Växelriktare tillhör en stor grupp statiska omvandlare, som inkluderar många av dagens'enheter som kan"konvertera"elektriska parametrar i ingången, såsom spänning och frekvens, för att producera en utsignal som är kompatibel med lastens krav.

Generellt sett är växelriktare enheter som kan omvandla likström till växelström och är ganska vanliga i industriella automationsapplikationer och elektriska drivsystem. Arkitekturen och designen för olika växelriktartyper varierar beroende på varje specifik applikation, även om kärnan i deras huvudsyfte är densamma (omvandling från likström till växelström).

1. Fristående och nätanslutna växelriktare

Växelriktare som används i solcellsapplikationer är historiskt sett indelade i två huvudkategorier:

:Fristående växelriktare

:Nätanslutna växelriktare

Fristående växelriktare är avsedda för tillämpningar där solcellsanläggningen inte är ansluten till det huvudsakliga elnätet. Växelriktaren kan leverera elektrisk energi till de anslutna lasterna, vilket säkerställer stabiliteten hos de viktigaste elektriska parametrarna (spänning och frekvens). Detta hålls inom fördefinierade gränser och kan motstå tillfälliga överbelastningssituationer. I denna situation är växelriktaren kopplad till ett batterilagringssystem för att säkerställa en jämn energiförsörjning.

Nätanslutna växelriktare kan å andra sidan synkronisera med elnätet de är anslutna till eftersom spänning och frekvens i detta fall är"pålagd"av huvudnätet. Dessa växelriktare måste kunna kopplas bort om huvudnätet slutar fungera för att undvika eventuell omvänd matning av huvudnätet, vilket kan utgöra en allvarlig fara.

Figur 1 - Exempel på fristående system och nätanslutet system. Bild med tillstånd av Biblus.

2. Vilken är busskondensatorns roll

Syftet med en växelriktare är att omvandla en likspänningsvågform till en växelspänningssignal för att injicera effekt i en last (t.ex. elnätet) med en given frekvens och med en liten fasvinkel (φ ≈0). En förenklad krets för en enfasig unipolär pulsbreddsmodulering (PWM) visas i figur2 (samma generella schema kan utökas till ett trefassystem). I detta schema formas ett PV-system, som fungerar som en likspänningskälla med viss källinduktans, till en växelströmssignal genom fyra IGBT-brytare parallellt med frihjulsdioder. Dessa brytare styrs vid grinden via en PWM-signal, som vanligtvis är utgången från en integrerad krets som jämför en bärvåg (vanligtvis en sinusvåg med önskad utgångsfrekvens) och en referensvåg med en betydligt högre frekvens (vanligtvis en triangelvåg vid 5–20 kHz). Utgången från IGBT:erna formas till en växelströmssignal lämplig för användning eller nätinjektion genom tillämpning av olika topologier av LC-filter.

Få offert

Figur 2: Pulsbreddsmodulering (PWM) enfasväxelriktarinstallation. IGBT-switcharna, tillsammans med LC-utgångsfiltret, omvandlar DC-ingångssignalen till en användbar AC-signal. Detta inducerar enskadlig spänningsrippel över PV-terminalerna. BussenKondensatorn är dimensionerad för att minska detta rippel.

Driften av IGBT:erna introducerar en rippelspänning på PV-panelens terminal. Denna rippel är skadlig för PV-systemets drift, eftersom den nominella spänningen som appliceras på terminalerna bör hållas vid maxeffektpunkten (MPP) på IV-kurvan för att utvinna mest effekt. En spänningsrippel på PV-terminalerna kommer att oscillera effekten som utvinns från systemet, vilket resulterar i

en lägre genomsnittlig uteffekt (Figur 3). En kondensator läggs till på bussen för att jämna ut spänningsrippeln.

Figur 3: En spänningsrippel som introduceras på PV-terminalerna av PWM-växelriktarschemat förskjuter den pålagda spänningen från PV-anläggningens maximala effektpunkt (MPP). Detta introducerar en rippel i anläggningens uteffekt så att den genomsnittliga uteffekten är lägre än den nominella MPP.

Amplituden (topp till topp) för spänningsrippeln bestäms av switchfrekvensen, PV-spänningen, busskapacitansen och filterinduktansen enligt:

där:

VPV är solpanelens likspänning,

Cbus är busskondensatorns kapacitans,

L är induktansen hos filterinduktorerna,

fPWM är switchfrekvensen.

Ekvation (1) gäller för en ideal kondensator som förhindrar laddning från att flöda genom kondensatorn under laddning och sedan urladdar energin som finns i det elektriska fältet utan motstånd. I verkligheten är ingen kondensator ideal (Figur 4) utan består av flera element. Förutom den ideala kapacitansen är dielektrikumet inte perfekt resistivt och en liten läckström flyter från anoden till katoden längs en ändlig shuntresistans (Rsh), som förbigår den dielektriska kapacitansen (C). När ström flyter genom kondensatorn är stiften, folierna och dielektrikumet inte perfekt ledande och det finns en ekvivalent serieresistans (ESR) i serie med kapacitansen. Slutligen lagrar kondensatorn en del energi i magnetfältet, så det finns en ekvivalent serieinduktans (ESL) i serie med kapacitansen och ESR.

Figur 4: Ekvivalent krets för en generisk kondensator. En kondensator ärbestående av många icke-ideala element, inklusive dielektrisk kapacitans (C), en icke-oändlig shuntresistans genom dielektrikumet som förbigår kondensatorn, serieresistans (ESR) och serieinduktans (ESL).

Även i en komponent så till synes enkel som en kondensator finns det flera element som kan sluta fungera eller försämras. Var och en av dessa element kan påverka växelriktarens beteende, både på AC- och DC-sidan. För att bestämma vilken effekt försämringen av icke-ideala kondensatorkomponenter har på spänningsrippeln som introduceras över PV-terminalerna, simulerades en PWM unipolär H-bryggväxelriktare (Figur 2) med SPICE. Filterkondensatorerna och induktorerna hålls vid 250 µF respektive 20 mH. SPICE-modellerna för IGBT:erna är härledda från Petrie et al.s arbete. PWM-signalen, som styr IGBT-switcharna, bestäms av en komparator- och inverterande komparatorkrets för IGBT-switcharna på hög respektive låg sida. Ingångarna för PWM-kontrollerna är en 9,5 V, 60 Hz sinusbärvåg och en 10 V, 10 kHz triangulär våg.