая система, действующая как источник постоянного напряжения с некоторой индуктивностью источника, преобразуется в сигнал переменного тока через четыре IGBT-переключателя, подключенных параллельно с обратными диодами.Эти переключатели управляются на затворе посредством сигнала ШИМ, который обычно является выходом микросхемы, которая сравнивает несущую волну (обычно синусоидальную волну желаемой выходной частоты) и опорную волну на значительно более высокой частоте (обычно треугольную волну). на частоте 5–20 кГц).Выходной сигнал IGBT преобразуется в сигнал переменного тока, подходящий для использования или ввода в сетку, за счет применения различных топологий LC-фильтров.
Инверторы относятся к большой группе статических преобразователей, к которой сегодня относятся многие'устройства, способные«конвертировать»электрические параметры на входе, такие как напряжение и частота, чтобы обеспечить выходной сигнал, совместимый с требованиями нагрузки.
Вообще говоря, инверторы — это устройства, способные преобразовывать постоянный ток в переменный и довольно распространенные в приложениях промышленной автоматизации и электроприводах.Архитектура и конструкция различных типов инверторов меняются в зависимости от каждого конкретного применения, даже если суть их основного назначения одна и та же (преобразование постоянного тока в переменный).
1. Автономные и сетевые инверторы.
Инверторы, используемые в фотоэлектрических приложениях, исторически делятся на две основные категории:
:Автономные инверторы
:Сетевые инверторы
Автономные инверторы предназначены для тех случаев, когда фотоэлектрическая установка не подключена к основной сети распределения энергии.Инвертор способен подавать электрическую энергию к подключенным нагрузкам, обеспечивая стабильность основных электрических параметров (напряжения и частоты).Это удерживает их в заранее заданных пределах, позволяя выдерживать ситуации временной перегрузки.В этой ситуации инвертор соединяется с аккумуляторной системой хранения, чтобы обеспечить стабильное энергоснабжение.
С другой стороны, инверторы, подключенные к сети, могут синхронизироваться с электрической сетью, к которой они подключены, поскольку в этом случае напряжение и частота меняются.«навязанный»по основной сетке.Эти инверторы должны иметь возможность отключаться в случае отказа основной сети, чтобы избежать любого возможного обратного питания основной сети, которое может представлять серьезную опасность.
- Рисунок 1. Пример автономной системы и системы, подключенной к сети.Изображение предоставлено Biblus.
2. Какова роль конденсатора шины?
Рисунок 2. Однофазная широтно-импульсная модуляция (ШИМ).установка инвертора.IGBT-переключатели вместе с выходным LC-фильтром преобразуют входной сигнал постоянного тока в полезный сигнал переменного тока.Это вызываетвредные пульсации напряжения на фотоэлектрических клеммах.АвтобусКонденсатор имеет такой размер, чтобы уменьшить эти пульсации.
Работа IGBT приводит к появлению пульсаций напряжения на выводе фотоэлектрической батареи.Эта пульсация вредна для работы фотоэлектрической системы, поскольку номинальное напряжение, подаваемое на клеммы, должно поддерживаться в точке максимальной мощности (MPP) кривой IV, чтобы извлечь наибольшую мощность.Пульсации напряжения на фотоэлектрических клеммах будут колебать мощность, получаемую из системы, что приведет к
более низкая средняя выходная мощность (рис. 3).На шину добавляется конденсатор, чтобы сгладить пульсации напряжения.
Рисунок 3. Пульсации напряжения, вносимые на фотоэлектрические клеммы схемой инвертора ШИМ, смещают приложенное напряжение от точки максимальной мощности (MPP) фотоэлектрической батареи.Это приводит к пульсациям выходной мощности массива, поэтому средняя выходная мощность оказывается ниже номинальной MPP.
Амплитуда (от пика до пика) пульсаций напряжения определяется частотой переключения, фотоэлектрическим напряжением, емкостью шины и индуктивностью фильтра в соответствии с:
где:
VPV — напряжение постоянного тока солнечной панели,
Cbus – емкость конденсатора шины,
L – индуктивность катушек индуктивности фильтра,
fPWM — частота переключения.
Уравнение (1) применимо к идеальному конденсатору, который предотвращает протекание заряда через конденсатор во время зарядки, а затем разряжает энергию, находящуюся в электрическом поле, без сопротивления.На самом деле ни один конденсатор не является идеальным (рис. 4), а состоит из нескольких элементов.Помимо идеальной емкости, диэлектрик не является идеально резистивным, и небольшой ток утечки течет от анода к катоду по конечному шунтирующему сопротивлению (Rsh), минуя диэлектрическую емкость (C).Когда ток через конденсатор течет, контакты, фольга и диэлектрик не являются идеально проводящими, и последовательно с емкостью имеется эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).Наконец, конденсатор действительно сохраняет некоторую энергию в магнитном поле, поэтому существует эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), включенная последовательно с емкостью и ESR.
Рисунок 4: Эквивалентная схема обычного конденсатора.Конденсаторсостоит из множества неидеальных элементов, включая диэлектрическую емкость (C), небесконечное шунтирующее сопротивление через диэлектрик, обходящий конденсатор, последовательное сопротивление (ESR) и последовательную индуктивность (ESL).
Даже в таком, казалось бы, простом компоненте, как конденсатор, существует множество элементов, которые могут выйти из строя или выйти из строя.Каждый из этих элементов может влиять на поведение инвертора, как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока.Чтобы определить влияние деградации неидеальных компонентов конденсатора на пульсации напряжения, возникающие на фотоэлектрических клеммах, с помощью SPICE был смоделирован униполярный инвертор с ШИМ-мостом (рис. 2).Конденсаторы фильтра и катушки индуктивности поддерживаются на уровне 250 мкФ и 20 мГн соответственно.Модели SPICE для IGBT взяты из работы Петри и др. Сигнал ШИМ, который управляет переключателями IGBT, определяется схемой компаратора и инвертирующего компаратора для ключей IGBT верхнего и нижнего плеча соответственно.Входными сигналами для управления ШИМ являются синусоидальная несущая 9,5 В, 60 Гц и треугольная волна 10 В, 10 кГц.
- Решение CRE
CRE — высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на производстве пленочных конденсаторов, специализирующееся на применении силовой электроники.
CRE предлагает зрелое решение серии пленочных конденсаторов для фотоэлектрических инверторов, включающее цепь постоянного тока, фильтр переменного тока и демпфер.
Время публикации: 01 декабря 2023 г.