Resumidamente, o processo de trabalho de um inversor fotovoltaico pode ser dividido em três etapas principais:coleta e otimização de energia, Conversão CC-CA, eadaptação à rede-conectada/fora{1}}da rede. A seguir está uma análise detalhada das perspectivas dos princípios básicos, módulos principais e tecnologias-chave:
I. Objetivos Básicos de Trabalho
As características de saída dos módulos fotovoltaicos são altamente suscetíveis à iluminação e temperatura, apresentando uma relação não linear entre tensão e corrente de saída. Além disso, a energia CC gerada diretamente não pode ser conectada diretamente à rede elétrica ou acionar cargas CA convencionais. Portanto, o inversor precisa atingir dois objetivos principais:
Maximize a produção de energia: Rastreie o ponto máximo de saída de potência dos módulos fotovoltaicos em tempo real por meio da tecnologia MPPT para melhorar ao máximo a eficiência da geração de energia.
Forma de onda e sincronização: converta energia CC em energia CA senoidal que atenda aos padrões da rede (com tensão, frequência e fase consistentes com a rede elétrica) para garantir a segurança-conectada à rede ou a operação estável de cargas-fora da rede.
II. Processo Básico de Trabalho de Inversores Fotovoltaicos
Tomando o mais comuminversores fotovoltaicos-conectados à redepor exemplo, o processo geral de trabalho pode ser dividido em quatro etapas:
Etapa 1: entrada e filtragem DC (processamento do lado-DC)
A saída de energia CC dos módulos fotovoltaicos conectados-em série/paralelo não é absolutamente estável, com ondulações de tensão e flutuações de corrente causadas por alterações de iluminação e diferenças nas características do módulo.
O inversor primeiro se conecta à energia CC através de umFusível CC(para proteção contra sobrecorrente) e umPára-raios DC(para proteção contra surtos).
Então, um circuito de filtro composto porCapacitores/indutores de filtro DCé usado para suavizar as flutuações da tensão CC, fornecendo uma entrada CC estável para o estágio de conversão subsequente.
Etapa 2: Rastreamento máximo de Power Point (MPPT)
Este é um elo fundamental para o inversor melhorar a eficiência da geração de energia. O princípio fundamental é detectar a tensão e a corrente de saída dos módulos fotovoltaicos em tempo real através dealgoritmos de controle, calcule a potência de saída atual e ajuste dinamicamente a tensão de entrada CC do inversor para manter os módulos fotovoltaicos operando no ponto de saída de potência máxima em todos os momentos.
Algoritmos MPPT comuns: Perturbação e Observação (P&O), Condutância Incremental (INC). Dentre eles, o método de condutância incremental apresenta maior precisão e é adequado para cenários com mudanças rápidas de iluminação.
Método de implementação: Ajuste a tensão DC através de umConversor CC-CC(como um circuito intensificador-de reforço). Quando a tensão de saída dos módulos fotovoltaicos é baixa, o circuito Boost aumenta-a para uma tensão de barramento CC adequada para inversão (por exemplo, um barramento CC de 380 V correspondente a uma saída CA de 380 V).
Etapa 3: conversão DC-AC (estágio de inversão principal)
Esta é a função principal do inversor, que essencialmente converte energia CC estável em energia CA semelhante a uma onda senoidal por meio da operação liga-de alta frequência dedispositivos de comutação eletrônica de potência. De acordo com diferentes estruturas topológicas, é dividido principalmente eminversores-monofásicos(para aplicações civis-de baixo consumo de energia) einversores-trifásicos(para aplicações industriais e comerciais de alta-potência), com princípios básicos consistentes:
Troca de dispositivos: são adotados transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) ou transistores de efeito de campo semicondutor de metal-de óxido-semicondutor (MOSFETs), que são "interruptores eletrônicos" para conversão de energia e podem concluir o controle liga/desliga em microssegundos.
Topologia de ponte inversora: O mais comumente usado é ocircuito inversor-ponte completa(com 4 dispositivos de comutação para monofásico-e 6 para trifásico-). Tomando o circuito de ponte-completa-monofásica como exemplo:
As saídas do controladorSinais de modulação por largura de pulso (PWM)para controlar a sequência liga-desligada e o ciclo de trabalho dos 4 IGBTs.
Ao ajustar a largura do pulso, a saída do "trem de pulsos de onda quadrada" dos dispositivos de comutação é filtrada para formar energia CA próxima a uma onda senoidal.
Filtragem AC: A alimentação CA após a inversão contém harmônicos de{0}alta frequência, que precisam ser filtrados por umCircuito de filtro LCcomposto por indutores de filtro CA e capacitores para obter energia CA senoidal pura.
Etapa 4: adaptação e proteção-conectada/fora{2}}da rede (processamento do lado-AC)
1. Inversores-conectados à rede: sincronização e conexão à rede
Se o inversor for usado para geração de energia-conectada à rede, é necessário garantir que a energia CA de saída sejana mesma frequência, fase e tensãocomo rede elétrica:
Detecta-em tempo real a frequência de tensão e a fase da rede elétrica por meio deTecnologia de fase-Locked Loop (PLL), ajuste a fase e a frequência da saída de energia CA do inversor e obtenha uma sincronização precisa com a rede elétrica.
Conecte-se à rede elétrica através de umContator CAe garantir a segurança-conectada à rede por meio deproteção de ilhamento, proteção contra sobretensão/subtensão, proteção contra sobrecorrente, proteção de frequência, etc. (por exemplo, quando a rede elétrica está sem energia, o inversor deve parar de funcionar imediatamente para evitar que o "efeito de ilha" coloque em risco o pessoal de manutenção).
2. Inversores-fora da rede: fonte de alimentação direta
Se o inversor for usado em um sistema fora-da rede (por exemplo, fonte de alimentação fotovoltaica em áreas remotas), a energia CA senoidal filtrada será fornecida diretamente às cargas (por exemplo, eletrodomésticos, equipamentos industriais). Entretanto, pode ser combinado com baterias de armazenamento de energia para obter uma regulação de tensão estável.
III. Principais Tipos de Inversores Fotovoltaicos e Diferenças Topológicas
Diferentes tipos de inversores apresentam pequenas diferenças na topologia do estágio de inversão e são adequados para diferentes cenários:
Inversores centrais(alta-potência, para uso industrial/comercial e usinas fotovoltaicas):
Adotartransformador de frequência de potência/transformador de{0}alta frequênciatopologia. Alguns tipos sem transformador (não{1}}isolados) conseguem isolamento por meio de capacitores, com potência atingindo vários megawatts. Eles são caracterizados por alta integração e operação e manutenção convenientes.
Inversores de string(média e pequena potência, para uso doméstico e sistemas fotovoltaicos distribuídos):
Cada string fotovoltaica é equipada com um controlador MPPT independente, e o estágio de inversão adota uma topologia de ponte-completa. Ele pode rastrear o ponto de potência máxima de cada corda de forma independente, adaptando-se às diferenças de iluminação entre as diferentes cordas (por exemplo, sombreamento).
Microinversores(baixa-potência, para sistemas fotovoltaicos domésticos):
Instalado diretamente na parte traseira dos módulos fotovoltaicos, com um microinversor correspondente a um módulo, realizando a "inversão de nível-do módulo". Possui a mais alta precisão MPPT e é adequado para ambientes de iluminação complexos.
4. Principais indicadores técnicos e impactos no desempenho
Eficiência de inversão: Inversores de alta-qualidade podem atingir uma eficiência máxima superior a 98% (eficiência europeia), o que depende principalmente da perda de condução dos dispositivos de comutação e da precisão de rastreamento do MPPT.
Distorção Harmônica Total (THD): Inversores-conectados à rede exigem THD menor ou igual a 5%. Quanto menor o THD, mais pura será a onda senoidal de saída e menor será a interferência na rede elétrica.
Eficiência MPPT: Geralmente é necessário ser maior ou igual a 99%, o que afeta diretamente a geração geral de energia do sistema fotovoltaico.
Resumo
A essência de um inversor fotovoltaico érealize a conversão da forma de potência por meio de modulação de alta-frequência com dispositivos de comutação eletrônica de potência como núcleo, ao mesmo tempo em que obtém otimização de energia e adaptação à rede por meio de algoritmos de controle. O núcleo do seu princípio de funcionamento reside em:realizando otimização de energia por meio de conversores CC{0}}CC, alcançando conversão CC-CA por meio de pontes inversoras moduladas PWM-e garantindo conexão segura à rede por meio de circuitos-de fase bloqueada e circuitos de proteção. Este processo não apenas utiliza as características de comutação rápida da tecnologia eletrônica de potência, mas também combina a regulação precisa da teoria de controle, servindo como um elo fundamental para a utilização eficaz da energia em sistemas de geração de energia fotovoltaica.
