Zrozum zasadę działania falowników fotowoltaicznych w jednym artykule

Od artykułu do zrozumienia zasady działania falowników fotowoltaicznych!

Zasada działania i charakterystyka Zasada działania: Rdzeniem falownika jest obwód przełączający falownika, w skrócie zwany obwodem falownika. Obwód ten uzupełnia funkcję falownika poprzez włączanie i wyłączanie elektronicznego przełącznika mocy. Cechy: (1) Wymagana jest wysoka wydajność. Ze względu na wysoką cenę ogniw słonecznych, aby zmaksymalizować wykorzystanie ogniw słonecznych i poprawić wydajność systemu, musimy postarać się poprawić sprawność falownika. (2) Wymagana jest wysoka niezawodność. Obecnie systemy elektrowni fotowoltaicznych są wykorzystywane głównie na obszarach oddalonych. Wiele elektrowni jest bezobsługowych i konserwowanych. Wymaga to od falowników rozsądnej struktury obwodu, ścisłego doboru komponentów i różnych funkcji ochronnych falowników, takich jak: zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją wejścia DC, zabezpieczenie przed zwarciem wyjścia AC, przegrzanie, zabezpieczenie przed przeciążeniem itp. (3) Wejście napięcie musi mieć szeroki zakres adaptacji. Ponieważ napięcie końcowe ogniwa słonecznego zmienia się wraz z obciążeniem i natężeniem światła słonecznego. Zwłaszcza gdy bateria się starzeje, jej napięcie na zaciskach jest bardzo zróżnicowane. Na przykład napięcie na zaciskach akumulatora 12 V może wahać się od 10 V do 16 V, co wymaga zapewnienia normalnej pracy falownika w szerszym zakresie napięcia wejściowego DC.

Klasyfikacja falowników fotowoltaicznych Istnieje wiele metod klasyfikacji falowników, na przykład: w zależności od liczby faz napięcia wyjściowego falownika można go podzielić na falowniki jednofazowe i falowniki trójfazowe; w zależności od urządzeń półprzewodnikowych zastosowanych w falowniku Różne typy można podzielić na falowniki tranzystorowe, falowniki tyrystorowe i falowniki tyrystorowe wyłączające. Zgodnie z zasadą obwodu falownika można go podzielić na samowzbudny falownik oscylacji, falownik superpozycji fal schodkowych i falownik modulacji szerokości impulsu. Zgodnie z zastosowaniem w systemie podłączonym do sieci lub poza siecią, można go podzielić na falownik podłączony do sieci i falownik poza siecią. W celu ułatwienia wyboru falowników dla użytkowników fotowoltaiki, klasyfikacja opiera się tylko na różnych odpowiednich okazjach falowników.

1. Falownik scentralizowany Technologia falownika scentralizowanego polega na tym, że kilka równoległych łańcuchów fotowoltaicznych jest podłączonych do wejścia DC tego samego falownika scentralizowanego. Ogólnie rzecz biorąc, trójfazowe moduły mocy IGBT są używane do dużej mocy i stosowania tranzystora polowego o małej mocy, przy użyciu kontrolera konwersji DSP w celu poprawy jakości generowanej energii elektrycznej, dzięki czemu jest bardzo zbliżony do prądu fali sinusoidalnej, ogólnie stosowany w systemie dużych elektrowni fotowoltaicznych (>10kW). Największą cechą jest duża moc i niski koszt systemu. Jednakże, ponieważ napięcie wyjściowe i prąd różnych ciągów fotowoltaicznych często nie są całkowicie dopasowane (zwłaszcza gdy ciągi fotowoltaiczne są częściowo zacienione z powodu zachmurzenia, cienia, plam itp.), przyjmuje się scentralizowaną inwersję. Sposób zmiany doprowadzi do spadku wydajności procesu inwerterowego i zmniejszenia energii odbiorców energii elektrycznej. Jednocześnie na niezawodność energetyczną całego systemu fotowoltaicznego wpływa zły stan pracy grupy bloków fotowoltaicznych. Najnowszym kierunkiem badań jest wykorzystanie sterowania modulacją wektora przestrzennego oraz opracowanie nowych połączeń w topologii falownika w celu uzyskania wysokiej sprawności w warunkach częściowego obciążenia.

2. Falowniki stringowe Falowniki stringowe oparte są na koncepcji modułowej. Każdy łańcuch fotowoltaiczny (1-5 kW) przechodzi przez falownik i ma śledzenie szczytowej mocy na końcu DC. Połączenie równoległe i sieciowe stało się najpopularniejszym falownikiem na rynku międzynarodowym. Wiele dużych elektrowni fotowoltaicznych korzysta z falowników łańcuchowych. Zaletą jest to, że nie mają na nią wpływu różnice modułów i cienie między stringami, a jednocześnie zmniejsza niedopasowanie między optymalnym punktem pracy modułu fotowoltaicznego a falownikiem, zwiększając tym samym wytwarzanie energii. Te zalety techniczne nie tylko obniżają koszt systemu, ale także zwiększają jego niezawodność. Jednocześnie między stringami wprowadza się pojęcie „master-slave”, co sprawia, że ​​system łączy ze sobą kilka stringów fotowoltaicznych i pozwala pracować jednemu lub kilku z nich, gdy pojedynczy string energii elektrycznej nie może uruchomić pojedynczego falownika. , Aby wyprodukować więcej energii elektrycznej. Najnowsza koncepcja polega na tym, że kilka falowników tworzy „zespół” w celu zastąpienia koncepcji „master-slave”, co sprawia, że ​​niezawodność systemu jest o krok dalej. Obecnie prym wiodą beztransformatorowe falowniki stringowe.

3. Mikroinwerter W tradycyjnym systemie fotowoltaicznym zacisk wejściowy DC każdego falownika szeregowego będzie połączony szeregowo przez około 10 paneli fotowoltaicznych. Gdy jeden z 10 paneli połączonych szeregowo nie działa dobrze, wpłynie to na ten ciąg. Jeśli inwerter używa tego samego MPPT dla wielu wejść, każdy z wejść również będzie miał wpływ, co znacznie zmniejszy wydajność wytwarzania energii. W praktycznych zastosowaniach różne czynniki osłonowe, takie jak chmury, drzewa, kominy, zwierzęta, kurz, lód i śnieg powodują powyższe czynniki, a sytuacja jest bardzo powszechna. W systemie fotowoltaicznym mikroinwertera każdy panel jest podłączony do mikroinwertera. Gdy jeden z paneli nie działa dobrze, wpłynie to tylko na ten. Wszystkie inne panele fotowoltaiczne będą działać w najlepszych warunkach roboczych, dzięki czemu cały system będzie bardziej wydajny i będzie generował więcej mocy. W praktycznych zastosowaniach, awaria falownika stringowego spowoduje awarię paneli o mocy kilku kilowatów, a wpływ awarii mikroinwertera jest dość niewielki.

4. Optymalizator mocy Instalacja optymalizatora mocy (OptimizEr) w systemie wytwarzania energii słonecznej może znacznie poprawić wydajność konwersji i uprościć działanie falownika (falownika) w celu obniżenia kosztów. Aby zrealizować inteligentny system generowania energii słonecznej, optymalizator mocy urządzenia może zapewnić najlepszą wydajność każdego ogniwa słonecznego i monitorować stan zużycia baterii w dowolnym momencie. Optymalizator mocy to urządzenie pomiędzy systemem wytwarzania energii a falownikiem. Głównym zadaniem jest zastąpienie oryginalnej funkcji śledzenia najlepszego punktu mocy falownika. Optymalizator mocy wykorzystuje analogię do wykonywania niezwykle szybkich skanów śledzenia najlepszego punktu mocy poprzez uproszczenie obwodu, a pojedyncze ogniwo słoneczne odpowiada optymalizatorowi mocy, dzięki czemu każde ogniwo słoneczne może rzeczywiście osiągnąć najlepsze śledzenie punktu mocy. Ponadto można również monitorować stan baterii w dowolnym miejscu i czasie poprzez włożenie układu komunikacyjnego, zgłaszaj problemy w czasie rzeczywistym i umożliwiaj odpowiedniemu personelowi ich naprawę tak szybko, jak to możliwe. Funkcja falownika fotowoltaicznego Falownik posiada nie tylko funkcję konwersji bezpośrednio na prąd przemienny, ale ma również funkcję maksymalizacji wydajności ogniwa słonecznego oraz funkcję ochrony systemu przed awarią. Podsumowując, istnieją funkcje automatycznego działania i wyłączania, funkcja śledzenia maksymalnej mocy, funkcja przeciwdziałania pojedynczym działaniom (dla systemu podłączonego do sieci), funkcja automatycznej regulacji napięcia (dla systemu podłączonego do sieci), funkcja wykrywania prądu stałego (dla systemu podłączonego do sieci systemu), funkcja wykrywania uziemienia DC (dla systemu podłączonego do sieci). Oto krótkie wprowadzenie do funkcji automatycznego działania i wyłączania oraz funkcji sterowania śledzeniem maksymalnej mocy.

(1) Automatyczne działanie i funkcja wyłączania Po wschodzie słońca rano intensywność promieniowania słonecznego stopniowo wzrasta, a wydajność baterii słonecznej również wzrasta. Gdy moc wyjściowa wymagana przez falownik zostanie osiągnięta, falownik automatycznie rozpoczyna pracę. Po uruchomieniu falownik będzie przez cały czas monitorował moc wyjściową komponentów ogniwa słonecznego. Dopóki moc wyjściowa komponentów ogniwa słonecznego jest większa niż moc wyjściowa wymagana przez falownik, falownik będzie nadal działał; zatrzyma się do zachodu słońca, nawet jeśli jest pochmurno lub deszczowo. Falownik może być również obsługiwany. Gdy moc wyjściowa modułu ogniwa słonecznego zmniejsza się, a moc wyjściowa falownika zbliża się do 0, falownik przechodzi w stan czuwania.

(2) Funkcja kontroli śledzenia maksymalnej mocy Moc wyjściowa modułu ogniwa słonecznego zmienia się w zależności od natężenia promieniowania słonecznego i temperatury samego modułu ogniwa słonecznego (temperatura chipa). Dodatkowo, ponieważ moduł ogniwa słonecznego charakteryzuje się tym, że napięcie maleje wraz ze wzrostem prądu, istnieje optymalny punkt pracy pozwalający na uzyskanie maksymalnej mocy. Zmienia się natężenie promieniowania słonecznego i oczywiście zmienia się również najlepszy punkt pracy. W stosunku do tych zmian punkt pracy modułu ogniwa słonecznego jest zawsze w punkcie maksymalnej mocy, a system zawsze uzyskuje maksymalną moc wyjściową z modułu ogniwa słonecznego. Ten rodzaj kontroli to maksymalna kontrola śledzenia mocy. Największą cechą falownika stosowanego w systemie wytwarzania energii słonecznej jest to, że zawiera funkcję śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT).

Główne wskaźniki techniczne falowników fotowoltaicznych

1. Stabilność napięcia wyjściowego W systemie fotowoltaicznym energia elektryczna generowana przez ogniwo słoneczne jest najpierw magazynowana przez akumulator, a następnie przetwarzana na prąd przemienny 220 V lub 380 V przez falownik. Jednak na akumulator ma wpływ jego własne ładowanie i rozładowywanie, a jego napięcie wyjściowe jest bardzo zróżnicowane. Na przykład nominalna wartość akumulatora 12 V może wahać się od 10,8 do 14,4 V (przekroczenie tego zakresu może spowodować uszkodzenie akumulatora). W przypadku kwalifikowanego falownika, gdy napięcie na zaciskach wejściowych zmienia się w tym zakresie, zmiana jego napięcia wyjściowego w stanie ustalonym nie powinna przekraczać Plusmn; 5% wartości nominalnej. Jednocześnie, gdy obciążenie zmienia się nagle, odchylenie napięcia wyjściowego nie powinno przekraczać ± 10% wartości znamionowej.

2. Zniekształcenie przebiegu napięcia wyjściowego W przypadku falowników sinusoidalnych należy określić maksymalne dopuszczalne zniekształcenie przebiegu (lub zawartość harmoniczną). Zwykle wyrażony jako całkowite zniekształcenie przebiegu napięcia wyjściowego, jego wartość nie powinna przekraczać 5% (wyjście jednofazowe pozwala na l0%). Ponieważ prąd wyjściowy wyższych harmonicznych przez falownik będzie wytwarzał dodatkowe straty, takie jak prądy wirowe na obciążeniu indukcyjnym, jeśli zniekształcenie przebiegu falownika jest zbyt duże, spowoduje to poważne nagrzewanie się elementów obciążenia, co nie sprzyja bezpieczeństwu urządzeń elektrycznych i poważnie wpływa na wydajność systemu. 3. Znamionowa częstotliwość wyjściowa W przypadku obciążeń zawierających silniki, takich jak pralki, lodówki itp., ponieważ najlepsza częstotliwość pracy silnika wynosi 50 Hz, zbyt wysoka lub zbyt niska częstotliwość spowoduje nagrzewanie się sprzętu, zmniejszając wydajność pracy i żywotność systemu. Dlatego częstotliwość wyjściowa falownika powinna być wartością względnie stabilną, zwykle 50Hz, a jej odchyłka w normalnych warunkach pracy powinna mieścić się w granicach Plusmn;1%.

4. Współczynnik mocy obciążenia reprezentuje zdolność falownika do przenoszenia obciążeń indukcyjnych lub pojemnościowych. Współczynnik mocy obciążenia falownika sinusoidalnego wynosi 0,7 do 0,9, a wartość znamionowa wynosi 0,9. W przypadku określonej mocy obciążenia, jeśli współczynnik mocy falownika jest niski, wymagana moc falownika wzrośnie. Z jednej strony wzrośnie koszt i wzrośnie moc pozorna obwodu prądu przemiennego systemu fotowoltaicznego. Wraz ze wzrostem prądu straty nieuchronnie wzrosną, a wydajność systemu również spadnie.

5. Sprawność falownika Sprawność falownika to stosunek jego mocy wyjściowej do mocy wejściowej w określonych warunkach pracy, wyrażony w procentach. Ogólnie rzecz biorąc, nominalna sprawność falownika fotowoltaicznego odnosi się do obciążenia czysto rezystancyjnego. , Sprawność przy 80% obciążeniu. Ponieważ całkowity koszt systemu fotowoltaicznego jest stosunkowo wysoki, wydajność falownika fotowoltaicznego powinna zostać zmaksymalizowana, koszt systemu powinien zostać zmniejszony, a wydajność kosztowa systemu fotowoltaicznego powinna zostać poprawiona. Obecnie nominalna sprawność falowników głównego nurtu wynosi od 80% do 95%, a sprawność falowników małej mocy nie może być mniejsza niż 85%. W faktycznym procesie projektowania systemu fotowoltaicznego należy nie tylko dobrać falownik o wysokiej sprawności, ale także przyjąć rozsądną konfigurację systemu, aby obciążenie systemu fotowoltaicznego pracowało jak najbliżej punktu najwyższej sprawności.

6. Znamionowy prąd wyjściowy (lub znamionowa pojemność wyjściowa)

Wskazuje znamionowy prąd wyjściowy falownika w określonym zakresie współczynnika mocy obciążenia. Niektóre falowniki podają znamionową moc wyjściową, a jednostka jest wyrażona w VA lub kVA. Znamionowa moc falownika jest wtedy, gdy wyjściowy współczynnik mocy wynosi 1 (tj. czyste obciążenie rezystancyjne), znamionowe napięcie wyjściowe jest iloczynem znamionowego prądu wyjściowego. 7. Środki ochrony Falownik o doskonałych parametrach powinien mieć również pełne funkcje zabezpieczające lub środki do radzenia sobie z różnymi nietypowymi sytuacjami podczas rzeczywistego użytkowania, aby chronić sam falownik i inne elementy systemu przed uszkodzeniem. (1) Wejściowe zabezpieczenie podnapięciowe: Gdy napięcie wejściowe jest niższe niż 85% napięcia znamionowego, falownik powinien być chroniony i wyświetlany. (2) Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe wejściowe: Gdy napięcie wejściowe jest wyższe niż 130% napięcia znamionowego, falownik powinien być chroniony i wyświetlany. (3) Zabezpieczenie nadprądowe: Zabezpieczenie nadprądowe falownika powinno być w stanie zapewnić terminowe działanie, gdy obciążenie jest zwarte lub prąd przekracza dopuszczalną wartość, aby chronić go przed uszkodzeniem spowodowanym przepięciami. Gdy prąd roboczy przekracza 150% wartości znamionowej, falownik powinien być w stanie automatycznie chronić. (4) Czas działania zabezpieczenia przeciwzwarciowego falownika zabezpieczenia przed zwarciem wyjścia nie powinien przekraczać 0,5s. (5) Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem wejścia: Gdy dodatnie i ujemne zaciski wejściowe są podłączone odwrotnie, falownik powinien mieć funkcję ochrony i wyświetlacz. (6) Ochrona odgromowa: Falownik powinien mieć ochronę odgromową.

(7) Zabezpieczenie przed przegrzaniem itp. Ponadto, w przypadku falowników bez środków stabilizacji napięcia, falownik powinien mieć również zabezpieczenia przed przepięciami wyjściowymi, aby chronić obciążenie przed uszkodzeniem spowodowanym przepięciem. 8. Charakterystyki rozruchowe reprezentują zdolność falownika do rozruchu pod obciążeniem oraz jego wydajność podczas pracy dynamicznej. Falownik powinien mieć pewność, że uruchomi się niezawodnie przy obciążeniu znamionowym. 9. Hałas: Transformatory, cewki filtrujące, przełączniki elektromagnetyczne, wentylatory i inne elementy wyposażenia energoelektronicznego będą generować hałas. Gdy falownik pracuje normalnie, jego hałas nie powinien przekraczać 80dB, a hałas małego falownika nie powinien przekraczać 65dB. Umiejętności doboru Przy doborze falowników należy najpierw rozważyć posiadanie mocy znamionowej wystarczającej do spełnienia wymagań sprzętu w zakresie mocy elektrycznej przy maksymalnym obciążeniu. W przypadku falownika z jednym urządzeniem jako obciążeniem dobór jego mocy znamionowej jest stosunkowo prosty. Gdy sprzęt elektryczny jest obciążeniem czysto rezystancyjnym lub współczynnik mocy jest większy niż 0,9, moc znamionowa falownika jest wybierana jako 1,1 do 1,15 razy większa niż moc sprzętu elektrycznego. Jednocześnie falownik powinien mieć również zdolność do wytrzymania wpływu obciążeń pojemnościowych i indukcyjnych. W przypadku ogólnych obciążeń indukcyjnych, takich jak silniki, lodówki, klimatyzatory, pralki, pompy wodne dużej mocy itp., podczas rozruchu moc chwilowa może być 5-6 razy większa od mocy znamionowej. W tym czasie falownik wytrzyma dużą moc chwilową. wzrost. W przypadku takich systemów moc znamionowa falownika powinna mieć wystarczający margines, aby zapewnić niezawodne uruchamianie obciążenia, a wysokowydajny falownik może być wielokrotnie uruchamiany przy pełnym obciążeniu bez uszkodzenia urządzeń zasilających. Dla własnego bezpieczeństwa małe inwertery czasami muszą używać łagodnego rozruchu lub rozruchu z ograniczeniem prądu. Środki ostrożności dotyczące instalacji i konserwacji

1. Przed montażem należy sprawdzić, czy falownik nie uległ uszkodzeniu podczas transportu.

2. Wybierając miejsce instalacji, należy upewnić się, że nie ma zakłóceń pochodzących od innych urządzeń energoelektronicznych znajdujących się w otoczeniu.

3. Przed wykonaniem połączeń elektrycznych należy użyć nieprzezroczystych materiałów do zakrycia paneli fotowoltaicznych lub odłączyć wyłącznik po stronie DC. Wystawione na działanie światła słonecznego matryce fotowoltaiczne będą generować niebezpieczne napięcia.

4. Wszystkie czynności instalacyjne muszą być wykonywane wyłącznie przez profesjonalny i techniczny personel.

5. Kable stosowane w systemie wytwarzania energii fotowoltaicznej muszą być solidnie podłączone, dobrze izolowane io odpowiednich parametrach. Trend rozwojowy W przypadku falowników fotowoltaicznych poprawa sprawności konwersji energii jest odwiecznym tematem, ale gdy sprawność systemu jest coraz wyższa, prawie zbliżając się do 100%, dalszej poprawie sprawności towarzyszyć będzie niższa wydajność kosztowa. Dlatego ważnym tematem będzie obecnie jak utrzymać wysoką wydajność i utrzymać dobrą konkurencyjność cenową. W porównaniu z wysiłkami zmierzającymi do poprawy sprawności falowników, jak poprawić sprawność całego systemu falowników, stopniowo staje się kolejną ważną kwestią dla systemów energii słonecznej. W panelach słonecznych, gdy pojawi się częściowy cień 2~3% powierzchni, w przypadku falownika z funkcją MPPT, gdy moc wyjściowa systemu jest zła, nastąpi nawet około 20% spadek mocy! Aby lepiej dostosować się do takich sytuacji, bardzo efektywne jest użycie funkcji sterowania jeden-do-jednego MPPT lub wielu MPPT dla pojedynczych lub częściowych modułów fotowoltaicznych. Ponieważ system inwertera znajduje się w stanie działania podłączonego do sieci, wyciek z systemu do ziemi spowoduje poważne problemy z bezpieczeństwem; ponadto, w celu poprawy wydajności systemu, większość paneli fotowoltaicznych jest połączona szeregowo, tworząc wysokie napięcie wyjściowe prądu stałego; Ze względu na występowanie nieprawidłowych warunków między elektrodami łatwo jest wytworzyć łuk prądu stałego. Ze względu na wysokie napięcie prądu stałego bardzo trudno jest zgasić łuk i niezwykle łatwo wywołać pożar. Wraz z powszechnym przyjęciem systemów inwerterów słonecznych, kwestie bezpieczeństwa systemu będą również ważną częścią technologii inwerterów. Ponadto system zasilania wprowadza smart。

Szybki rozwój i popularyzacja technologii sieci elektroenergetycznych. Do sieci podłączona jest duża liczba systemów zasilania energią słoneczną i innymi nowymi systemami energetycznymi, co stawia nowe wyzwania techniczne dla stabilności systemu inteligentnych sieci. Zaprojektowanie systemu inwerterowego, który może być szybciej, dokładniej i inteligentniej kompatybilny z inteligentnymi sieciami stanie się w przyszłości warunkiem koniecznym dla systemów inwerterów słonecznych.

Ogólnie rzecz biorąc, rozwój technologii inwertorowej następuje wraz z rozwojem technologii energoelektronicznej, technologii mikroelektronicznej i nowoczesnej teorii sterowania. Wraz z upływem czasu technologia falowników rozwija się w kierunku wyższej częstotliwości, większej mocy, wyższej wydajności i mniejszej głośności.