Het doel van een omvormer is om een gelijkspanningsgolf om te zetten in een wisselspanningssignaal om zo energie aan een belasting (bijvoorbeeld het elektriciteitsnet) te leveren met een bepaalde frequentie en een kleine fasehoek.φ ≈0). Een vereenvoudigd circuit voor een eenfasige unipolaire pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt weergegeven in figuur2 (Hetzelfde algemene schema kan worden uitgebreid naar een driefasensysteem). In dit schema wordt een PV-systeem, dat fungeert als een gelijkspanningsbron met een bepaalde broninductantie, omgezet in een wisselstroomsignaal door middel van vier IGBT-schakelaars parallel aan vrijloopdiodes. Deze schakelaars worden aangestuurd via een PWM-signaal, dat doorgaans de uitgang is van een IC dat een draaggolf (meestal een sinusgolf met de gewenste uitgangsfrequentie) vergelijkt met een referentiegolf met een aanzienlijk hogere frequentie (doorgaans een driehoekgolf van 5-20 kHz). De uitgang van de IGBT's wordt omgezet in een wisselstroomsignaal dat geschikt is voor gebruik in het net door middel van verschillende LC-filtertopologieën.
Omvormers behoren tot een grote groep statische converters, waaronder veel van de huidige apparaten vallen.'apparaten die in staat zijn om“overzetten"Elektrische parameters als ingang, zoals spanning en frequentie, om een uitgang te produceren die compatibel is met de eisen van de belasting.
In het algemeen zijn omvormers apparaten die gelijkstroom omzetten in wisselstroom en worden ze veel gebruikt in industriële automatiseringssystemen en elektrische aandrijvingen. De architectuur en het ontwerp van de verschillende typen omvormers variëren afhankelijk van de specifieke toepassing, hoewel de kern van hun hoofddoel hetzelfde is (gelijkstroom-naar-wisselstroomomzetting).
1. Standalone en netgekoppelde omvormers
Omvormers die in fotovoltaïsche toepassingen worden gebruikt, worden van oudsher onderverdeeld in twee hoofdcategorieën:
:Losstaande omvormers
:Netgekoppelde omvormers
Standalone omvormers zijn bedoeld voor toepassingen waarbij de PV-installatie niet is aangesloten op het elektriciteitsnet. De omvormer kan elektrische energie leveren aan de aangesloten verbruikers en zorgt voor de stabiliteit van de belangrijkste elektrische parameters (spanning en frequentie). Hierdoor blijven deze binnen vooraf gedefinieerde grenzen en zijn ze bestand tegen tijdelijke overbelasting. In dat geval wordt de omvormer gekoppeld aan een batterijopslagsysteem om een constante energievoorziening te garanderen.
Netgekoppelde omvormers daarentegen kunnen synchroniseren met het elektriciteitsnet waarop ze zijn aangesloten, omdat in dit geval de spanning en frequentie gelijk zijn.“opgelegd"via het hoofdnet. Deze omvormers moeten kunnen loskoppelen als het hoofdnet uitvalt, om te voorkomen dat er stroom terugvloeit naar het hoofdnet, wat een ernstig gevaar zou kunnen opleveren.
- Figuur 1 - Voorbeeld van een standalonesysteem en een netgekoppeld systeem. Afbeelding met dank aan Biblus.
2. Wat is de rol van de buscondensator?
Figuur 2: Gepulseerde breedtemodulatie (PWM) eenfasigOmvormerconfiguratie. De IGBT-schakelaars, samen met het LC-uitgangsfilter, vormen het gelijkstroomingangssignaal om tot een bruikbaar wisselstroomsignaal. Dit induceert eenschadelijke spanningsrimpel over de PV-aansluitingen. De busDe condensator is zo gedimensioneerd dat deze rimpel wordt verminderd.
De werking van de IGBT's introduceert een rimpelspanning op de aansluitingen van de PV-array. Deze rimpel is nadelig voor de werking van het PV-systeem, omdat de nominale spanning die op de aansluitingen wordt aangelegd, op het maximale vermogenspunt (MPP) van de IV-curve moet worden gehouden om het maximale vermogen te kunnen onttrekken. Een spanningsrimpel op de PV-aansluitingen zal het onttrokken vermogen van het systeem laten oscilleren, wat resulteert in...
een lager gemiddeld uitgangsvermogen (Figuur 3). Er wordt een condensator aan de bus toegevoegd om de spanningsrimpel af te vlakken.
Figuur 3: Een spanningsrimpel die door het PWM-omvormerschema op de PV-aansluitingen wordt geïntroduceerd, verschuift de aangelegde spanning van het maximale vermogenspunt (MPP) van de PV-array. Dit introduceert een rimpel in het uitgangsvermogen van de array, waardoor het gemiddelde uitgangsvermogen lager is dan het nominale MPP.
De amplitude (piek-tot-piek) van de spanningsrimpel wordt bepaald door de schakelfrequentie, de PV-spanning, de buscapaciteit en de filterinductantie volgens:
waar:
VPV is de gelijkspanning van het zonnepaneel.
Cbus is de capaciteit van de buscondensator.
L is de inductantie van de filterinductoren.
fPWM is de schakelfrequentie.
Vergelijking (1) is van toepassing op een ideale condensator die voorkomt dat er lading door de condensator stroomt tijdens het laden en vervolgens de energie die in het elektrische veld is opgeslagen, zonder weerstand ontlaadt. In werkelijkheid is geen enkele condensator ideaal (Figuur 4), maar is deze samengesteld uit meerdere elementen. Naast de ideale capaciteit is het diëlektricum niet perfect resistief en vloeit er een kleine lekstroom van de anode naar de kathode langs een eindige shuntweerstand (Rsh), die de diëlektrische capaciteit (C) omzeilt. Wanneer er stroom door de condensator vloeit, geleiden de pinnen, folies en het diëlektricum niet perfect en is er een equivalente serieweerstand (ESR) in serie met de capaciteit. Ten slotte slaat de condensator wel enige energie op in het magnetische veld, waardoor er een equivalente serie-inductantie (ESL) in serie is met de capaciteit en de ESR.
Figuur 4: Equivalent circuit van een generieke condensator. Een condensator issamengesteld uit vele niet-ideale elementen, waaronder diëlektrische capaciteit (C), een niet-oneindige shuntweerstand door het diëlektricum die de condensator omzeilt, serieweerstand (ESR) en serie-inductantie (ESL).
Zelfs in een ogenschijnlijk eenvoudig onderdeel als een condensator zijn er meerdere elementen die kunnen falen of degraderen. Elk van deze elementen kan het gedrag van de omvormer beïnvloeden, zowel aan de wisselstroom- als aan de gelijkstroomzijde. Om het effect van degradatie van niet-ideale condensatorcomponenten op de spanningsrimpel over de PV-aansluitingen te bepalen, werd een PWM unipolaire H-brugomvormer (figuur 2) gesimuleerd met SPICE. De filtercondensatoren en inductoren zijn respectievelijk ingesteld op 250 µF en 20 mH. De SPICE-modellen voor de IGBT's zijn afgeleid van het werk van Petrie et al. Het PWM-signaal, dat de IGBT-schakelaars aanstuurt, wordt bepaald door een comparator en een inverterende comparator voor respectievelijk de hoog- en laagzijdige IGBT-schakelaars. De ingang voor de PWM-regeling bestaat uit een sinusvormige draaggolf van 9,5 V bij 60 Hz en een driehoekige golf van 10 V bij 10 kHz.
- CRE-oplossing
CRE is een hightechbedrijf dat gespecialiseerd is in de productie van filmcondensatoren, met een focus op toepassingen in de vermogenselektronica.
CRE biedt een volwaardige oplossing met foliecondensatoren voor PV-omvormers, inclusief DC-link, AC-filter en snubber.
Geplaatst op: 1 december 2023