Energetyka słoneczna 5

Energetyka słoneczna 6

  Dawniej mikroinvertery wykonywano z transformatorami HF w konwerterach DC, izolujacymi ze wzgledow bezpieczenstwa panele fotovoltaiczne od sieci energetycznej.
Od kilku lat dominuja jednak invertery beztransformatorowe. Panele nie sa w tym rozwiazaniu izolowane od sieci ! Jest to bardzo powazna wada tego rozwiazania.
Invertery te maja wieksza sprawnosc, sa lzejsze i tansze. Wyposazone sa dla zachowania bezpieczenstwa w uklad monitorujacy prad uplywu. Kwestie bezpieczenstwa reguluja w USA przepisy "UL Standard 1741 for PV and Battery-Powered Inverters".
W Europie sprawe monitoringu stanu izolacji paneli reguluja przepisy normy IEC 61557-8.

Nowoczesne invertery firmy SMA Solar Technology AG rodziny "Sunny Boy" sa uszczegolowiona o konieczne dodatkowe funkcjonalnosci Nota Aplikacyjna koncernu Texas Instruments dla procesorow sygnalowych DSP rodziny TMS320F28(12).

Na zdjeciu glowna plyta invertera Sunny Boy 3000TL o maksymalnej mocy wprowadzanej do sieci energetycznej 3000 Wat.
Modul tranzystorow IGBT jest pod spodem plyty umocowany do podstawy - radiatora. Na zdjeciu nie ma tez sporego dlawika filtrujacego przebieg z invertera PWM ani gornej plytki z wyswietlaczem.

Sama idee rozwiazania pokazano na rysunku ponizej , za nota Texas Instruments.

Napiecie stale z paneli specjalnymi zlaczami DC poprzez filtr przeciwzakloceniowy podano do dwoch "rownolegle" pracujacych konwerterow podwyzszajacych napiecie typu Boost. Pracuja one w przeciwfazie co pozwala znacznie zmniejszyc zarowno tetnienia PWM ( oczywiscie PWM konwertera a nie mostka H4 ) pradu pobieranego jak i oddawanego.
Zastosowano wysokiej jakosci, nowoczesne i male elementy czynne i bierne.
Za konwerterami znajduje sie bateria az 11 kondensatorow elektrolitycznych. Sa konieczne bowiem moc oddawana do sieci jednofazowej jest pulsujaca a moc pobierana z paneli powinna byc stala. Kondensatory ladujac sie i rozladowujac w tempie 100Hz ( podwojna czestotliwosc napiecia sieciowego ) sa rezerwuarem energi. Zastosowano wysokiej jakosci kondensatory i ich trwalosc powinna siegac 20 lat normalnej pracy.
Wytworzone podwyzszone napiecie stale zasila typowy mostek H4 PWM - tak jest w nocie aplikacyjnej TI.
W inverterze SMA dodano jeszcze przed mostkiem H4 piaty tranzystor T5. Nic nie zmienia on w idei pracy invertera natomiast zmniejsza on zaklocenia od modulacji PWM i zmniejsza wymagania na duzy i kosztowny filtr wyjsciowy PWM.

Mostek H4 sterowany jest sygnalem PWM asymetrycznie unipolarnie.
Klucze T2 and T4 przelaczane sa z czestotliowoscia modulacji PWM okolo 20 kHz czyli poza zakresem akustycznym. NB - czestotliwosc przelaczania w inverterach duzej mocy jest znacznie mniejsza. Natomiast kluczeT1 and T3 przelaczne sa synchronicznie z napieciem sieci energetycznej czyli w Europie 50 Hz. Podczas podania kluczami T1 i T3 napiecia zerowego ( ang free-wheeling czyli wolne koło ) do filtru wyjsciowego klucz T5 jest otwarty. Do wyjsciowego filtru nie jest jak widac wtedy podane zaklocajace napiecie wspolne.

Procesor steruje tranzystory IGBT mocy dedykowanymi do sterowania tranzystorow IGBT transoptorami Avago ( wydzielona czesc dawnego koncernu Hewlet Packard ) HCPL-316J i HCPL-J312. Uklady maja system wykrywania awaryjnej desaturacji sterowanych przeciazonych tranzystorow i uklad meldujacy procesorowi o statusie sprzezenia zwrotnego. Ulatwia to zaprojektowania systemu ochrony kluczy mocy.

Na zdjeciu oprocz wspomnianych elementow widac zintegrowane czujnika Halla do pomiaru pradow, przekazniki odlaczajce obwod paneli aby zmierzyc - monitorowac stan izolacji paneli, zasilacz do ukladow elektronicznych, przekazniki odlaczajace inverter od sieci, elementy wyjsciowego filtru PWM i filtry przeciwzakloceniowe i warystory.
Urzadzenie jest bardzo zlozone i drogie.
Moze miec zlacze do komunikacji z komputerem PC. Program procesora DSP jest dosc skomplikowany z uwagi na wielosc wykonywanych zadan.

Rozwiazanie firmy SMA ( poza piatym kluczem H5 ) jest dosc typowe. Spotyka sie jednak pare wejsciowych kaskadowych konweterow Buck - Boost lub Boost - Buck z przeroznymi algorytmani sterowania celem optymalizacji sprawnosci systemu.
Kazdy z konwerterow Buck i Boost jest podwojony lub stosowane sa nawet rozwiazania wielofazowe aby jak najbardziej zmniejszyc pulsacje pradu wejsciowego i wyjsciowego.

Sprawnosc inverterow z tranzystorami IGBT nie jest rewelacyjna. Drozsze i sprawniejsze sa invertery wykonane z tranzystorami CoolMosfet jako kluczami. Rozwiazanie jest klopotliwe jako ze w czesci zastosowan trzeba wylaczyc z pracy wolna pasozytnicza diode antyrownolegla Mosfeta. Odrobine sprawnosc polepsza stosowanie diod w technologi SiC. Najwyzsza sprawnosc uzyskuje sie stosujac jako klucze tranzystory JFET w nowatorskiej technologi SiC ! Rozwiazania znow jest zlozone jako ze tranzystory JFET sa normalnie zalaczone i steruje sie je od strony zrodla szeregowymi niskonapieciowymi tranzystorami Mosfet.
Stosujac zlozony mostek wielopoziomowy zmniejszamy dynamiczne straty przelaczania w kluczach i straty modulacji PWM w filtrze wyjsciowym.
Wielopoziomowe inwertery z tranzystorami w technologi SiC osiagaja sprawnosc dochodzaca przy srednich mocach do 99% Wprost niewiarygodne. Sa to jednak bardzo drogie nowinki.