Преобразователи мощности необходимы для подключения солнечной батареи к сети. Солнечные батареи могут быть соединены с сетью через одноступенчатый или двухступенчатый способ преобразования мощности, как показано на рис. 1 и рис. 2 соответственно.
Двухступенчатая схема использует преобразователь постоянного тока в постоянный ток для повышения или понижения напряжения фотоэлектрической системы, за которым следует преобразователь постоянного тока в переменный ток для подключения с сетью. В одноэтапной схеме используется только преобразователь постоянного/переменного тока (DC/AC) для подключения с сетью. Одноступенчатая схема имеет более высокую энергоэффективность, чем двухступенчатая; однако конструкция схемы управления более сложна, так как преобразователь постоянного/переменного тока обрабатывает все функции управления для передачи максимально доступной мощности из фотоэлектрического элемента в сеть.
Рассмотрим реализацию одноступенчатой фотоэлектрической системы с подключением к электрической сети, рис. 3. Конденсатор постоянного тока СDC используется для уменьшения колебаний напряжения постоянного тока. Трансформатор с группой соединения Y/Δ используется для повышения напряжения до уровня напряжение энергосистемы и сведения к минимуму гармонических помех в сети. Согласующие реакторы и емкостные фильтры используются для согласования VSC-моста со стороны переменного тока и точки подключения к сети (PCC), а также для минимизации гармоник преобразователя, передаваемых в сеть. Сопротивление R представляет собой внутреннее сопротивление согласующего реактора L, которое выбирается таким образом, чтобы резонансная частота fрез эквивалентной индуктивности Lэкв, с фильтром емкостью C, была меньше частоты переключения DC/AC преобразователя fпреоб.мощ., но больше частоты сети fсети. Эквивалентная индуктивность Lэкв представляет собой сумму индуктивности сети, индуктивного сопротивления трансформатора и согласующего реактора.
Существует несколько типов DC/AC преобразователей для подключения фотоэлектрического элемента к электрической сети. Обычно используется двухуровневый преобразователь напряжения (VSC - voltage source converter), представленный на рис. 4.
Двухуровневый трёхфазный преобразователь напряжения имеет три ветви с двумя ключами, состоящими из IGBT транзисторов и антипараллельного диода. Каждая ветвь преобразователя напряжения подключается к одной фазе сети в том месте, где фазное переменное напряжение может принимать любое из двух значений напряжения, на выходе будет –UDC когда нижние ключи замкнуты или +UDC когда верхние ключи замкнуты на среднюю точку стороны постоянного тока. Частота переключения преобразователя напряжения обычно находится в пределах 1÷4 кГц. Более высокие частоты (4÷20 кГц) могут использоваться для улучшения выходного сигнала, но при этом будут расти потери мощности в преобразователе напряжения.
Переключение ключей преобразователя напряжения производится с помощью синусоидальной широтно-импульсной модуляции (синусоидальной ШИМ) в связи с простотой и минимумом гармоник низкого порядка. В синусоидальной ШИМ формы выходного напряжения генерируются путём сравнения высокочастотной треугольной несущей волны с низкочастотным синусоидальным сигналом модуляции. Сравнение этих двух сигналов генерирует пусковые импульсы, которые управляют переключением каждого ключа моста преобразователя напряжения. Параметры, которые определяют амплитуду и гармоническую составляющую выходного напряжения, являются коэффициент модуляции амплитуды m и коэффициент модуляции частоты mf.
m определяется как отношение амплитуды модулирующего сигнала Ac к амплитуде несущего сигнала, Am. При -1 ≤ m ≤ 1 преобразователь напряжения работает в линейном диапазоне модуляции между несущим сигналом и выходными напряжениями. Для m ≥ 1 преобразователь напряжения становится перемодулированным, ухудшая качество формы выходного напряжения. Модулированные сигналы симметричные, синусоидальные, и генерируются схемой управления фотоэлемента как:
Для генерирования симметричных 3-х фазных сигналов значение частоты mf должно быть целым, кратным 3 mf = 3k, (k ∈ N). Процесс синусоидальной ШИМ для ключей ветви 1 преобразователя напряжения (фаза А), показанной на рис. 4, описывается как:
- Аm > Ac, S1 открыт, S2 закрыт, Uвых = +UDC;
- Аm < Ac, S1 закрыт, S2 открыт, Uвых = -UDC.
