Invertterit kuuluvat suureen ryhmään staattisia muuntimia, joihin kuuluu monia nykyisiä'laitteet, jotka pystyvät”muuntaa”tulon sähköiset parametrit, kuten jännite ja taajuus, jotta tuotetaan kuorman vaatimusten kanssa yhteensopiva lähtö.

Yleisesti ottaen invertterit ovat laitteita, jotka pystyvät muuntamaan tasavirran vaihtovirraksi, ja ne ovat melko yleisiä teollisuusautomaatiosovelluksissa ja sähkökäytöissä. Erilaisten invertterityyppien arkkitehtuuri ja suunnittelu vaihtelevat kunkin sovelluksen mukaan, vaikka niiden pääasiallinen tarkoitus olisi sama (DC-AC-muunnos).

1. Erilliset ja verkkoon kytketyt invertterit

Aurinkosähkösovelluksissa käytetyt invertterit jaetaan historiallisesti kahteen pääluokkaan:

:Erilliset invertterit

:Verkkoon kytketyt invertterit

Erillisinvertterit on tarkoitettu sovelluksiin, joissa aurinkovoimala ei ole kytkettynä pääasialliseen energianjakeluverkkoon. Invertteri pystyy syöttämään sähköenergiaa liitetyille kuormille varmistaen tärkeimpien sähköparametrien (jännite ja taajuus) vakauden. Tämä pitää ne ennalta määritellyissä rajoissa ja kestää tilapäisiä ylikuormitustilanteita. Tässä tilanteessa invertteri on kytketty akkujärjestelmään tasaisen energiansyötön varmistamiseksi.

Verkkoon kytketyt invertterit taas pystyvät synkronoitumaan sähköverkon kanssa, johon ne on kytketty, koska tässä tapauksessa jännite ja taajuus ovat”määrätty”pääverkon kautta. Näiden invertterien on kyettävä katkaisemaan virtansa pääverkon vikaantuessa, jotta vältetään mahdollinen pääverkon vastavirtasyöttö, joka voisi aiheuttaa vakavan vaaran.

Kuva 1 - Esimerkki itsenäisestä järjestelmästä ja verkkoon kytketystä järjestelmästä. Kuva Biblusin luvalla.

2. Mikä on väyläkondensaattorin rooli?

Invertterin tarkoitus on muuntaa tasajänniteaallon muoto vaihtovirtasignaaliksi, jotta kuormaan (esim. sähköverkkoon) voidaan syöttää tehoa tietyllä taajuudella ja pienellä vaihekulmalla (φ ≈0). Yksinkertaistettu kytkentä yksivaiheiselle unipolaariselle pulssinleveysmodulaatiolle (PWM) on esitetty kuvassa2 (Sama yleinen kaava voidaan laajentaa kolmivaihejärjestelmään). Tässä kytkentäkaaviossa aurinkosähköjärjestelmä, joka toimii tasajännitelähteenä, jolla on jonkin verran lähdeinduktanssia, muokataan vaihtovirtasignaaliksi neljän IGBT-kytkimen avulla, jotka on kytketty rinnan vapaasti pyörivien diodien kanssa. Näitä kytkimiä ohjataan portilla PWM-signaalilla, joka on tyypillisesti integroidun piirin lähtö. Tämä mikropiiri vertaa kantoaaltoa (yleensä halutun lähtötaajuuden siniaaltoa) ja huomattavasti korkeamman taajuuden referenssiaaltoa (tyypillisesti 5–20 kHz:n kolmioaaltoa). IGBT-transistorien lähtö muokataan vaihtovirtasignaaliksi, joka soveltuu käytettäväksi tai verkkoon injektoitavaksi, käyttämällä erilaisia LC-suodattimien topologioita.

Pyydä tarjous

Kuva 2: Pulssileveysmodulaatio (PWM) yksivaiheineninvertterin asetukset. IGBT-kytkimet ja LC-lähtösuodatin muokkaavat tasavirtatulosignaalin käyttökelpoiseksi vaihtovirtasignaaliksi. Tämä indusoihaitallista jännitteen aaltoilua aurinkopaneelien liittimien yli. VäyläKondensaattori on mitoitettu tämän aaltoilun vähentämiseksi.

IGBT-transistorien toiminta aiheuttaa aurinkopaneelijärjestelmän napoihin jännitteen aaltoilua. Tämä aaltoilu on haitallista aurinkopaneelijärjestelmän toiminnalle, koska napoihin syötetty nimellisjännite tulisi pitää IV-käyrän maksimitehopisteessä (MPP), jotta tehoa saadaan mahdollisimman paljon. Aurinkopaneelien napoihin kohdistuva jännitteen aaltoilu värähtelee järjestelmästä otettua tehoa, mikä johtaa

pienempi keskimääräinen teho (kuva 3). Väylään lisätään kondensaattori jännitteen aaltoilun tasoittamiseksi.

Kuva 3: PWM-invertterijärjestelmän aurinkopaneelien liittimiin aiheuttama jänniteaaltoilu siirtää käytettyä jännitettä pois aurinkopaneelijärjestelmän maksimitehopisteestä (MPP). Tämä aiheuttaa aaltoilua paneelijärjestelmän tehoon, jolloin keskimääräinen lähtöteho on pienempi kuin nimellinen MPP.

Jänniteaalteilun amplitudi (huipusta huippuun) määräytyy kytkentätaajuuden, aurinkopaneelijännitteen, väyläkapasitanssin ja suodattimen induktanssin perusteella seuraavasti:

jossa:

VPV on aurinkopaneelin tasajännite,

Cbus on väyläkondensaattorin kapasitanssi,

L on suodatinkelojen induktanssi,

fPWM on kytkentätaajuus.

Yhtälö (1) pätee ideaaliseen kondensaattoriin, joka estää varauksen virtaamisen kondensaattorin läpi latauksen aikana ja purkaa sitten sähkökentässä olevan energian ilman vastusta. Todellisuudessa mikään kondensaattori ei ole ihanteellinen (kuva 4), vaan se koostuu useista elementeistä. Ideaalisen kapasitanssin lisäksi dielektrinen materiaali ei ole täydellisesti resistiivinen, ja pieni vuotovirta kulkee anodilta katodiin äärellistä shunttivastusta (Rsh) pitkin ohittaen dielektrisen kapasitanssin (C). Kun virta kulkee kondensaattorin läpi, nastat, kalvot ja dielektrinen materiaali eivät johda täydellisesti, ja kapasitanssin kanssa sarjassa on ekvivalentti sarjaresistanssi (ESR). Lopuksi, kondensaattori varastoi jonkin verran energiaa magneettikenttään, joten kapasitanssin ja ESR:n kanssa sarjassa on ekvivalentti sarjainduktanssi (ESL).

Kuva 4: Yleisen kondensaattorin ekvivalenttikytkentä. Kondensaattori onkoostuu monista epäideaalisista elementeistä, mukaan lukien dielektrinen kapasitanssi (C), ei-ääretön shunttivastus dielektrisen aineen läpi, joka ohittaa kondensaattorin, sarjaresistanssi (ESR) ja sarjainduktanssi (ESL).

Jopa näennäisen yksinkertaisessa komponentissa kuin kondensaattorissa on useita elementtejä, jotka voivat vikaantua tai heikentyä. Jokainen näistä elementeistä voi vaikuttaa invertterin käyttäytymiseen sekä vaihto- että tasavirtapuolella. Jotta voitaisiin määrittää epäideaalisten kondensaattorikomponenttien heikkenemisen vaikutus aurinkopaneelien liittimien yli tulevaan jänniteaaltoon, simuloitiin SPICE-ohjelmistolla PWM-unipolaarista H-siltainvertteriä (kuva 2). Suodatinkondensaattorit ja induktorit pidettiin vastaavasti 250 µF:n ja 20 mH:n jännitteillä. IGBT-transistorien SPICE-mallit ovat johdettu Petrien ym. työstä. IGBT-kytkimiä ohjaava PWM-signaali määritetään vastaavasti komparaattorin ja invertoivan komparaattorin avulla korkea- ja matalajännitteisille IGBT-kytkimille. PWM-ohjauksen tulosignaalit ovat 9,5 V:n, 60 Hz:n sinikantoaalto ja 10 V:n, 10 kHz:n kolmioaalto.

CRE-ratkaisu

CRE on korkean teknologian yritys, joka on erikoistunut kalvokondensaattoreiden tuotantoon ja keskittyy tehoelektroniikan sovelluksiin.

CRE tarjoaa kypsän ratkaisun kalvokondensaattorisarjoihin aurinkosähköinverttereille, jotka sisältävät tasavirtalinkin, vaihtovirtasuodattimen ja vaimentimen.