Attualmente, il sistema di generazione di energia fotovoltaica in Cina è principalmente un sistema a corrente continua (CC), che carica l'energia elettrica generata dalla batteria solare, la quale a sua volta alimenta direttamente il carico. Ad esempio, il sistema di illuminazione solare domestica nella Cina nord-occidentale e il sistema di alimentazione delle stazioni a microonde situate lontano dalla rete elettrica sono tutti sistemi a corrente continua. Questo tipo di sistema ha una struttura semplice e un costo contenuto. Tuttavia, a causa delle diverse tensioni di carico CC (come 12 V, 24 V, 48 V, ecc.), è difficile raggiungere la standardizzazione e la compatibilità del sistema, soprattutto per l'energia civile, poiché la maggior parte dei carichi CA viene utilizzata con alimentazione CC. È difficile per l'alimentazione fotovoltaica fornire elettricità per entrare nel mercato come prodotto di base. Inoltre, la generazione di energia fotovoltaica raggiungerà in futuro il funzionamento connesso alla rete, che deve adottare un modello di mercato maturo. In futuro, i sistemi di generazione di energia fotovoltaica a corrente alternata diventeranno la soluzione principale per la generazione di energia fotovoltaica.
Requisiti del sistema di generazione di energia fotovoltaica per l'alimentazione dell'inverter
Il sistema di generazione di energia fotovoltaica che utilizza l'uscita di corrente alternata (CA) è composto da quattro parti: pannello fotovoltaico, regolatore di carica e scarica, batteria e inverter (il sistema di generazione di energia collegato alla rete può generalmente risparmiare la batteria), e l'inverter è il componente chiave. Il fotovoltaico richiede requisiti più elevati per gli inverter:
1. È richiesta un'elevata efficienza. A causa dell'attuale prezzo elevato delle celle solari, per massimizzarne l'utilizzo e migliorare l'efficienza del sistema, è necessario cercare di migliorare l'efficienza dell'inverter.
2. È richiesta un'elevata affidabilità. Attualmente, i sistemi di generazione di energia fotovoltaica sono utilizzati principalmente in aree remote e molte centrali elettriche non sono presidiate e sottoposte a manutenzione. Ciò richiede che l'inverter abbia una struttura circuitale ragionevole, una selezione rigorosa dei componenti e diverse funzioni di protezione, come la protezione da polarità CC in ingresso, la protezione da cortocircuito in uscita CA, la protezione da surriscaldamento, sovraccarico, ecc.
3. La tensione di ingresso CC deve avere un ampio intervallo di adattamento. Poiché la tensione ai terminali della batteria varia in base al carico e all'intensità della luce solare, sebbene la batteria abbia un effetto importante sulla tensione della batteria, quest'ultima fluttua al variare della capacità residua e della resistenza interna della batteria. Soprattutto quando la batteria invecchia, la sua tensione ai terminali varia ampiamente. Ad esempio, la tensione ai terminali di una batteria da 12 V può variare da 10 V a 16 V. Ciò richiede che l'inverter funzioni a una tensione CC maggiore. Garantire il normale funzionamento entro l'intervallo di tensione di ingresso e garantire la stabilità della tensione di uscita CA.
4. Nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica di media e grande capacità, l'uscita dell'inverter dovrebbe essere un'onda sinusoidale con minore distorsione. Questo perché nei sistemi di media e grande capacità, se si utilizza un'onda quadra, l'uscita conterrà più componenti armoniche e armoniche più elevate genereranno perdite aggiuntive. Molti sistemi di generazione di energia fotovoltaica sono dotati di apparecchiature di comunicazione o strumentazione. Tali apparecchiature hanno requisiti più elevati in termini di qualità della rete elettrica. Quando i sistemi di generazione di energia fotovoltaica di media e grande capacità sono collegati alla rete, per evitare l'inquinamento elettrico con la rete pubblica, anche l'inverter deve fornire una corrente sinusoidale.
L'inverter converte la corrente continua in corrente alternata. Se la tensione continua è bassa, viene aumentata da un trasformatore di corrente alternata per ottenere una tensione e una frequenza di corrente alternata standard. Per gli inverter di grande capacità, a causa dell'elevata tensione del bus CC, l'uscita CA generalmente non necessita di un trasformatore per aumentare la tensione a 220 V. Negli inverter di media e piccola capacità, la tensione CC è relativamente bassa, ad esempio 12 V. Per 24 V, è necessario progettare un circuito boost. Gli inverter di media e piccola capacità includono generalmente circuiti inverter push-pull, circuiti inverter a ponte intero e circuiti inverter boost ad alta frequenza. I circuiti push-pull collegano il terminale neutro del trasformatore boost al polo positivo dell'alimentazione e due valvole di potenza lavorano in alternata, producendo corrente CA. Poiché i transistor di potenza sono collegati alla massa comune, i circuiti di azionamento e controllo sono semplici e, poiché il trasformatore ha una certa induttanza di dispersione, può limitare la corrente di cortocircuito, migliorando così l'affidabilità del circuito. Lo svantaggio è che l'utilizzo del trasformatore è basso e la capacità di pilotare carichi induttivi è scarsa.
Il circuito inverter a ponte intero supera i difetti del circuito push-pull. Il transistor di potenza regola la durata dell'impulso di uscita e il valore efficace della tensione CA di uscita varia di conseguenza. Poiché il circuito presenta un anello di ricircolo libero, anche in presenza di carichi induttivi, la forma d'onda della tensione di uscita non verrà distorta. Lo svantaggio di questo circuito è che i transistor di potenza dei bracci superiore e inferiore non condividono la massa, quindi è necessario utilizzare un circuito di pilotaggio dedicato o un alimentatore isolato. Inoltre, per evitare la conduzione comune dei bracci del ponte superiore e inferiore, è necessario progettare un circuito che possa essere spento e acceso successivamente, ovvero è necessario impostare un tempo morto, e la struttura del circuito è più complessa.
L'uscita del circuito push-pull e del circuito a ponte intero richiede l'aggiunta di un trasformatore elevatore. Poiché il trasformatore elevatore è di grandi dimensioni, a bassa efficienza e più costoso, con lo sviluppo dell'elettronica di potenza e della tecnologia microelettronica, la tecnologia di conversione step-up ad alta frequenza viene utilizzata per ottenere l'inversione. Può realizzare un inverter ad alta densità di potenza. Il circuito boost dello stadio anteriore di questo circuito inverter adotta una struttura push-pull, ma la frequenza di lavoro è superiore a 20 kHz. Il trasformatore boost adotta un materiale del nucleo magnetico ad alta frequenza, quindi è piccolo nelle dimensioni e leggero. Dopo l'inversione ad alta frequenza, viene convertita in corrente alternata ad alta frequenza tramite un trasformatore ad alta frequenza, quindi viene ottenuta una corrente continua ad alta tensione (generalmente superiore a 300 V) tramite un circuito raddrizzatore-filtro ad alta frequenza e quindi invertita tramite un circuito inverter a frequenza di potenza.
Con questa struttura circuitale, la potenza dell'inverter viene notevolmente migliorata, le perdite a vuoto vengono di conseguenza ridotte e l'efficienza viene migliorata. Lo svantaggio del circuito è la sua complessità e la sua affidabilità inferiore rispetto ai due circuiti precedenti.
Circuito di controllo del circuito inverter
I circuiti principali degli inverter sopra menzionati devono essere tutti realizzati da un circuito di controllo. Generalmente, esistono due metodi di controllo: onda quadra e onda positiva e debole. Il circuito di alimentazione dell'inverter con uscita a onda quadra è semplice, economico, ma a bassa efficienza e con un elevato contenuto di componenti armoniche. L'uscita a onda sinusoidale è la tendenza di sviluppo degli inverter. Con lo sviluppo della tecnologia microelettronica, sono comparsi anche microprocessori con funzioni PWM. Pertanto, la tecnologia degli inverter con uscita a onda sinusoidale è maturata.
1. Gli inverter con uscita a onda quadra attualmente utilizzano principalmente circuiti integrati a modulazione di larghezza di impulso, come SG 3525, TL 494 e così via. L'esperienza ha dimostrato che l'utilizzo di circuiti integrati SG3525 e di FET di potenza come componenti di potenza switching può consentire di ottenere inverter con prestazioni e costi relativamente elevati. Poiché l'SG3525 ha la capacità di pilotare direttamente i FET di potenza, è dotato di una sorgente di riferimento interna, di un amplificatore operazionale e di una funzione di protezione da sottotensione, il suo circuito periferico è molto semplice.
2. Il circuito integrato di controllo dell'inverter con uscita sinusoidale può essere controllato da un microprocessore, come l'80 C 196 MC prodotto da INTEL Corporation e Motorola Company. MP 16 e PI C 16 C 73 prodotti da MI-CRO CHIP Company, ecc. Questi computer a chip singolo dispongono di più generatori PWM e possono impostare i bracci del ponte superiore e superiore. Durante il tempo morto, utilizzare l'80 C 196 MC di INTEL per realizzare il circuito di uscita sinusoidale, l'80 C 196 MC per completare la generazione del segnale sinusoidale e rilevare la tensione di uscita CA per ottenere la stabilizzazione della tensione.
Selezione dei dispositivi di potenza nel circuito principale dell'inverter
La scelta dei principali componenti di potenza delinverterÈ molto importante. Attualmente, i componenti di potenza più utilizzati includono transistor di potenza Darlington (BJT), transistor a effetto di campo di potenza (MOS-FET), transistor a gate isolato (IGB). T) e tiristori a spegnimento (GTO), ecc., i dispositivi più utilizzati nei sistemi a bassa tensione e piccola capacità sono i MOS FET, perché i MOS FET hanno una caduta di tensione in stato attivo inferiore e una maggiore frequenza di commutazione degli IGBT (Insulated Gate Transistor) che è generalmente utilizzata nei sistemi ad alta tensione e grande capacità. Questo perché la resistenza in stato attivo dei MOS FET aumenta con l'aumento della tensione e gli IGBT hanno un vantaggio maggiore nei sistemi a media capacità, mentre nei sistemi a capacità super-grande (oltre 100 kVA), i GTO sono generalmente utilizzati come componenti di potenza.
Data di pubblicazione: 21 ottobre 2021
