Инверторни топологии за PV инсталации

За бърза и точна синхронизация на фотоволтаична (PV) система, свързана към мрежата, са необходими подходяща фаза, честота и напрежение на трифазния АС изходен ток. Преобразуването от постоянен към променлив ток се осъществява чрез важен компонент за свързаната към мрежата PV инсталация, познат като инвертор. Обикновено той е базиран на силова електроника импулсен преобразувател и може да се категоризира в два основни типа според импулсния режим на комутация – комутирани от мрежата инвертори и автокомутирани инвертори. Комутираните от мрежата инвертори зависят от параметрите на мрежата, като импулсните прибори работят на база полярност или посока на тока. От друга страна, автокомутираните преобразуватели работят при пълен контрол над процесите на импулсна комутация.

Комутирани от мрежата инвертори

При комутираните от мрежата инвертори (LCI) комутационният процес се извършва според параметрите на мрежата, т. е. комутацията се инициира от реверсиране на полярността на АС напрежението и преминаването през нулата на тока. LCI като силови импулсни устройства обикновено използват тиристори, които са полупроводникови управляващи прибори. Гейтът на прибора управлява операцията по включване, докато изключването не може да се управлява по същия начин, тъй като то зависи от тока и напрежението на мрежата, при което се извършва изключване. 

Следователно, ако е необходима принудителна комутация, към полупроводниковите управляващи прибори се добавя външна верига за управление също и на процеса на изключване. Например в случай на полумостова схема на LCI преобразувателя, за да има възможност за принудителна комутация, се добавя антипаралелен диод.

Автокомутирани инвертори

Автокомутираният инвертор (SCI) е напълно управляем силов електронен преобразувател. Потенциалът на управляващия вход контролира както процеса на изключване, така и процеса на включване на силовите импулсни прибори. Преносът на ток от един импулсен прибор към друг се активира контролирано. Електронните прибори, използвани в SCI, са MOSFET транзистори и биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT). За приложения със средна и голяма мощност, надвишаваща 100 kW и нисък честотен обхват 20 kHz, се използват IGBT. От друга страна, при високи честоти, обикновено в обхвата 20-800 kHz и ниска мощност – по-малко от 20 kW, се използват MOSFET. За генериране на изходна напреженова вълна и за управление на SCI се използва методът на широчинно-импулсната модулация (ШИМ).

При мрежово свързани инверторни приложения работата при висока импулсна честота дава възможност да се намали теглото на инвертора, да се намалят изходните токови и напреженови хармоници, както и да се намали големината на изходния филтър. SCI е напълно управляем електронен преобразувател, който контролира формата на изходния ток и напрежението. Освен това той е много устойчив на мрежови смущения, потиска токовите хармоници и подобрява фактора на мощността. Днес SCI са предпочитани пред LCI за свързани към мрежата PV системи заради подобрената система за управление на SCI, както и заради еволюцията на съвременните импулсни прибори - силови IGBT и MOSFET. SCI могат да бъдат разделени на напреженови преобразуватели и токови преобразуватели.

Напреженови инвертори

При напреженовите инвертори (VSI) източникът на постоянно напрежение е от входната страна на преобразувателя, така полярността на входното напрежение остава винаги една и съща. Въпреки това полярността на входния DC ток определя посоката на усреднения ток през инвертора. От изходната страна може да се получи променливо напрежение с променлива ширина и постоянна амплитуда на вълната. Заедно с VSI се използва и междусистемен свързващ индуктор, за да се ограничи протичащият ток от инвертора към мрежата. Освен това в паралел с входната DC страна на VSI се свързва голям кондензатор, осигуряващ източник на напрежение.

VSI може да работи в два режима, които са режим с управление на напрежението (VCM) и режим с управление на тока (CCM). В случай на VCM основна променлива на контролера е общата точка на свързване (PCC) за напрежението, следователно няма управление на мрежовите токове. От друга страна, при CCM подаваният към мрежата ток може да бъде управляван. VCM се препоръчва за самостоятелни или несвързани с мрежата PV системи, тъй като поддържането на PCC за големината на напрежението, честотата и фазата е много важно в случай на автономни захранващи мрежи. Въпреки това както VCM, така и CCM могат да бъдат използвани при PV системи, свързани с мрежата, но най-често използваният метод е CCM. Причината за използване на CCM е, че стабилната електрическа мрежа изисква PCC за напрежение, като така управлението на токовете за предаване на произведената PV мощност е по-надеждно и безопасно, отколкото при VCM метода без контрол върху токовете. В случай на смущения в мрежата потискането на преходния ток е възможно със CCM и може да се получи висок фактор на мощността чрез проста управляваща схема, поради което инверторите със CCM са широко използвани в PV системите, свързани с мрежата. Следователно инверторът, предпочитан за PV системи, свързани с мрежата е VSI, работещ в режим с управление на тока.

Токови инвертори

При токовите инвертори (CSI) входната страна на инвертора се свързва към DC източник на ток и следователно полярността на входния ток остава непроменена. Полярността на входното DC напрежение обаче определя посоката на усреднения ток през инвертора. От изходната страна може да се получи променлив ток с променлива ширина и постоянна амплитуда на вълната. За разлика от VSI, последователно на входната страна на CSI се свързва голям индуктор, който поддържа стабилността на тока.

Едностъпални инвертори

Според конфигурацията и използваните типове компоненти инверторите могат да се класифицират в различни категории. Това разделяне се основава на различни фактори като брой силови обработващи стъпала, например едностъпален и многостъпален, конфигурации със и без трансформатор, брой на нивата и използвания тип импулсна комутация.

Едностъпалният инвертор изпълнява различни функции като управление на подадените в мрежата токове, усилване на напрежението и осъществява проследяване на максималната мощност.

При едностъпалния инвертор използването на трансформатор с честотата на мрежата (работещ при ниска честота) добавя голямо тегло към инвертора и допринася за пикова загуба на ефективност от 2%. От друга страна, използването на високочестотен трансформатор или използването на безтрансформаторен преобразувател ги прави най-ефективни, рентабилни и по-леки. Те все по-често изместват трансформаторите с мрежова честота.

Многостъпални инвертори

Инвертор с повече от едно силово обработващо стъпало се нарича многостъпален. При този тип инвертор последното стъпало изпълнява функцията за преобразуване на DC в АС, докато стартовото (и междинните) стъпала постигат усилване на напрежението и в някои случаи функция за галванично разделяне. При многостъпалния комбиниран инвертор обхватът на DC напрежение за преобразуване е много нисък и е неизолиран тип, тъй като в този случай не се използва трансформатор. При друга топология на изолиран многостъпален комбиниран инвертор се използва високочестотен трансформатор с ниско постоянно напрежение. И при двете гореспоменати топологии псевдо синусоидалната вълна на тока, получена в първото стъпало, се преобразува в напълно синусоидална токова вълна с линейна честота, превключвана от второто стъпало на токовия инвертор. Някои многостъпални инвертори се състоят от VSI, свързани в паралел с псевдо DC връзка, а други включват CSI, свързани последователно със сравнително обемен индуктор в последното стъпало.

За преминаване на DC компонента на входния PV източник и филтриране на импулсните пикове на напрежението се изисква силово разединяване на едностъпалните и многостъпални инвертори. За да се осъществи това разединяване, се използва електролитен кондензатор с висок капацитет. Кондензаторът може да се свърже по два различни начина, които са: между две стъпала на преобразувателя като DC връзка или паралелно на PV модулите. Обикновено основното предназначение на инвертора е да преобразува DC мощността в AC мощност при висока импулсна честота. Въпреки това работата при такава висока импулсна честота води до нежелани преходни процеси на превключване. Затова входната страна на PV системата е защитена с кондензатор с DC връзка, който блокира движението на потока на тези преходни процеси в обратна посока. Тези кондензатори обаче имат някои недостатъци, например при високи работни температури техният живот е по-кратък отколкото на другите прибори, използвани в инверторните схеми. Освен това те са скъпи и едрогабаритни. На практика тези кондензатори създават различни съществени проблеми. Тяхната надеждност и ефективност при преобразуване са ниски.

Инвертори със и без трансформатори

Друга класификация на инверторите се прави въз основа на наличието или липсата на трансформатор. С други думи, инверторите в тази класификация също могат да имат едно или множество силови стъпала, но категоризацията се основава на трансформатора. По принцип на база трансформатор топологиите на PV инверторите се категоризират в две групи, т. е. такива с трансформатор и такива без трансформатор.

В инверторите за галванично разделяне на PV панела и мрежата се използват трансформатори с честотата на мрежата. Изолиращият трансформатор помага за елиминиране на проблема с предаване на постоянен ток от PV системата към мрежата. Тъй като трансформаторите с мрежова честота са с голямо тегло и размери, увеличаващи по този начин общата цена на PV системата, те се считат за проблемен компонент на инвертора. Алтернативно решение на това е използването на високочестотен трансформатор, вграден в инвертора, или DC/DC преобразувател, което намалява и общата цена.

Инверторите без трансформатор, в сравнение с трансформаторните топологии, са рентабилно решение и имат по-висока ефективност. Въпреки това за решаване на проблема с инжектирането на постоянен ток те изискват включването на допълнителни елементи. Друг проблем в сравнение с безтрансформаторните топологии е, че няма галванично разделяне между мрежата и PV масива. Освен това може да възникнат колебания в напрежението между PV масива и земята в зависимост от схемата на инвертора.