Οι μετατροπείς ανήκουν σε μια μεγάλη ομάδα στατικών μετατροπέων, στην οποία περιλαμβάνονται πολλοί από τους σημερινούς«συσκευές που μπορούν να«μετατρέπω"ηλεκτρικές παραμέτρους στην είσοδο, όπως τάση και συχνότητα, έτσι ώστε να παράγεται μια έξοδος συμβατή με τις απαιτήσεις του φορτίου.

Γενικά, οι μετατροπείς είναι οι συσκευές που μπορούν να μετατρέψουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα και είναι αρκετά συνηθισμένοι σε εφαρμογές βιομηχανικού αυτοματισμού και ηλεκτρικών κινητήρων. 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. Αυτόνομοι και συνδεδεμένοι στο δίκτυο μετατροπείς

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

:Αυτόνομοι μετατροπείς

:Μετατροπείς συνδεδεμένοι στο δίκτυο

Οι αυτόνομοι μετατροπείς προορίζονται 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 τις διατηρεί εντός προκαθορισμένων ορίων, ικανές να αντέχουν σε προσωρινές καταστάσεις υπερφόρτωσης. Σε αυτήν την περίπτωση, ο μετατροπέας συνδέεται με ένα σύστημα αποθήκευσης μπαταρίας προκειμένου να διασφαλιστεί η συνεπής παροχή ενέργειας.

Από την άλλη πλευρά, οι μετατροπείς που είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο είναι σε θέση να συγχρονίζονται με το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένοι, επειδή, σε αυτήν την περίπτωση, η τάση και η συχνότητα είναι«επιβλήθηκε"από το κύριο δίκτυο. Αυτοί οι μετατροπείς πρέπει να είναι σε θέση να αποσυνδέονται σε περίπτωση βλάβης του κύριου δικτύου, προκειμένου να αποφευχθεί οποιαδήποτε πιθανή αντίστροφη τροφοδοσία του κύριου δικτύου, η οποία θα μπορούσε να αποτελέσει σοβαρό κίνδυνο.

Σχήμα 1 - Παράδειγμα αυτόνομου συστήματος και συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Ευγενική προσφορά εικόνας από Biblus.

2. Ποιος είναι ο ρόλος του πυκνωτή διαύλου

Ο σκοπός ενός μετατροπέα είναι να μετατρέψει μια τάση συνεχούς ρεύματος σε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος προκειμένου να εγχύσει ισχύ σε ένα φορτίο (π.χ. το ηλεκτρικό δίκτυο) σε δεδομένη συχνότητα και με 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 αυτεπαγωγή πηγής, διαμορφώνεται σε σήμα AC μέσω τεσσάρων διακοπτών IGBT παράλληλα με διόδους ελεύθερης περιστροφής. Αυτοί οι διακόπτες ελέγχονται στην πύλη μέσω ενός σήματος PWM, το οποίο είναι συνήθως η έξοδος ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος που συγκρίνει ένα φέρον κύμα (συνήθως ένα ημιτονοειδές κύμα της επιθυμητής συχνότητας εξόδου) και ένα κύμα αναφοράς σε σημαντικά υψηλότερη συχνότητα (συνήθως ένα τριγωνικό κύμα στα 5-20kHz). Η έξοδος των IGBT διαμορφώνεται σε σήμα AC κατάλληλο για χρήση ή έγχυση δικτύου μέσω της εφαρμογής διαφόρων τοπολογιών φίλτρων LC.

Λήψη προσφοράς

Σχήμα 2: Μονοφασική διαμόρφωση παλμικού πλάτους (PWM)ρύθμιση μετατροπέα. Οι διακόπτες IGBT, μαζί με το φίλτρο εξόδου LC, διαμορφώνουν το σήμα εισόδου DC σε ένα χρησιμοποιήσιμο σήμα AC. Αυτό προκαλεί έναεπιβλαβής κυμάτωση τάσης στους ακροδέκτες των φωτοβολταϊκών. Ο δίαυλοςΟ πυκνωτής έχει διαστασιολογηθεί έτσι ώστε να μειώνει αυτή την κυμάτωση.

Η λειτουργία των IGBT εισάγει μια κυματοειδή τάση στον ακροδέκτη της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Αυτή η κυμάτωση 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 μέγιστη ισχύς. Μια κυμάτωση τάσης στους φωτοβολταϊκούς ακροδέκτες θα ταλαντώνει την ισχύ που εξάγεται από το σύστημα, με αποτέλεσμα

χαμηλότερη μέση ισχύ εξόδου (Σχήμα 3). Ένας πυκνωτής προστίθεται στον δίαυλο για να εξομαλύνει την κυμάτωση της τάσης.

Σχήμα 3: Μια κυμάτωση τάσης που εισάγεται στους φωτοβολταϊκούς ακροδέκτες από το σχήμα του μετατροπέα PWM μετατοπίζει την εφαρμοζόμενη τάση από το σημείο μέγιστης ισχύος (MPP) της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αυτό εισάγει μια κυμάτωση στην ισχύ εξόδου της συστοιχίας, έτσι ώστε η μέση ισχύς εξόδου να είναι χαμηλότερη από την ονομαστική MPP.

Το πλάτος (από κορυφή σε κορυφή) της κυμάτωσης τάσης καθορίζεται από τη συχνότητα μεταγωγής, την τάση ΦΒ, την χωρητικότητα του διαύλου και την επαγωγή του φίλτρου σύμφωνα με:

όπου:

Η VPV είναι η τάση DC του ηλιακού πάνελ,

Το Cbus είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή διαύλου,

Το L είναι η επαγωγή των επαγωγέων φίλτρου,

Το fPWM είναι η συχνότητα μεταγωγής.

Η εξίσωση (1) ισχύει για έναν ιδανικό πυκνωτή που εμποδίζει τη ροή φορτίου μέσω του πυκνωτή κατά τη φόρτιση και στη συνέχεια εκφορτίζει την ενέργεια που βρίσκεται στο ηλεκτρικό πεδίο χωρίς αντίσταση. Στην πραγματικότητα, κανένας πυκνωτής δεν είναι ιδανικός (Σχήμα 4) αλλά αποτελείται από πολλαπλά στοιχεία. Εκτός από την ιδανική χωρητικότητα, το διηλεκτρικό δεν είναι τέλεια αντίστασης 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 μια 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 την ESR.

Σχήμα 4: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός γενικού πυκνωτή. Ένας πυκνωτής είναιαποτελείται από πολλά μη ιδανικά στοιχεία, όπως η διηλεκτρική χωρητικότητα (C), μια μη άπειρη αντίσταση διακλάδωσης μέσω του διηλεκτρικού που παρακάμπτει τον πυκνωτή, η αντίσταση σε σειρά (ESR) και η επαγωγή σε σειρά (ESL).

Ακόμα και σε ένα εξάρτημα τόσο απλό όσο ένας πυκνωτής, υπάρχουν πολλά στοιχεία που μπορούν να παρουσιάσουν βλάβη ή να υποβαθμιστούν. Κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά του μετατροπέα, τόσο στην πλευρά AC όσο και στην πλευρά DC. Προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση που έχει η υποβάθμιση των μη ιδανικών εξαρτημάτων πυκνωτή στην κυμάτωση τάσης που εισάγεται στους φωτοβολταϊκούς ακροδέκτες, προσομοιώθηκε ένας μονοπολικός μετατροπέας PWM H-bridge (Σχήμα 2) χρησιμοποιώντας το SPICE. Οι πυκνωτές φίλτρου και οι επαγωγείς διατηρούνται στα 250µF και 20mH, αντίστοιχα. Τα μοντέλα SPICE για τα IGBT προέρχονται από την εργασία των Petrie et al. Το σήμα PWM, το οποίο ελέγχει τους διακόπτες IGBT, καθορίζεται από έναν συγκριτή και ένα κύκλωμα αναστροφής συγκριτή για τους διακόπτες IGBT υψηλής και χαμηλής πλευράς, αντίστοιχα. Η είσοδος για τους ελέγχους PWM είναι ένα ημιτονοειδές κύμα φορέα 9,5V, 60Hz και ένα τριγωνικό κύμα 10V, 10kHz.