УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к солнечной энергетике, а именно к устройствам силовой электроники для преобразования энергии.
Из уровня техники известна конструкция однофазного, неизолированного, миниатюрного силового инвертора для преобразования постоянного тока в переменный и предназначеного для создания силового инвертора с выходной удельной мощностью более 3000 Вт/дм (см. RU 2702103 C2, опубл. 04.10.2019) (1). Силовой инвертор помещен в корпус, изготовленный в виде наружной электропроводящей оболочки, вмещающей в себя вентилятор, выполненный с возможностью нагнетать воздух в осевом направлении к боковой поверхности корпуса, и многоуровневую вертикальную структуру, последовательно от нижней стороны до верхней стороны содержащую: слой активных фильтрующих конденсаторов, теплоотвод, слой переключателей из широкозонных полупроводников, соединенных с печатной платой тепловыми сквозными перемычками, и слой активных фильтрующих индукторов, причем вентилятор и многоуровневая структура компонентов выполнены так, что в процессе эксплуатации наружная температура корпуса не превышает 60°С в любой точке при максимальной температуре окружающей среды 30°С и максимальной нагрузке 2 кВА.
Недостатком указанного устройства (1) являются большие потери при конвертации прямого тока.
Из уровня техники также известен, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, инвертор (см. CN 105978476 A, опубл. 28.09.2016), содержащий накопительный конденсатор энергии и первый модуль разрыва цепи и второй модуль разрыва цепи; первый модуль разрыва цепи подключен между первым входным узлом инвертора и первым концом накопительного конденсатора; второй модуль разрыва цепи подключен между вторым входным узлом инвертора и вторым концом конденсатора; и включение и выключение первого модуля размыкания цепи и второго модуля размыкания цепи управляются вторым контроллером инвертора; инвертор также содержит командный блок, используемый для передачи волн несущей связи по линии передачи, соединенной с первым входным узлом инвертора, и/или по линии передачи, соединенной со вторым входным узлом инвертора, чтобы понять, что инвертор передает командовать информацией на улицу.
Недостатком наиболее близкого аналога (2) является низкая эффективность и управляемость устройства.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение срока службы и надежности силовых преобразователей, повышение эффективности преобразования, снижение количества компонентов и массогабаритных характеристик инверторов.
Технический результат достигается за счет создания устройства преобразования энергии, содержащего солнечные панели, последовательно соединенные в стринги, стринги соединяются параллельно с применением байпас-диодов, суб-панельный DPP конвертер установлен внутри панели на плате, инвертор подключен к солнечным панелям, разделенным на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе: инвертор, представляющий собой DC-AC преобразователь на нитрид- галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе, и МРР трекер, представляющий собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной эффективности стринга и конвертирующий постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора, инвертор имеет мостовую схему инвертора напряжения с использованием нитрид-галлиевых транзисторов, а также реле для переключения между домашней сетью питания и линией цепи инверторов, обратную связь для измерения тока в цепи, обратную связь для измерения входного и выходного напряжений и микроконтроллер со встроенным математическим процессором, в качестве преобразователя энергии МРРТ использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого преобразователя и два полевых нитрид-галлиевых транзистора, объединенных простым полумостом с двумя полевыми транзисторами, предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом.
Заявленная полезная модель проиллюстрирован следующими изображениями:
Фиг. 1 - блок-схема устройства с массивами солнечных панелей с встроенными субмодулями DPP-конверторами и инвертором;
Фиг. 2 - блок-схем солнечной панели с DPP-конверторами и функциональная схема работа DPP-конверторов;
Фиг. 3 - блок-схема подключения галлий-никелевого транзистора;
Фиг. 4 - блок-схема МРРТ конвертора.
Позиции на фиг. 1-4 обозначают следующее:
1 - солнечная панель;
2 - DPP конвертеры;
3 - AC/DC преобразователь;
4 - МРРТ конвертор;
5 - DC/DC конвертор;
6 - батарея.
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
Традиционная солнечная панель состоит из 60-72 ячеек, каждая из которых может вырабатывать 0,5 В и 5 А прямого тока. Эти панели (36 В, 5 А) соединяются последовательно в стринги (цепочки) для достижения высоких значении напряжения, что уменьшает потери в соединительных проводах. Стринги соединяются параллельно для получения желаемого уровня общей мощности/ тока, формируя таким образом "массив солнечных панелей.
Выработка электроэнергии массивом солнечных панелей зависит от характеристик самих панелей, уровня освещенности и температуры, а также типа подключенной нагрузки. Причем именно уровень освещенности может меняться наиболее быстро.
2
Затенение можно разбить на два типа: мягкое - небольшое снижение освещенности, возникшее из-за удаленного объекта (облака или дерева) и жесткое - полная блокировка солнечного света из-за близкого препятствия. При мягком затенении напряжение меняется слабо при сохранении уровня иррадиации более 50 Вт/м, а сильно снижается ток. Напряжение зависит больше от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводникового материала ячейки. При последовательном соединении ячеек, общая сила тока ограничена током, вырабатываемым самой затененной ячейкой, так как он самый маленький. Более того, ток, вырабатываемый незатененными ячейками, приведет к его прохождению через затененную, нагревая ее и вызывая риск выхода из строя. Поэтому применяют байпас-диоды, соединяющие параллельно цепочки из 24 последовательных ячеек. Эти 24 ячейки формируют субстринг ячеек.
Такая конструкция панели дает возможность формировать массив, отслеживая точку максимальной мощности в нескольких местах: в центре массива, в каждом последовательном стринге, на каждой панели или внутри нее, заменив байпас-диоды на отдельные DPP конвертеры.
Инвертор позволяет подключить до 6 кВт солнечных панелей, разделенных на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, позволяющей максимизировать использование пространства для размещения панелей, и обладает функциями: синхронизации с сетью, отключения панелей в случае неисправности, интеграции с BMS батареи литий-ионных аккумуляторов, простотой установки и подключения стандартными проводами и разъемами, дистанционного мониторинга через облачный" сервер и мобильное приложение.
Инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе:
1. Непосредственно инвертор, представляющий собой DC-АС преобразователь на нитрид- галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе.
2. МРР трекер, представляющий собою DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной" эффективности стринга и конвертирующий" постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора.
Инвертор может дополнительно комплектоваться встроенными субпанельными DPP (Differential Power Processing) конвертерами, предназначенными для перераспределения разности мощностей между двумя соседними субстригами панели.
DPP конвертер включается в работу лишь при появлении разницы в мощностях субстрингов и работает не с полной мощностью субстринга, а с величиной разности мощностей"двух соседних субстрингов, перераспределяя часть тока таким образом, что становится возможно найти максимум мощности для обоих субстрингов. Для массивов без жесткой"тени достаточно использования встроенного в инвертор стрингового МРР трекера с мощностью стринга до 3 кВт. В случаях, если инсталляция предполагает периоды дня, когда ближайшие препятствия (соседние постройки, деревья и т.д.) загораживают прямой солнечный свет, более актуальна распределенная система с суб-панельными (для моно- или поликремневых панелей) или панельными (для тонких панелей) DPP конверторами. В этой комплектации, панели соединяются в стринги, а стринги могут быть соединены параллельно для достижения желаемого тока/мощности.
Стринговыи DC-DC конвертор с МРР трекером представляет собой бестранформаторныи повышающий полумост. ыбор топологии неизолированного полумоста обусловлен тем, что на широком диапазоне мощностей эффективность превышает 98,5% для полной мощности, малым количеством компонентов и компактными размерами.
Каждый из двух МРР трекеров DC-DC конвертера для подключения оборудован стандартными разъемами МС4. Пиковая мощность - 3 кВт, входное напряжение - от 120 до 400 VDC, максимальный входной ток - 8 А, выходное напряжение - 380 VDC, эффективность до 99,3%
-
Рассмотрим более подробно архитектуру всей системы целиком (Фиг. 1), а затем по отдельности все ее элементы: панели с суб-панельными DPP конверторами, стринговыи МРРТ конвертер - с интегрированным алгоритмом отслеживания, инвертор - формирователь переменного напряжения 220 В, а также модуль сопряжения с литии-ионнои батареей.
Задача снижения потерь в процессе доставки электроэнергии от массива солнечных панелей является приоритетной при выборе архитектуры системы.
После тщательного анализа, экспериментов и моделирования, выбор был сделан в пользу следующей архитектуры системы. Высоковольтная шина постоянного тока 380 В формируется при помощи DC-DC стрингового boost конвертера. Причем отслеживание точки максимальной мощности происходит в два этапа - в стринговом конверетере происходит отслеживание глобального максимума стринга, а в субпанельном DPP конверторе решаются проблемы максимизации силы тока, понижающегося в случае жесткого затенения, загрязнения (в том числе снегом или листвой), старения и производственных дефектов солнечной панели. Преобразование в 220 В переменного тока происходит в однофазном центральном инверторе. Опционально к шине 380 В может быть подсоединена высоковольтная батарея (либо с DC-DC конвертером на напряжение батареи). Ее сопряжение с сетью 220 В происходит через инвертор.
Такая архитектура дает проектировщикам солнечного массива большую степень гибкости в определении длины стрингов, различной ориентации панелей и позволяет устанавливать панели в областях с жестким затенением и различной ориентацией.
Суб-панельныи DPP (Differential Power Processing) конвертер предназначен для перераспределения разности мощностей между двумя соседними субстригами. Конвертер включается в работу лишь при появлении разницы в мощностях субстрингов и работает не с полной мощностью субстринга, а с величиной разности мощностей двух соседних субстрингов, перераспределяя часть тока таким образом, что становится возможно найти максимум мощности для обоих субстрингов, повышая силу тока (понижающий"напряжение) каждого суб-стринга.
В случае, когда сила тока суб-стринга падает вследствие затенения или загрязнения, в традиционной панели анти-параллельныи байпас-диод блокирует этот суб-стринг, предупреждая обратное течение тока, нагрев и повреждение ячеек, либо снижает выработку панели до силы тока самой слабой ячейки.
DPP конвертер выравнивает силу тока "просевшего" субстринга до максимального значения соседних суб-стрингов.
Даже с учетом решения проблемы оптимизации генерации внутри каждой панели, проблема нахождения глобального максимума мощности стринга нуждается в решении.
Согласно теореме МРРТ (maximum power transfer theorem), мощность в цепи максимальна тогда и только тогда, когда импеданс источника совпадает с импедансом нагрузки. Таким образом, проблема нахождения максимума мощности сводится к проблеме совмещения импеданса.
В силу того, что при освещенности панели выше 50 Вт/м2 меняется, в основном, сила тока, а напряжение остается практически одинаковым, высокая эффективность конвертации достигается за счет низкого соотношения преобразования, не выше 1:1,5. Если соотношение выше, то эффективность выше 99% не достигается.
Соединяя панели последовательно, можно набрать напряжение близкое, но не превышающее 380 В. Причем в точке максимальной мощности у каждой панели оно будет колебаться в районе 30 В. Таким образом, соотношение 1:1,5 соблюдается при комбинации панелей в стринги не менее 8 и не более 13 панелей. Учитывая, что средняя мощность панели составляет 250 Вт, получаем мощность стринга от 2 до 3 кВт. Без ущерба для эффективности можно будет комплектовать два стринга параллельно, получая от 2 до 6 кВт мощности. Указанный диапазон предоставляет потребителю достаточную гибкость для формирования любой желаемой мощности без потери эффективности, а наличие двух входов для отслеживания МРР уже стало де-факто отраслевым стандартом.
DC/DC преобразователь формирует напряжение шины постоянного тока 380 В. На входе он получает постоянный ток в диапазоне от 100 до 600 В, с силой тока до 15А. Упрощенная принципиальная схема DC/DC преобразователя стрингового МРР-трекера инвертора показана на рис. 4 Приложения.
Выбранная топология - это полумост на двух GaN транзисторах, один из которых является ключом активной мощности, а второй" утилизирует ток свободного хода (freewheeling current). Низкий уровень обратного тока дает возможность отказаться от обратного диода, еще более сократив количество элементов.
Эффективность при частичной обработке мощности достигает 99,3%. 2 транзистора 650 В GaN FET работают с частотой 250 кГц.
В качестве реализации задачи было принято решение использовать классическую мостовую схему инвертора.
Выбор использования данных транзисторов обусловлен их высокой эффективностью при высокой мощности.
Когда ток через шунтирующий резистор низкого уровня достигает определенного порогового уровня, возникает перегрузка по току и схема защиты предотвращает повреждение системы инвертора путем отключения выходов переключения ШИМ управляющей микросхемы.
Ошибка перенапряжения обнаруживается, когда напряжение шины постоянного тока достигает определенного порогового уровня. Если обнаружена ошибка перенапряжения, система предотвращает повреждение системы инвертора, отключая
ШИМ выхода управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются, когда напряжение шины постоянного тока возвращается к нормальному диапазону.
Ошибка пониженного напряжения обнаруживается, когда напряжение шины постоянного тока падает ниже определенного порогового уровня. Если обнаружена ошибка пониженного напряжения, система предотвращает повреждение системы инвертора, отключая ШИМ переключения выхода управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются, когда напряжение шины постоянного тока возвращается к нормальному диапазону.
Неисправность защиты от замыкания обнаруживается при отключении напряжения сети переменного тока. Если анти-islanding ошибка обнаружена, то система не позволяет независимому выходному напряжению инвертора достигать сети переменного тока, закрывая ШИМ-выход управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются при изменении напряжения сети переменного тока.
МРР трекер, представляет собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной"эффективности стринга солнечных панелей и конвертирует постоянный ток для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора.
В качестве преобразователя энергии МРРТ была использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого понижающего или повышающего преобразователя.
Высокие характеристики переключения и эффективность достижимы с помощью полевых транзисторов GaN 650 В. В режиме «бак» или «буст» схему можно настроить для синхронного выпрямления. Перемычки позволяют использовать один логический вход или отдельные входы Hi / Lo. Вход и выход высокого напряжения могут работать при напряжении до 400 В постоянного тока при выходной мощности до 2,5 кВт. Предусмотренный индуктор предназначен для эффективной работы при 100 кГц, хотя другие катушки индуктивности и другие частоты также могут быть использованы.
Схема содержит простой полумост с двумя полевыми транзисторами GaN.
Предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом, в зависимости от конфигурации - повышающий или понижающий конвертер.
В любом случае один полевой транзистор действует как активный выключатель питания, а другой - как ток свободного хода. При использовании GaN FET обратный ток восстановления является низким, и поэтому нет необходимости в дополнительных диодах свободного хода. Предусмотрено два входных разъема, которые можно подключить к источникам команд логического уровня, сигналы для драйвера hi / lo gate. Оба входа могут управляться внешними источниками сигнала; или, альтернативно, один источник сигнала может быть подключен к встроенной схеме генератора импульсов, которая генерирует два непересекающихся импульса. Перемычки определяют, как используются входные сигналы.
Индуктор предоставляется в качестве отправной точки для исследования. Это тороид 440 мкГн, предназначенный для последующей оптимизации. Он представляет собой компромисс между размером и эффективностью для мощности до 2,5 кВт при частоте переключения 100 кГц.
Для работы в режиме понижения, с входным напряжением 400 В и выходным напряжением 48 В; Максимальный выходной ток 50 А достигается при 2500 Вт с рабочим циклом 12%. Типичная нагрузка 400 В - 200 В с рабочим циклом 50%, максимальный выходной ток 6,5 А на 2500 Вт. С другой стороны, для режима повышения напряжения 200 В - 400 В при 2,5 кВт можно достичь максимального выходного тока 12,5 А с рабочим циклом 50%. Тепловое охлаждение всегда должно быть обеспечено для высоких значений тока переключения.
Таким образом, при использовании заявленной полезной модели достигается: высокая эффективность конверсии при полной и частичной нагрузке, легкость управления системой, высокая плотность энергии, уменьшенное количество компонентов для снижения стоимости и продления жизненного цикла системы.