Οι μετατροπείς ανήκουν σε μια μεγάλη ομάδα στατικών μετατροπέων, στους οποίους περιλαμβάνονται πολλοί από τους σημερινούς'συσκευές σε θέση να"μετατρέπω”ηλεκτρικές παραμέτρους στην είσοδο, όπως τάση και συχνότητα, ώστε να παράγεται μια έξοδος συμβατή με τις απαιτήσεις του φορτίου.

Σε γενικές γραμμές, οι μετατροπείς είναι οι συσκευές που μπορούν να μετατρέψουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα και είναι αρκετά συνηθισμένοι σε εφαρμογές βιομηχανικού αυτοματισμού και ηλεκτροκίνησης.Η αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός των διαφορετικών τύπων μετατροπέων αλλάζει ανάλογα με κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή, ακόμη και αν ο πυρήνας του κύριου σκοπού τους είναι ο ίδιος (μετατροπή DC σε AC).

1.Μετατροπείς αυτόνομους και συνδεδεμένους στο δίκτυο

Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές χωρίζονται ιστορικά σε δύο κύριες κατηγορίες:

:Αυτόνομοι μετατροπείς

:Μετατροπείς συνδεδεμένοι στο δίκτυο

Οι αυτόνομοι μετατροπείς είναι για εφαρμογές όπου η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση δεν είναι συνδεδεμένη στο κύριο δίκτυο διανομής ενέργειας.Ο μετατροπέας είναι σε θέση να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στα συνδεδεμένα φορτία, διασφαλίζοντας τη σταθερότητα των κύριων ηλεκτρικών παραμέτρων (τάση και συχνότητα).Αυτό τα διατηρεί εντός προκαθορισμένων ορίων, ικανά να αντέχουν σε καταστάσεις προσωρινής υπερφόρτωσης.Σε αυτήν την περίπτωση, ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος με ένα σύστημα αποθήκευσης μπαταρίας προκειμένου να διασφαλιστεί η σταθερή παροχή ενέργειας.

Οι μετατροπείς που είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο, από την άλλη πλευρά, μπορούν να συγχρονίζονται με το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένοι επειδή, σε αυτή την περίπτωση, η τάση και η συχνότητα είναι"επιβλήθηκε”από το κύριο πλέγμα.Αυτοί οι μετατροπείς πρέπει να μπορούν να αποσυνδεθούν σε περίπτωση βλάβης του κύριου δικτύου, προκειμένου να αποφευχθεί οποιαδήποτε πιθανή αντίστροφη τροφοδοσία του κύριου δικτύου, η οποία θα μπορούσε να αποτελεί σοβαρό κίνδυνο.

Εικόνα 1 - Παράδειγμα αυτόνομου συστήματος και συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο.Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Biblus.

2. Ποιος είναι ο ρόλος του πυκνωτή διαύλου

Ο σκοπός ενός μετατροπέα είναι να μετατρέψει μια τάση κυματομορφής συνεχούς ρεύματος σε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος προκειμένου να εγχυθεί ισχύς σε ένα φορτίο (π.χ. το ηλεκτρικό δίκτυο) σε μια δεδομένη συχνότητα και με μια μικρή γωνία φάσης (φ ≈0).Ένα απλοποιημένο κύκλωμα για μονοφασική μονοπολική διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) φαίνεται στο σχήμα2 (το ίδιο γενικό σχήμα μπορεί να επεκταθεί σε ένα τριφασικό σύστημα).Σε αυτό το σχηματικό, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, που λειτουργεί ως πηγή τάσης συνεχούς ρεύματος με κάποια επαγωγή πηγής, διαμορφώνεται σε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω τεσσάρων διακοπτών IGBT παράλληλα με διόδους ελεύθερης τροχού.Αυτοί οι διακόπτες ελέγχονται στην πύλη μέσω ενός σήματος PWM, το οποίο είναι συνήθως η έξοδος ενός IC που συγκρίνει ένα κύμα φορέα (συνήθως ένα ημιτονοειδές κύμα της επιθυμητής συχνότητας εξόδου) και ένα κύμα αναφοράς σε σημαντικά υψηλότερη συχνότητα (συνήθως ένα τριγωνικό κύμα στα 5-20 kHz).Η έξοδος των IGBT διαμορφώνεται σε σήμα AC κατάλληλο για χρήση ή έγχυση πλέγματος μέσω της εφαρμογής διαφόρων τοπολογιών φίλτρων LC.

Λήψη προσφοράς

Εικόνα 2: Μονοφασική διαμόρφωση παλμικού πλάτους (PWM).εγκατάσταση μετατροπέα.Οι διακόπτες IGBT, μαζί με το φίλτρο εξόδου LC, διαμορφώνουν το σήμα εισόδου DC σε ένα χρησιμοποιήσιμο σήμα AC.Αυτό προκαλεί αεπιβλαβής κυματισμός τάσης στους ακροδέκτες ΦΒ.Το λεωφορείοΟ πυκνωτής έχει μέγεθος ώστε να μειώνεται αυτή η κυματισμός.

Η λειτουργία των IGBT εισάγει μια τάση κυματισμού στον ακροδέκτη της Φ/Β γεννήτριας.Αυτός ο κυματισμός είναι επιβλαβής για τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς η ονομαστική τάση που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες θα πρέπει να διατηρείται στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPP) της καμπύλης IV προκειμένου να εξαχθεί η μεγαλύτερη ισχύς.Ένας κυματισμός τάσης στους ακροδέκτες ΦΒ θα ταλαντώσει την ισχύ που εξάγεται από το σύστημα, με αποτέλεσμα

χαμηλότερη μέση ισχύ εξόδου (Εικόνα 3).Ένας πυκνωτής προστίθεται στο δίαυλο για να εξομαλύνει την κυματισμό τάσης.

Εικόνα 3: Ένας κυματισμός τάσης που εισάγεται στους ακροδέκτες Φ/Β από το σχήμα του μετατροπέα PWM μετατοπίζει την εφαρμοζόμενη τάση από το σημείο μέγιστης ισχύος (MPP) της φωτοβολταϊκής γεννήτριας.Αυτό εισάγει ένα κυματισμό στην ισχύ εξόδου της συστοιχίας έτσι ώστε η μέση ισχύς εξόδου να είναι χαμηλότερη από την ονομαστική MPP

Το πλάτος (από κορυφή σε κορυφή) του κυματισμού τάσης καθορίζεται από τη συχνότητα μεταγωγής, την τάση Φ/Β, την χωρητικότητα του διαύλου και την επαγωγή του φίλτρου σύμφωνα με:

που:

Το VPV είναι η τάση DC του ηλιακού πάνελ,

Cbus είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή διαύλου,

L είναι η επαγωγή των επαγωγέων του φίλτρου,

Το fPWM είναι η συχνότητα μεταγωγής.

Η εξίσωση (1) ισχύει για έναν ιδανικό πυκνωτή που εμποδίζει το φορτίο να ρέει μέσω του πυκνωτή κατά τη διάρκεια της φόρτισης και στη συνέχεια εκφορτώνει την ενέργεια που βρίσκεται στο ηλεκτρικό πεδίο χωρίς αντίσταση.Στην πραγματικότητα, κανένας πυκνωτής δεν είναι ιδανικός (Εικόνα 4), αλλά αποτελείται από πολλαπλά στοιχεία.Εκτός από την ιδανική χωρητικότητα, το διηλεκτρικό δεν έχει τέλεια αντίσταση και ένα μικρό ρεύμα διαρροής ρέει από την άνοδο στην κάθοδο κατά μήκος μιας πεπερασμένης αντίστασης διακλάδωσης (Rsh), παρακάμπτοντας τη διηλεκτρική χωρητικότητα (C).Όταν ρέει ρεύμα μέσω του πυκνωτή, οι ακίδες, τα φύλλα και το διηλεκτρικό δεν είναι τέλεια αγώγιμα και υπάρχει ισοδύναμη αντίσταση σειράς (ESR) σε σειρά με την χωρητικότητα.Τέλος, ο πυκνωτής αποθηκεύει κάποια ενέργεια στο μαγνητικό πεδίο, επομένως υπάρχει μια ισοδύναμη επαγωγή σειράς (ESL) σε σειρά με την χωρητικότητα και το ESR.

Εικόνα 4: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός γενικού πυκνωτή.Ένας πυκνωτής είναιαποτελείται από πολλά μη ιδανικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένης της διηλεκτρικής χωρητικότητας (C), μιας μη άπειρης αντίστασης διακλάδωσης μέσω του διηλεκτρικού που παρακάμπτει τον πυκνωτή, της αντίστασης σειράς (ESR) και της επαγωγής σειράς (ESL).

Ακόμη και σε ένα εξάρτημα τόσο απλό όσο ένας πυκνωτής, υπάρχουν πολλά στοιχεία που μπορεί να αποτύχουν ή να υποβαθμιστούν.Καθένα από αυτά τα στοιχεία μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά του μετατροπέα, τόσο στην πλευρά AC όσο και στο DC.Προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση της υποβάθμισης των μη ιδανικών εξαρτημάτων του πυκνωτή στην κυματισμό τάσης που εισάγεται στους ακροδέκτες των φωτοβολταϊκών, προσομοιώθηκε ένας μονοπολικός μετατροπέας H-γέφυρας PWM (Εικόνα 2) χρησιμοποιώντας SPICE.Οι πυκνωτές και οι επαγωγείς φίλτρου διατηρούνται στα 250 µF και 20 mH, αντίστοιχα.Τα μοντέλα SPICE για τα IGBT προέρχονται από τη δουλειά των Petrie et al. Το σήμα PWM, το οποίο ελέγχει τους διακόπτες IGBT, καθορίζεται από ένα κύκλωμα σύγκρισης και αναστροφής συγκριτή για τους διακόπτες IGBT υψηλής και χαμηλής πλευράς, αντίστοιχα.Η είσοδος για τα χειριστήρια PWM είναι ένα κύμα ημιτονοειδούς φέροντος 9,5 V, 60 Hz και ένα τριγωνικό κύμα 10 V, 10 kHz.