Derzeit basiert die Photovoltaik-Stromerzeugung in China hauptsächlich auf Gleichstrom. Sie lädt die von Solarbatterien erzeugte elektrische Energie, die wiederum die Verbraucher direkt mit Strom versorgt. Beispielsweise basieren die solarbetriebene Beleuchtung von Haushalten in Nordwestchina und die Stromversorgung von Mikrowellenstationen in abgelegenen Gebieten auf Gleichstrom. Diese Art von Systemen ist einfach aufgebaut und kostengünstig. Aufgrund der unterschiedlichen Gleichstromspannungen der Verbraucher (z. B. 12 V, 24 V, 48 V usw.) ist es jedoch schwierig, eine Standardisierung und Kompatibilität des Systems zu erreichen, insbesondere im Bereich der zivilen Stromversorgung, da die meisten Wechselstromverbraucher mit Gleichstrom betrieben werden. Photovoltaik-Stromversorgungssysteme werden sich nur schwer als Standard auf dem Markt etablieren. Darüber hinaus wird die Photovoltaik-Stromerzeugung irgendwann netzgekoppelt betrieben werden, wofür ein ausgereiftes Marktmodell erforderlich ist. Wechselstrom-Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme werden sich in Zukunft zum Mainstream der Photovoltaik-Stromerzeugung entwickeln.
Die Anforderungen des Photovoltaik-Stromerzeugungssystems an die Wechselrichter-Stromversorgung
Das Photovoltaik-Stromerzeugungssystem mit Wechselstromausgang besteht aus vier Teilen: Photovoltaik-Array, Lade- und Entladeregler, Batterie und Wechselrichter (das netzgekoppelte Stromerzeugungssystem kann in der Regel die Batterie schonen). Der Wechselrichter ist die Schlüsselkomponente. Photovoltaik stellt höhere Anforderungen an Wechselrichter:
1. Hohe Effizienz ist erforderlich. Aufgrund der derzeit hohen Preise für Solarzellen ist es notwendig, die Effizienz des Wechselrichters zu verbessern, um die Nutzung der Solarzellen zu maximieren und die Systemeffizienz zu verbessern.
2. Hohe Zuverlässigkeit ist erforderlich. Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme werden derzeit hauptsächlich in abgelegenen Gebieten eingesetzt, und viele Kraftwerke sind unbeaufsichtigt und werden nicht gewartet. Dies erfordert einen vernünftigen Schaltungsaufbau des Wechselrichters, eine sorgfältige Komponentenauswahl und verschiedene Schutzfunktionen, wie z. B. einen Schutz vor Polaritätsanschlüssen am DC-Eingang, einen Kurzschlussschutz am AC-Ausgang, einen Überhitzungs- und Überlastungsschutz usw.
3. Die DC-Eingangsspannung muss einen weiten Anpassungsbereich aufweisen. Da sich die Klemmenspannung der Batterie mit der Belastung und der Sonneneinstrahlung ändert, hat die Batterie zwar einen wichtigen Einfluss auf die Batteriespannung, diese schwankt jedoch mit der Änderung der Restkapazität und des Innenwiderstands der Batterie. Insbesondere bei alternder Batterie schwankt ihre Klemmenspannung stark. Beispielsweise kann die Klemmenspannung einer 12-V-Batterie zwischen 10 und 16 V schwanken. Dies erfordert, dass der Wechselrichter mit einer höheren Gleichspannung arbeitet, um einen normalen Betrieb innerhalb des Eingangsspannungsbereichs und die Stabilität der AC-Ausgangsspannung zu gewährleisten.
4. Bei Photovoltaikanlagen mittlerer und großer Kapazität sollte die Ausgangsspannung des Wechselrichters eine Sinuswelle mit geringer Verzerrung sein. Dies liegt daran, dass bei Verwendung von Rechteckwellen die Ausgangsspannung in Anlagen mittlerer und großer Kapazität mehr Oberwellen enthält, und höhere Oberwellen verursachen zusätzliche Verluste. Viele Photovoltaikanlagen sind mit Kommunikations- oder Messtechnik bestückt. Diese Geräte stellen höhere Anforderungen an die Qualität des Stromnetzes. Um eine Stromverschmutzung des öffentlichen Netzes zu vermeiden, muss der Wechselrichter bei Netzanschluss mittlerer und großer Kapazität ebenfalls eine Sinuswelle ausgeben.
Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Bei niedriger Gleichspannung wird diese durch einen Wechselstromtransformator auf die Standardwechselspannung und -frequenz angehoben. Bei Wechselrichtern mit großer Kapazität ist aufgrund der hohen Zwischenkreisspannung im Allgemeinen kein Transformator zur Anhebung der Spannung auf 220 V erforderlich. Bei Wechselrichtern mittlerer und kleiner Kapazität ist die Gleichspannung relativ niedrig, beispielsweise 12 V. Für 24 V muss eine Boost-Schaltung entwickelt werden. Wechselrichter mittlerer und kleiner Kapazität bestehen im Allgemeinen aus Gegentakt-Wechselrichterschaltungen, Vollbrücken-Wechselrichterschaltungen und Hochfrequenz-Boost-Wechselrichterschaltungen. Gegentaktschaltungen verbinden den Neutralleiter des Boost-Transformators mit dem Pluspol der Stromversorgung, und zwei Leistungsröhren arbeiten abwechselnd und geben Wechselstrom aus. Da die Leistungstransistoren mit der gemeinsamen Masse verbunden sind, sind die Antriebs- und Steuerschaltungen einfach. Da der Transformator eine gewisse Streuinduktivität aufweist, kann er den Kurzschlussstrom begrenzen und so die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessern. Der Nachteil besteht in der geringen Transformatorauslastung und der schlechten Fähigkeit, induktive Lasten anzusteuern.
Die Vollbrücken-Wechselrichterschaltung überwindet die Nachteile der Gegentaktschaltung. Der Leistungstransistor passt die Ausgangsimpulsbreite an, wodurch sich der Effektivwert der Ausgangswechselspannung entsprechend ändert. Da die Schaltung über eine Freilaufschleife verfügt, wird die Ausgangsspannungswellenform auch bei induktiven Lasten nicht verzerrt. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Leistungstransistoren des oberen und unteren Zweigs keine gemeinsame Masse haben, sodass eine separate Ansteuerschaltung oder eine isolierte Stromversorgung erforderlich ist. Um die gemeinsame Leitung der oberen und unteren Brückenzweige zu verhindern, muss die Schaltung so ausgelegt sein, dass sie aus- und wieder eingeschaltet wird. Dies erfordert eine Totzeit, was den Schaltungsaufbau komplizierter macht.
Am Ausgang von Gegentakt- und Vollbrückenschaltungen muss ein Aufwärtstransformator hinzugefügt werden. Da Aufwärtstransformatoren groß, wenig effizient und teuer sind, wird mit der Entwicklung der Leistungs- und Mikroelektroniktechnologie Hochfrequenz-Aufwärtswandlertechnologie eingesetzt, um einen Rückwärtswandler zu erreichen. Dadurch können Wechselrichter mit hoher Leistungsdichte realisiert werden. Die Aufwärtswandlerschaltung der vorderen Stufe dieser Wechselrichterschaltung hat eine Gegentaktstruktur, die Arbeitsfrequenz liegt jedoch über 20 kHz. Der Aufwärtstransformator besteht aus einem hochfrequenten Magnetkernmaterial und ist daher klein und leicht. Nach der Hochfrequenzinversion wird er durch einen Hochfrequenztransformator in hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt. Anschließend wird durch eine Hochfrequenz-Gleichrichterfilterschaltung Hochspannungsgleichstrom (in der Regel über 300 V) erzeugt und anschließend durch eine Netzfrequenzwechselrichterschaltung invertiert.
Mit dieser Schaltungsstruktur wird die Leistung des Wechselrichters erheblich verbessert, der Leerlaufverlust des Wechselrichters entsprechend reduziert und der Wirkungsgrad verbessert. Der Nachteil der Schaltung besteht darin, dass die Schaltung komplizierter ist und die Zuverlässigkeit geringer ist als bei den beiden oben genannten Schaltungen.
Steuerschaltung der Wechselrichterschaltung
Die Hauptschaltungen der oben genannten Wechselrichter müssen alle durch eine Steuerschaltung realisiert werden. Im Allgemeinen gibt es zwei Steuermethoden: Rechteckwelle sowie positive und schwache Welle. Die Wechselrichter-Stromversorgungsschaltung mit Rechteckwellenausgang ist einfach und kostengünstig, weist jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad und hohe Oberwellenanteile auf. Sinuswellenausgang ist der Entwicklungstrend bei Wechselrichtern. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik sind auch Mikroprozessoren mit PWM-Funktionen auf den Markt gekommen. Daher ist die Wechselrichtertechnologie für Sinuswellenausgang ausgereift.
1. Wechselrichter mit Rechteckwellenausgang verwenden derzeit meist pulsweitenmodulierte integrierte Schaltkreise (ICs) wie SG 3 525, TL 494 usw. Die Praxis hat gezeigt, dass durch den Einsatz von SG3525-ICs und Leistungs-FETs als Schaltnetzteile vergleichsweise hohe Leistung und günstige Wechselrichter erreicht werden können. Da der SG3525 Leistungs-FETs direkt ansteuern kann und über eine interne Referenzquelle, einen Operationsverstärker sowie eine Unterspannungsschutzfunktion verfügt, ist seine Peripherieschaltung sehr einfach.
2. Integrierter Steuerschaltkreis für Wechselrichter mit Sinuswellenausgang. Der Steuerschaltkreis des Wechselrichters mit Sinuswellenausgang kann von einem Mikroprozessor gesteuert werden, z. B. vom 80 C 196 MC der Intel Corporation, vom Motorola Company, vom MP 16 und vom PI C 16 C 73 der Microchip Company usw. Diese Ein-Chip-Computer verfügen über mehrere PWM-Generatoren und können die oberen und unteren Brückenzweige einstellen. Während der Totzeit wird der 80 C 196 MC der Intel Corporation verwendet, um den Sinuswellenausgangsschaltkreis zu realisieren. Der 80 C 196 MC vervollständigt die Sinuswellensignalerzeugung und erfasst die AC-Ausgangsspannung, um eine Spannungsstabilisierung zu erreichen.
Auswahl der Leistungsgeräte im Hauptstromkreis des Wechselrichters
Die Wahl der Hauptantriebskomponenten desWechselrichterist sehr wichtig. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Leistungskomponenten zählen Darlington-Leistungstransistoren (BJT), Leistungs-Feldeffekttransistoren (MOS-FET), Isolierschichttransistoren (IGB T) und Abschaltthyristoren (GTO) usw. In Niederspannungssystemen mit geringer Kapazität werden am häufigsten MOSFETs verwendet, da sie einen geringeren Durchlassspannungsabfall und eine höhere Schaltfrequenz aufweisen. IGBTs werden im Allgemeinen in Hochspannungs- und Großkapazitätssystemen verwendet. Dies liegt daran, dass der Durchlasswiderstand von MOSFETs mit steigender Spannung zunimmt und IGBTs in Systemen mittlerer Kapazität im Vorteil sind, während in Systemen mit sehr großer Kapazität (über 100 kVA) im Allgemeinen GTOs als Leistungskomponenten verwendet werden.
Veröffentlichungszeit: 21. Oktober 2021
