اصول کار و ویژگی‌های اینورتر فتوولتائیک

اصول کار اینورتر:

هسته دستگاه اینورتر، مدار سوئیچ اینورتر است که به اختصار مدار اینورتر نامیده می‌شود. این مدار با روشن و خاموش کردن سوئیچ الکترونیک قدرت، عملکرد اینورتر را تکمیل می‌کند.

ویژگی‌ها:

(1) راندمان بالا مورد نیاز است.

با توجه به قیمت بالای سلول‌های خورشیدی در حال حاضر، برای به حداکثر رساندن استفاده از سلول‌های خورشیدی و بهبود راندمان سیستم، باید سعی کنیم راندمان اینورتر را بهبود بخشیم.

(2) قابلیت اطمینان بالایی مورد نیاز است.

در حال حاضر، سیستم نیروگاه فتوولتائیک عمدتاً در مناطق دور افتاده استفاده می‌شود و بسیاری از نیروگاه‌ها بدون مراقبت و نگهداری هستند که مستلزم آن است که اینورتر دارای ساختار مدار معقول، انتخاب دقیق قطعات باشد و اینورتر باید عملکردهای حفاظتی مختلفی مانند: حفاظت معکوس قطبیت ورودی DC، حفاظت اتصال کوتاه خروجی AC، گرمای بیش از حد، حفاظت اضافه بار و غیره داشته باشد.

(3) ولتاژ ورودی لازم است که طیف وسیع‌تری از تطبیق را داشته باشد.

از آنجا که ولتاژ ترمینال سلول خورشیدی با بار و شدت نور خورشید تغییر می‌کند. به خصوص هنگامی که باتری در حال فرسودگی است، ولتاژ ترمینال آن به طور گسترده تغییر می‌کند. به عنوان مثال، برای یک باتری ۱۲ ولتی، ولتاژ ترمینال آن ممکن است بین ۱۰ ولت و ۱۶ ولت متغیر باشد، که مستلزم آن است که اینورتر به طور عادی در محدوده ولتاژ ورودی DC بزرگی کار کند.

طبقه بندی اینورتر فتوولتائیک:

روش‌های زیادی برای طبقه‌بندی اینورترها وجود دارد. به عنوان مثال، بر اساس تعداد فازهای خروجی ولتاژ AC توسط اینورتر، می‌توان آن را به اینورترهای تک فاز و اینورترهای سه فاز تقسیم کرد؛ همچنین به اینورترهای ترانزیستوری، اینورترهای تریستوری و اینورترهای تریستوری خاموش تقسیم می‌شود. بر اساس اصل مدار اینورتر، می‌توان آن را به اینورتر نوسان خود تحریک، اینورتر برهم‌نهی موج پله‌ای و اینورتر مدولاسیون پهنای پالس نیز تقسیم کرد. بر اساس کاربرد در سیستم متصل به شبکه یا سیستم خارج از شبکه، می‌توان آن را به اینورتر متصل به شبکه و اینورتر خارج از شبکه تقسیم کرد. به منظور تسهیل انتخاب اینورتر توسط کاربران اپتوالکترونیک، در اینجا فقط اینورترها بر اساس موارد مختلف قابل اجرا طبقه‌بندی می‌شوند.

۱. اینورتر متمرکز

فناوری اینورتر متمرکز به این صورت است که چندین رشته فتوولتائیک موازی به ورودی DC همان اینورتر متمرکز متصل می‌شوند. عموماً از ماژول‌های قدرت IGBT سه فاز برای توان بالا و از ترانزیستورهای اثر میدانی برای توان پایین استفاده می‌شود. DSP کنترل‌کننده را برای بهبود کیفیت توان تولید شده تبدیل می‌کند و آن را بسیار نزدیک به جریان موج سینوسی می‌کند که معمولاً در سیستم‌های نیروگاه‌های فتوولتائیک بزرگ (>10 کیلووات) استفاده می‌شود. بزرگترین ویژگی این است که توان سیستم بالا و هزینه آن پایین است، اما از آنجا که ولتاژ و جریان خروجی رشته‌های مختلف PV اغلب به طور کامل مطابقت ندارند (به خصوص هنگامی که رشته‌های PV به دلیل ابری، سایه، لکه و غیره تا حدی مسدود شده‌اند)، اینورتر متمرکز اتخاذ می‌شود. تغییر روش منجر به کاهش راندمان فرآیند اینورتر و کاهش انرژی کاربران برق خواهد شد. در عین حال، قابلیت اطمینان تولید برق کل سیستم فتوولتائیک تحت تأثیر وضعیت ضعیف کار یک گروه واحد فتوولتائیک قرار می‌گیرد. آخرین جهت‌گیری تحقیقاتی، استفاده از کنترل مدولاسیون بردار فضایی و توسعه اتصال توپولوژیکی جدید اینورترها برای دستیابی به راندمان بالا در شرایط بار جزئی است.

۲. اینورتر رشته‌ای

اینورتر رشته‌ای بر اساس مفهوم ماژولار ساخته شده است. هر رشته PV (1-5kw) از یک اینورتر عبور می‌کند، حداکثر ردیابی پیک توان را در سمت DC دارد و در سمت AC به صورت موازی متصل می‌شود. محبوب‌ترین اینورتر موجود در بازار.

بسیاری از نیروگاه‌های بزرگ فتوولتائیک از اینورترهای رشته‌ای استفاده می‌کنند. مزیت این است که تحت تأثیر تفاوت‌های ماژول و سایه بین رشته‌ها قرار نمی‌گیرد و در عین حال عدم تطابق بین نقطه کار بهینه ماژول‌های فتوولتائیک و اینورتر را کاهش می‌دهد و در نتیجه تولید برق را افزایش می‌دهد. این مزایای فنی نه تنها هزینه سیستم را کاهش می‌دهد، بلکه قابلیت اطمینان سیستم را نیز افزایش می‌دهد. در عین حال، مفهوم "ارباب-برده" بین رشته‌ها معرفی می‌شود، به طوری که سیستم می‌تواند چندین گروه از رشته‌های فتوولتائیک را به هم متصل کند و اجازه دهد یک یا چند تا از آنها تحت شرایطی که یک رشته انرژی نمی‌تواند یک اینورتر واحد را به کار بیندازد، کار کنند و در نتیجه برق بیشتری تولید کنند.

جدیدترین ایده این است که چندین اینورتر به جای مفهوم «ارباب-برده» با یکدیگر یک «تیم» تشکیل می‌دهند که قابلیت اطمینان سیستم را یک گام جلوتر می‌برد. در حال حاضر، اینورترهای رشته‌ای بدون ترانسفورماتور غالب هستند.

۳. میکرو اینورتر

در یک سیستم فتوولتائیک سنتی، ورودی DC هر اینورتر رشته‌ای به صورت سری به حدود ۱۰ پنل فتوولتائیک متصل می‌شود. وقتی ۱۰ پنل به صورت سری متصل می‌شوند، اگر یکی از آنها به خوبی کار نکند، این رشته تحت تأثیر قرار می‌گیرد. اگر از MPPT یکسانی برای چندین ورودی اینورتر استفاده شود، همه ورودی‌ها نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرند و راندمان تولید برق را تا حد زیادی کاهش می‌دهند. در کاربردهای عملی، عوامل انسداد مختلف مانند ابر، درخت، دودکش، حیوانات، گرد و غبار، یخ و برف باعث ایجاد عوامل فوق می‌شوند و این وضعیت بسیار رایج است. در سیستم فتوولتائیک میکرو-اینورتر، هر پنل به یک میکرو-اینورتر متصل است. وقتی یکی از پنل‌ها به خوبی کار نکند، فقط این پنل تحت تأثیر قرار می‌گیرد. تمام پنل‌های فتوولتائیک دیگر به طور بهینه کار می‌کنند و سیستم کلی را کارآمدتر کرده و برق بیشتری تولید می‌کنند. در کاربردهای عملی، اگر اینورتر رشته‌ای از کار بیفتد، باعث می‌شود چندین کیلووات پنل خورشیدی از کار بیفتند، در حالی که تأثیر خرابی میکرو-اینورتر بسیار کم است.

۴. بهینه‌ساز توان

نصب یک بهینه‌ساز توان در یک سیستم تولید انرژی خورشیدی می‌تواند راندمان تبدیل را تا حد زیادی بهبود بخشد و عملکردهای اینورتر را ساده‌تر کند تا هزینه‌ها کاهش یابد. برای تحقق یک سیستم تولید انرژی خورشیدی هوشمند، بهینه‌ساز توان دستگاه می‌تواند واقعاً هر سلول خورشیدی را به بهترین عملکرد خود برساند و وضعیت مصرف باتری را در هر زمان رصد کند. بهینه‌ساز توان دستگاهی بین سیستم تولید برق و اینورتر است و وظیفه اصلی آن جایگزینی عملکرد ردیابی نقطه توان بهینه اصلی اینورتر است. بهینه‌ساز توان با ساده‌سازی مدار، اسکن ردیابی نقطه توان بهینه بسیار سریعی را به صورت قیاسی انجام می‌دهد و یک سلول خورشیدی واحد با یک بهینه‌ساز توان مطابقت دارد، به طوری که هر سلول خورشیدی می‌تواند واقعاً به ردیابی نقطه توان بهینه دست یابد. علاوه بر این، وضعیت باتری را می‌توان در هر زمان و هر مکان با قرار دادن یک تراشه ارتباطی رصد کرد و مشکل را می‌توان فوراً گزارش داد تا پرسنل مربوطه بتوانند در اسرع وقت آن را تعمیر کنند.

عملکرد اینورتر فتوولتائیک

اینورتر نه تنها عملکرد تبدیل DC-AC را دارد، بلکه عملکرد به حداکثر رساندن عملکرد سلول خورشیدی و عملکرد محافظت در برابر خطای سیستم را نیز دارد. به طور خلاصه، عملکردهای عملکرد و خاموش شدن خودکار، عملکرد کنترل ردیابی حداکثر توان، عملکرد ضد استقلال عملکرد (برای سیستم متصل به شبکه)، عملکرد تنظیم خودکار ولتاژ (برای سیستم متصل به شبکه)، عملکرد تشخیص DC (برای سیستم متصل به شبکه)، عملکرد تشخیص اتصال زمین DC (برای سیستم‌های متصل به شبکه) وجود دارد. در اینجا مقدمه‌ای کوتاه در مورد عملکردهای عملکرد و خاموش شدن خودکار و عملکرد کنترل ردیابی حداکثر توان ارائه شده است.

(1) عملکرد خودکار و توقف

پس از طلوع آفتاب در صبح، شدت تابش خورشید به تدریج افزایش می‌یابد و خروجی سلول خورشیدی نیز افزایش می‌یابد. هنگامی که توان خروجی مورد نیاز اینورتر حاصل شود، اینورتر به طور خودکار شروع به کار می‌کند. پس از شروع به کار، اینورتر همیشه خروجی ماژول سلول خورشیدی را رصد می‌کند. تا زمانی که توان خروجی ماژول سلول خورشیدی بیشتر از توان خروجی مورد نیاز برای کار اینورتر باشد، اینورتر به کار خود ادامه می‌دهد. در هنگام غروب آفتاب، حتی اگر هوا ابری و بارانی باشد، اینورتر متوقف می‌شود. اینورتر همچنین می‌تواند کار کند. هنگامی که خروجی ماژول سلول خورشیدی کوچکتر می‌شود و خروجی اینورتر نزدیک به 0 می‌شود، اینورتر در حالت آماده به کار قرار می‌گیرد.

(2) تابع کنترل ردیابی حداکثر توان

خروجی یک ماژول سلول خورشیدی با شدت تابش خورشید و دمای خود ماژول سلول خورشیدی (دمای تراشه) تغییر می‌کند. علاوه بر این، از آنجایی که ماژول سلول خورشیدی دارای این ویژگی است که ولتاژ با افزایش جریان کاهش می‌یابد، یک نقطه کار بهینه وجود دارد که در آن می‌توان حداکثر توان را به دست آورد. شدت تابش خورشید در حال تغییر است و بدیهی است که نقطه کار بهینه نیز در حال تغییر است. نسبت به این تغییرات، نقطه کار ماژول سلول خورشیدی همیشه در نقطه حداکثر توان است و سیستم همیشه حداکثر توان خروجی را از ماژول سلول خورشیدی به دست می‌آورد. این کنترل، کنترل ردیابی حداکثر توان است. بزرگترین ویژگی اینورترها برای سیستم‌های انرژی خورشیدی این است که آنها شامل عملکرد ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) هستند.