עקרון העבודה והמאפיינים של מהפך פוטו-וולטאי

עקרון העבודה של המהפך:

הליבה של התקן המהפך היא מעגל מתג המהפך, המכונה בקיצור מעגל המהפך.המעגל משלים את פעולת המהפך על ידי הפעלה וכיבוי של המתג האלקטרוני.

מאפיינים:

(1) נדרשת יעילות גבוהה.

בשל המחיר הגבוה של תאים סולאריים כיום, על מנת למקסם את ניצול התאים הסולאריים ולשפר את יעילות המערכת, עלינו לנסות לשפר את יעילות המהפך.

(2) נדרשת אמינות גבוהה.

כיום, מערכת תחנות הכוח הפוטו-וולטאית משמשת בעיקר באזורים מרוחקים, ותחנות כוח רבות אינן מטופלות ומתוחזקות, דבר המחייב את המהפך בעל מבנה מעגל סביר, בחירת רכיבים קפדנית, ומחייב את המהפך בעל פונקציות הגנה שונות, כגון כמו: הגנה הפוכה על קוטביות קלט DC, הגנה על קצר חשמלי במוצא AC, התחממות יתר, הגנת עומס יתר וכו'.

(3) מתח הכניסה נדרש לטווח הסתגלות רחב יותר.

מכיוון שהמתח המסוף של התא הסולארי משתנה עם העומס ועוצמת אור השמש.במיוחד כאשר הסוללה מזדקנת, מתח המסוף שלה משתנה מאוד.לדוגמה, עבור סוללת 12V, מתח המסוף שלה עשוי להשתנות בין 10V ל-16V, מה שמחייב את המהפך לעבוד כרגיל בטווח מתח כניסה גדול של DC.

סיווג מהפך פוטו-וולטאי:

ישנן דרכים רבות לסווג ממירים.לדוגמה, על פי מספר השלבים של פלט מתח AC על ידי המהפך, ניתן לחלק אותו לממירים חד פאזיים וממירים תלת פאזיים;מחולק לממירי טרנזיסטורים, ממירי תיריסטורים וממירי תיריסטורים כבויים.על פי העיקרון של מעגל המהפך, ניתן לחלק אותו גם למהפך תנודה מתרגש, מהפך גל סופרפוזיציה מדורג ומהפך אפנון רוחב דופק.לפי האפליקציה במערכת מחוברת רשת או מערכת מחוץ לרשת, ניתן לחלק אותה למהפך מחובר לרשת ומהפך מחוץ לרשת.על מנת להקל על משתמשים אופטו-אלקטרוניים לבחור ממירים, כאן רק הממירים מסווגים בהתאם לאירועים הרלוונטיים השונים.

1. מהפך מרכזי

טכנולוגיית המהפך המרכזי היא שכמה מיתרים פוטו-וולטאיים מקבילים מחוברים לכניסת DC של אותו מהפך מרכזי.בדרך כלל, מודולי כוח IGBT תלת פאזי משמשים להספק גבוה, וטרנזיסטורי אפקט שדה משמשים להספק נמוך.ה-DSP ממיר את הבקר כדי לשפר את איכות ההספק המופק, מה שהופך אותו קרוב מאוד לזרם גל סינוס, המשמש בדרך כלל במערכות לתחנות כוח פוטו-וולטאיות גדולות (>10kW).התכונה הגדולה ביותר היא שעוצמת המערכת גבוהה והעלות נמוכה, אך בגלל שמתח המוצא והזרם של מיתרי PV שונים לרוב אינם מתאימים לחלוטין (במיוחד כאשר מיתרי ה-PV חסומים חלקית עקב מעונן, צל, כתמים וכו'), המהפך המרכזי מאומץ.שינוי הדרך יביא להפחתת יעילות תהליך האינוורטר ולירידה באנרגיה של משתמשי החשמל.יחד עם זאת, אמינות ייצור החשמל של המערכת הפוטו-וולטאית כולה מושפעת ממצב העבודה הירוד של קבוצת יחידות פוטו-וולטאיות.כיוון המחקר האחרון הוא השימוש בבקרת אפנון וקטור חלל ופיתוח חיבור טופולוגי חדש של ממירים להשגת יעילות גבוהה בתנאי עומס חלקי.

2. מהפך מחרוזת

מהפך המיתרים מבוסס על הרעיון המודולרי.כל מחרוזת PV (1-5kw) עוברת דרך מהפך, יש לו מעקב אחר שיא ההספק המרבי בצד DC, והוא מחובר במקביל בצד AC.המהפך הפופולרי ביותר בשוק.

הרבה תחנות כוח פוטו-וולטאיות גדולות משתמשות בממירי מיתר.היתרון הוא שהוא אינו מושפע מהבדלי מודולים והצללה בין מיתרים, ובמקביל מפחית את חוסר ההתאמה בין נקודת הפעולה האופטימלית של מודולים פוטו-וולטאיים לבין המהפך, ובכך מגדיל את ייצור החשמל.יתרונות טכניים אלה לא רק מפחיתים את עלות המערכת, אלא גם מגבירים את אמינות המערכת.במקביל, המושג "אמן-עבד" מוכנס בין המיתרים, כך שהמערכת יכולה לחבר כמה קבוצות של מיתרים פוטו-וולטאיים יחדיו ולתת לאחד או לכמה מהם לעבוד בתנאי שמחרוזת אנרגיה אחת לא יכולה ליצור עבודת מהפך בודדת., ובכך לייצר יותר חשמל.

התפיסה האחרונה היא שמספר ממירים יוצרים "צוות" אחד עם השני במקום תפיסת "מאסטר-עבד", מה שהופך את אמינות המערכת צעד קדימה.נכון לעכשיו, ממירי מיתר ללא שנאים שלטו.

3. מיקרו מהפך

במערכת PV מסורתית, קצה הכניסה DC של כל מהפך מחרוזת מחובר בסדרה על ידי כ-10 פאנלים פוטו-וולטאיים.כאשר 10 פאנלים מחוברים בסדרה, אם אחד מהם לא יעבוד טוב, המיתר הזה יושפע.אם אותו MPPT משמש לכניסות מרובות של המהפך, כל הכניסות יושפעו גם כן, מה שמפחית מאוד את יעילות ייצור החשמל.ביישומים מעשיים, גורמי חסימה שונים כמו עננים, עצים, ארובות, בעלי חיים, אבק, קרח ושלג יגרמו לגורמים הנ"ל, והמצב שכיח מאוד.במערכת ה-PV של המיקרו-מהפך, כל פאנל מחובר למיקרו-מהפך.כאשר אחד מהפאנלים לא יעבוד טוב, רק פאנל זה יושפע.כל שאר לוחות ה-PV יפעלו בצורה אופטימלית, מה שהופך את המערכת הכוללת ליעילה יותר ומייצר יותר כוח.ביישומים מעשיים, אם מהפך המיתרים יכשל, זה יגרום למספר קילוואט של פאנלים סולאריים לא לתפקד, בעוד שההשפעה של כשל המיקרו-מהפך קטנה למדי.

4. מייעל כוח

התקנת אופטימיזציית הספק במערכת ייצור חשמל סולארית יכולה לשפר מאוד את יעילות ההמרה, ולפשט את הפונקציות של המהפך כדי להפחית עלויות.על מנת לממש מערכת חכמה לייצור אנרגיה סולארית, מייעל ההספק של המכשיר יכול באמת לגרום לכל תא סולארי לבצע את הביצועים הטובים ביותר שלו ולנטר את מצב צריכת הסוללה בכל עת.אופטימיזציית ההספק הוא התקן בין מערכת ייצור החשמל למהפך, ומשימתו העיקרית היא להחליף את פונקציית מעקב נקודת החשמל האופטימלית המקורית של המהפך.אופטימיזציית ההספק מבצע סריקת מעקב אופטימלית אופטימלית מהירה במיוחד באנלוגיה על ידי פישוט המעגל ותא סולארי בודד מתאים למיטוב הספק, כך שכל תא סולארי באמת יכול להשיג את מעקב נקודת הכוח האופטימלי, בנוסף, מצב הסוללה יכול להיות מנוטר בכל זמן ובכל מקום על ידי הכנסת שבב תקשורת וניתן לדווח על התקלה באופן מיידי על מנת שהצוות הרלוונטי יוכל לתקן אותה בהקדם האפשרי.

הפונקציה של מהפך פוטו-וולטאי

למהפך יש לא רק את הפונקציה של המרת DC-AC, אלא גם את הפונקציה של מקסום הביצועים של התא הסולארי ואת הפונקציה של הגנת תקלות המערכת.לסיכום, ישנן פונקציות הפעלה וכיבוי אוטומטיות, פונקציית בקרת מעקב הספק מרבי, פונקציית פעולה אנטי-עצמאית (למערכת המחוברת לרשת), פונקציית כוונון מתח אוטומטי (למערכת המחוברת לרשת), פונקציית זיהוי DC (עבור רשת- מערכת מחוברת), פונקציית זיהוי הארקה DC (עבור מערכות המחוברות לרשת).להלן היכרות קצרה עם פונקציות הפעולה והכיבוי האוטומטיים ופונקציית בקרת מעקב ההספק המרבי.

(1) פעולה אוטומטית ופונקציית עצירה

לאחר הזריחה בבוקר, עוצמת קרינת השמש עולה בהדרגה, וגם תפוקת התא הסולארי עולה.כאשר מגיע כוח המוצא הנדרש על ידי המהפך, המהפך מתחיל לפעול באופן אוטומטי.לאחר כניסתו לפעולה, המהפך יעקוב אחר תפוקת מודול התא הסולארי כל הזמן.כל עוד הספק המוצא של מודול התא הסולארי גדול מהספק המוצא הנדרש כדי שהמהפך יפעל, המהפך ימשיך לפעול;הוא יפסיק עם השקיעה, גם אם יהיה מעונן וגשום.המהפך יכול גם לפעול.כאשר הפלט של מודול התא הסולארי קטן יותר והפלט של המהפך קרוב ל-0, המהפך יהווה מצב המתנה.

(2) פונקציית בקרת מעקב הספק מרבי

הפלט של מודול תא סולארי משתנה עם עוצמת קרינת השמש והטמפרטורה של מודול התא הסולארי עצמו (טמפרטורת השבב).בנוסף, מכיוון שלמודול התא הסולארי יש את המאפיין שהמתח יורד עם עליית הזרם, קיימת נקודת הפעלה אופטימלית שבה ניתן לקבל את ההספק המרבי.עוצמת קרינת השמש משתנה, וברור שגם נקודת העבודה האופטימלית משתנה.ביחס לשינויים אלו, נקודת הפעולה של מודול התא הסולארי היא תמיד בנקודת ההספק המקסימלית, והמערכת תמיד משיגה את תפוקת ההספק המקסימלית ממודול התא הסולארי.בקרה זו היא בקרת מעקב הכוח המקסימלית.המאפיין הגדול ביותר של ממירים למערכות חשמל סולאריות הוא שהם כוללים את הפונקציה של מעקב אחר נקודות חשמל מקסימליות (MPPT).