Инвертори за фотоволтаични системи

Видове, основни параметри, особености и топологии на инвертори

за автономни, свързани към мрежата и хибридни системи

Независимо от подчертания стремеж на специалистите от цял свят за създаване на все по-икономични електроуреди и постигнатите безспорни резултати, консумацията на електроенергия в света продължава да расте - докато през 2005 г. тя е била 17 PW, за настоящата година се очаква да е 21 PW и да достигне 33 PW през 2030 г. Същевременно, част от класическите източници за нейното получаване не само създават тежки екологични проблеми, но и са на изчерпване. Фотоволтаичните системи (Photovoltaic System) PVS са една от алтернативите, на които се възлагат големи надежди, независимо, че понастоящем те осигуряват около 0,01% от електроенергията. В момента нейната цена е в пъти по-висока от тази на ТЕЦ, но се очаква цените да се изравнят не по-късно от 2015 г. Значението на PVS кара мнозина специалисти да считат, че през следващите десетилетия те ще се развиват дори по-бързо от останалите области на полупроводниковата електроника.

Най-простата PVS (фиг. 1) съдържа фотоволтаични панели (Photovoltaic Panel) PVP за преобразуване на слънчевата енергия в постоянно напрежение UP и инвертор (Inverter) INV за осигуряване на желаното променливо напрежение U на консуматорите. Съществуват PVS с постоянно U, в които вместо инвертор има преобразувател на постоянно в постоянно напрежение. Използват се за зареждане на акумулатори и захранване на постояннотокови товари, но те не са предмет на статията.

Фотоволтаични панели

Реализирани са на базата на полупроводникови прибори и преобразуват слънчевата енергия в електрическа. Около 90% от присъстващите на пазара са от кристален или поликристален силиций, като при първите всяка клетка на панела е от един кристал, а при вторите е от множество кристали с големина около 1 mm. Тези PVP са с най-големия постигнат засега к.п.д., което позволява получаването на сравнително голяма енергия от определена площ и ги прави подходящи за монтиране на сгради и други ограничени места. Останалите 10% са тънкослойни PVP на основата на аморфен силиций, кадмиев сулфид и някои други полупроводници. Те са с по-ниска цена и по-малък к.п.д., което определя основните приложения в места без строги ограничения на заеманата площ, например извън населени места.

Максимално ефективното преобразуване на слънчевата енергия и съответно, получаването на най-голяма електрическа мощност от един панел, става при определени стойности на напрежението UMPP върху него и консумирания ток IMPP. Това е т. нар. точка на максимална мощност (Maximum Power Point) MPP, която се вижда от волтамперната характеристика на клетки от кристален и аморфен силиций на фиг. 2а. За клетките на даден панел тя не е фиксирана, а зависи от температурата му (фиг. 2б) и интензитета на светлината (фиг. 2в). На последните две фигури с PSTC е означена мощността в каталога на панела, валидна за международно приетите условия на измерване STC. Чрез прибавяне на специален блок в инвертора може да се осигури работа на панела в МРР, независимо от променящите се работни условия.

Инвертори с променливо изходно напрежение

Две са разновидностите им, използвани в PVS. Първата са инверторите с модифицирани правоъгълни импулси (Modified Square Wave Inverter, Modified Sine Wave Inverter) с форма на изходното напрежение, дадена на фиг. 3 и средна стойност обикновено равна на 220 V. Предимството им е сравнително ниската цена, а основен недостатък са създаваните значителни електромагнитни смущения, което прави невъзможно тяхното използване за захранване на редица уреди. Това е причина за сравнително рядкото им използване в PVS и затова те не се разглеждат по-нататък в статията.

Втората разновидност, с много по-голямо приложение, са инверторите със синусоидално изходно напрежение (Sine Wave Inverter) равно на мрежовото. Те не само могат да захранват всякакви товари, предназначени за електрическата мрежа, но и практически не създават електромагнитни смущения в околните устройства (например в особено чувствителните радио- и телевизионни приемници).

Еднофазните инвертори са по-прости и евтини, но имат недостатък, който се проявява особено силно при големи мощности. В моментите от време, когато синусоидалното напрежение преминава през нулата (100 пъти в секунда) в изхода на инвертора няма никаква мощност и постъпващата от PVP трябва да се натрупа в електролитен кондензатор с достатъчно голям капацитет. Той може да се окаже източник на повреди, тъй като изсъхва сравнително бързо поради режима си на работа. Освен това, при доставяне на електрическа енергия от PVS в мрежата,  не е особено желателно това да се прави само в едната фаза, за да не се получи дисбаланс на мощностите в трите фази. Това са основните причини за използване на еднофазните инвертори само за малки мощности.

По-сложните и скъпи трифазни инвертори нямат принципни ограничения за максималната мощност, тъй като тя се доставя в трите фази. Освен това, при нулиране на напрежението в една от фазите то продължава да съществува в останалите, намалението на изходната мощност на инвертора е по-малко и в кондензатора трябва да се натрупва по-малко енергия. Така той е с по-малък капацитет и по-дълъг експлоатационен срок.

Основни параметри на инверторите

Две са основните групи параметри - за входа (Input DC) и за изхода, като първата съдържа:

l максималното постоянно входно напрежение (Max DC Input Voltage) при празен ход на изхода на инвертора;

l обхвата на постоянното входно напрежение (DC Voltage Operating Range), в който се гарантират нормалната работа и останалите параметри;

l обхвата на напрeжението на МРР (MPP-Voltage Range), показващ границите на поддържане на МРР;

l максималния постоянен входен ток (DC ISC Maximum Current), над който не се гарантира сигурната работа на инвертора и

l номиналния постоянен входен ток (DC IMP Nominal Current, Rated Input Current), който е най-големият за поддържане на МРР.

В изходните параметри влизат:

l максималният изходен ток (Rated Output Current);

l максималната изходна мощност (Rated Output Power) Pnom, която е с мерни единици Wp (Watt peak) или kWp (kilowatt peak) и се получава при условията STC;

l обхватът на променливото напрежение (AC Operating Range), който дава границите за нормална работа на инвертора. При свързваните към електрическата мрежа инвертори той се нарича и напрежение на мрежата, като обикновено се дава само номиналната му стойност (Mains Voltage, Grid Interface);

l честотата на изходното напрежение (AC Frequency), която обикновено е 50±1 Hz;

l факторът на мощност (Power Factor), известен като cosj;

l нелинейните изкривявания (Distortion Factor, AC Current Distortion, THD) на изходното напрежение и

l акустичният шум (Acoustic Noise), излъчван по време на работа, който е съществен само за инвертори в сгради или в непосредствена близост до тях.

Важен параметър извън тези две групи е к.п.д., който по принцип намалява с понижаване на изходната мощност. В каталозите обикновено се дават две негови стойности. Максималният к.п.д. (Maximal Efficiency) hmax е отношението на изходната мощност и входната мощност в МРР. За отчитане и на зависимостта от изходната мощност се използва т.нар. европейски к.п.д. (European Efficiency, Euro Efficiency, eta EU), изчисляван като hEU = 0,03h5 + 0,06h10 + 0,13h20 +

+ 0,1h30 + 0,48h50 + 0,2h100, където индексите показват при какъв процент от максималната изходна мощност е измерван съответният к.п.д. Обикновено, hEU е с 1 до 3% по-малък от hmax.

Осигуряване на МРР

Извършва се чрез блок в инвертора или външен модул с наименование устройство за следене на точката на максимална мощност (Maximal Power Point Tracker) MPPT. Неговото входно съпротивление RTr е товар на PVP и може да се добави на фиг. 2а като права линия през началото на координатната система с наклон, пропорционален на RTr. Пресечната й точка с волтамперната характеристика на PVP определя работната точка на панела. За да съвпада тя винаги с МРР, непрекъснато се следят напрежението и тока на PVP и чрез вграден в МРРТ алгоритъм се променя стойността на RTr. Съществуват 4 основни вида алгоритми, всеки със своите предимства и недостатъци, но два от тях са се утвърдили в практиката.

При първия периодично се прави лека промяна на работната точка и ако мощността нарастне, промяната продължава в същата посока. Достигането на МРР се установява по намаляването на мощността при промяна и в двете посоки. Този алгоритъм е сравнително бавен и се препоръчва за PVS в места без бързи промени на атмосферните условия.

По-бърз е видът, използващ зависимостта IMPP/UMPP = -DI/DU, валидна за МРР, където IMPP и UMPP са нейното напрежение и ток. Алгоритъмът променя RTr, докато при задавана от него промяна DU на напрежението на работната точка се получи такова изменение DI на нейния ток, че равенството да е изпълнено.

Особености на инверторите

Обхватът на входното постоянно напрежение се прави голям, например от 350 до 800 V, за да може инверторът да работи с най-различни PVP. Условието за избор на Pnom е в периодите на по-слабо слънчево греене да се осигури захранване на товарите при първоначалното инсталиране на системата и евентуално, на допълнителни в бъдеще.

За определяне на работното състояние на инвертора във всеки момент от времето има различни светодиодни индикатори или дисплей, прави се натрупване на данни за него в блок на инвертора или външно устройство (Data Logger), като те могат и да се предават по жична или безжична мрежа или по електрическата мрежа (Powerline Communication). За подържане на работната температура често има блок за автоматично включване и изключване на вентилатор.

Много производители предлагат управляващи (Master) и управлявани (Slave) инвертори (най-често 1 или 2). Основната задача на първите е да включват управлявания инвертор, когато мощността на входа им достигне максималната си стойност. Освен това, те имат устройство за събиране и предаване на данни за свързаните на входа им PVP и за тези на управляваните инвертори, които от своя страна може да са без индикатори.

За гарантиране на безопасната работа се поставят множество електронни защити – например за изключване на инвертора при превишаване на максимално допустимата му температура и при недопустимо голям изходен ток.

Структура на инверторите

Независимо от голямото разнообразие на инвертори тяхното действие може да се изясни чрез обобщената блокова схема на фиг. 4, където с прекъсната линия са дадени възлите, които не са задължителни. От тях дисплеят Display и устройството Comm за предаване на данни вече бяха разгледани, а блокът Prot е за предпазване от импулсни смущения (Surge Voltage Protection). Непосредствено след входа са споменатият блок МРРТ и повишаващият преобразувател Conv на постоянно в постоянно напрежение, който се използва само в инверторите с

UP < U и има две разновидности. По-често е без галванично разделяне (DC/DC Boost Converter, DC/DC Step-Up Converter) със същия принцип на действие, както интегралните схеми за постояннотокови стабилизатори. За сметка на своята простота и сравнително ниска цена, той не осигурява галванично разделяне на веригите на UP и U и затова не се препоръчва за монтираните на земята PVP. Втората разновидност са преобразувателите с галванично разделяне, работещи както SMPS в много електронни устройства (напр. компютри и телевизори), които са с по-висока цена.

С Br е отбелязан реализираният по мостова схема преобразувател на постоянно в променливо напрежение, който при Pnom до около 1 kW е предимно с MOS транзистори, а за по-големи мощности – с IGBT и тиристори. Чрез RCD (Residual Current Detection) се следи еднаквостта на токовете на фазата L и неутралата N на изходното напрежение и когато тя е над няколко десетки mA (например при частична повреда на изолацията на някои от проводниците за свързване на товара или опит за кражба на електроенергия), блокът SW изключва напрежението U. Последният се използва и за ръчно или дистанционно включване и изключване на това напрежение.

Блокът за управление CONTR не само осигурява действието на инвертора, но и описаните му връзки с външни устройства. Неговият основен възел в съвременните инвертори е цифров сигнален процесор (DSP).

Автономни PVS

Наименованието им (Оff Grid Inverter, Stand Alone Inverter) се дължи на обстоятелството, че са предназначени да работят без възможност за свързване към електрическата мрежа. Основните им приложения са в отдалечени и труднодостъпни места без централно електрозахранване – хижи, вили, селскостопански сгради, комуникационни съоръжения, помпени станции, яхти, къмпери и др. Мощността Pnom обикновено е в границите от няколко стотици Wр до няколко kWр, а входното напрежение най-често е 12, 24 или 48 V и по-рядко 32 V. С малки изключения, към инвертора има акумулаторна батерия (външна или вградена), която се зарежда при мощност от PVP над доставяната на консуматорите и осигурява работата им нощем и при недостатъчно силна светлина. На фиг. 5а е дадена идея за структурата на PVS с инвертор INV.

Предназначението на контролера CNTR е да осигурява режима на зареждане и разреждане на акумулаторната батерия ВАТ, като задължително се следи големината и посоката на тока й чрез резистор във веригата му. Освен това, чрез CNTR се захранва постояннотоковият товар CHG1 с напрежението на батерията, докато променливотоковият товар CHG2 е свързан към инвертора.

На фиг. 5б е структурата на PVS с управляващ (INVM) и управлявани (INVS) инвертори, като за простота е показан само един от тях. Чрез мощния превключвател SW (Generator Junction Box) променливотоковият товар CHG2 се включва и изключва към тях.

Хибридни PVS

По принцип те представляват автономни PVS, които освен акумулатор имат и дизелов генератор и/или могат да се свързват към ветрогенератор. Наричат се хибридни (Hybrid Systems), тъй като използват различни по своето естество начини за получаване на електроенергия. Предимствата спрямо автономните системи са възможността за получаване на по-големи Pnom (до стотина kWp) и практически неограниченото време за работа на товарите им без слънчева светлина. Някои съвременни хибридни системи имат възможност и за свързване към електрическата мрежа с цел доставяне на енергия в нея.

На фиг. 6 е дадена типичната структура на еднофазна PVS, като блоковете й PVP, CNTR, BAT, INV, Comm и CHG имат същото предназначение, както в автономните PVS. Чрез резистора R и блока СМ (Current Monitor) и тук се контролира токът на батерията и по неговата стойност и посока, блокът CNTR определя количеството електричество Q в нея. Когато CNG се захранва през INV от ВАТ и Q намалее под определена стойност (около 30% от максималната), от CNTR по проводниците А и В се изпраща сигнал през дистанционния ключ DSW за включване на дизеловия генератор DG. Ключът се отваря, на изхода AC на DG се получава променливо напрежение, INV преминава в режим на директно пропускане (означава се като трансферна система) и напрежението се прилага на CHG.

Същото е положението и когато ветрогенераторът WG създаде достатъчно голямо напрежение. В този режим, вграденият в INV блок установява необходимото постоянно напрежение между точки С и D за зареждане на ВАТ. При пълното й зареждане чрез СМ и CNTR се изключва DG и напрежението U за CHG се установява от ВАТ или PVP, или от WG при достатъчно негово напрежение. Описаната специфика на действие на инвертора налага той да е специализиран за хибридни системи (Hybrid System Inverter).

Еднофазните хибридни системи осигуряват Pnom до няколко kWp, докато за по-големи мощности се използват трифазни PVS с аналогично действие, но INV е трифазен. Важно е да се отбележи, че за тях е необходимо ВАТ да е с напрежение 24 V или 48 V, като втората стойност е за най-големите мощности.

Преминаването от режим на работа с PVP или акумулатор към използване на дизелов или ветрогенератор, става без забележима промяна на изходното напрежение, което позволява хибридните PVS да се използват като мощни UPS.

Неавтономни PVS

Този най-разпространен у нас вид дължи наименованието си (Grid Connected PVS) на съвместната работа с електрическата мрежа, като при определени условия консумира от нея енергия, а в други й доставя. Това налага някои различия в структурата и действието на използваните инвертори, които се наричат On-Grid Inverter и GridTie Inverter.

На фиг. 7 е дадена типичната структура на неавтономна PVS. При наличие на мрежово напрежение то захранва товара CHG2 през електромера за консумирана електроенергия EMI и зарежда ВАТ през хибридния инвертор INVI. За товара CHG1, последният работи в режим на пропускане и той също се захранва от мрежата Line. Същевременно ключът SW е в положение I и произведената от PVP електроенергия през инвертора INVO и електромера за изходяща енергия ЕМО се подава в мрежата. При липса на мрежово напрежение, товарът CHG2 остава без захранване и SW преминава в положение O. Така CHG1 се оказва свързан към PVP през инвертора INVO и към батерията ВАТ през INVI, който сега работи като инвертор. Според описания, при автономните инвертори принцип необходимата мощност на CHG1 се осигурява едновременно от PVP и ВАТ или PVP задава цялата мощност на CHG1 и дозарежда батерията.

Микроинвертори

Панелите в един стринг (това е група панели за получаване на желано напрежение и мощност) или група от стрингове с общ изход не винаги са еднакво осветени и алгоритъмът в инвертора осигурява тяхната МРР на базата на осреднената интензивност на светлината. Резултатът е, че всеки от панелите не работи в оптималния си режим и съответно не осигурява максимална електрическа мощност. Решението на този проблем е чрез използване на микроинвертори (microinverter) на всеки панел с типична мощност 100-200 W.