อินเวอร์เตอร์จัดอยู่ในกลุ่มใหญ่ของอุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้าแบบคงที่ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์หลายชนิดที่ใช้กันในปัจจุบัน'อุปกรณ์ต่างๆ ที่สามารถ“แปลง”พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่ป้อนเข้า เช่น แรงดันไฟฟ้าและความถี่ เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่เข้ากันได้กับความต้องการของโหลด

โดยทั่วไปแล้ว อินเวอร์เตอร์คืออุปกรณ์ที่สามารถแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ และพบได้ทั่วไปในงานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า โครงสร้างและการออกแบบของอินเวอร์เตอร์แต่ละประเภทจะแตกต่างกันไปตามการใช้งานเฉพาะ แม้ว่าจุดประสงค์หลักจะเหมือนกัน (การแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ) ก็ตาม

1. อินเวอร์เตอร์แบบแยกอิสระและแบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

โดยทั่วไปแล้ว อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์แบ่งออกเป็นสองประเภทหลักๆ ดังนี้:

:อินเวอร์เตอร์แบบแยกอิสระ

:อินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

อินเวอร์เตอร์แบบสแตนด์อะโลนเหมาะสำหรับใช้งานในกรณีที่โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ไม่ได้เชื่อมต่อกับเครือข่ายการจ่ายพลังงานหลัก อินเวอร์เตอร์สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับโหลดที่เชื่อมต่ออยู่ พร้อมทั้งรักษาเสถียรภาพของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลัก (แรงดันและความถี่) ให้อยู่ภายในขอบเขตที่กำหนดไว้ และสามารถทนต่อสถานการณ์โอเวอร์โหลดชั่วคราวได้ ในสถานการณ์เช่นนี้ อินเวอร์เตอร์จะทำงานร่วมกับระบบจัดเก็บแบตเตอรี่เพื่อให้มั่นใจได้ว่ามีการจ่ายพลังงานอย่างต่อเนื่อง

ในทางกลับกัน อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าสามารถซิงโครไนซ์กับโครงข่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่ได้ เนื่องจากในกรณีนี้ แรงดันและความถี่จะคงที่“บังคับใช้”โดยเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าหลัก อินเวอร์เตอร์เหล่านี้ต้องสามารถตัดการเชื่อมต่อได้หากโครงข่ายไฟฟ้าหลักขัดข้อง เพื่อหลีกเลี่ยงการจ่ายไฟย้อนกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้าหลัก ซึ่งอาจเป็นอันตรายร้ายแรงได้

รูปที่ 1 - ตัวอย่างระบบแบบแยกอิสระและระบบที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ภาพประกอบจาก Biblus

2. บทบาทของตัวเก็บประจุบัสคืออะไร

จุดประสงค์ของอินเวอร์เตอร์คือการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ให้เป็นสัญญาณกระแสสลับ (AC) เพื่อจ่ายพลังงานเข้าสู่โหลด (เช่น โครงข่ายไฟฟ้า) ที่ความถี่ที่กำหนดและมีมุมเฟสเล็ก ๆ (φ ≈0) วงจรอย่างง่ายสำหรับการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) แบบขั้วเดียวเฟสเดียวแสดงอยู่ในรูปที่ 02 (โครงร่างทั่วไปเดียวกันนี้สามารถขยายไปใช้กับระบบสามเฟสได้) ในแผนผังนี้ ระบบ PV ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายแรงดัน DC ที่มีค่าความเหนี่ยวนำของแหล่งจ่าย จะถูกแปลงเป็นสัญญาณ AC ผ่านสวิตช์ IGBT สี่ตัวที่ต่อขนานกับไดโอดฟรีวีลลิ่ง สวิตช์เหล่านี้ถูกควบคุมที่ขาเกตผ่านสัญญาณ PWM ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเอาต์พุตของ IC ที่เปรียบเทียบคลื่นพาหะ (โดยปกติจะเป็นคลื่นไซน์ที่มีความถี่เอาต์พุตที่ต้องการ) และคลื่นอ้างอิงที่มีความถี่สูงกว่ามาก (โดยทั่วไปจะเป็นคลื่นสามเหลี่ยมที่ 5-20 kHz) เอาต์พุตของ IGBT จะถูกแปลงเป็นสัญญาณ AC ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานหรือการป้อนเข้าสู่ระบบโครงข่ายไฟฟ้าผ่านการประยุกต์ใช้ตัวกรอง LC ในรูปแบบต่างๆ

ขอใบเสนอราคา

รูปที่ 2: การปรับความกว้างพัลส์ (PWM) เฟสเดียววงจรอินเวอร์เตอร์ สวิตช์ IGBT ร่วมกับตัวกรองเอาต์พุต LC จะปรับรูปร่างสัญญาณอินพุต DC ให้เป็นสัญญาณ AC ที่ใช้งานได้ ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิด...แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่เป็นอันตรายบริเวณขั้วต่อแผงโซลาร์เซลล์ตัวเก็บประจุได้รับการกำหนดขนาดเพื่อลดสัญญาณรบกวนนี้

การทำงานของ IGBT ทำให้เกิดแรงดันริปเปิลที่ขั้วของแผงโซลาร์เซลล์ แรงดันริปเปิลนี้เป็นอันตรายต่อการทำงานของระบบโซลาร์เซลล์ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับขั้วควรอยู่ที่จุดกำลังสูงสุด (MPP) ของกราฟ IV เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าสูงสุด แรงดันริปเปิลที่ขั้วของแผงโซลาร์เซลล์จะทำให้กำลังไฟฟ้าที่ดึงออกมาจากระบบแกว่งไปมา ส่งผลให้เกิดปัญหาต่างๆ

กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ส่งออกลดลง (รูปที่ 3) มีการเพิ่มตัวเก็บประจุเข้าไปในบัสเพื่อลดความผันผวนของแรงดันไฟฟ้า

รูปที่ 3: แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่เกิดขึ้นที่ขั้วต่อแผงโซลาร์เซลล์จากการทำงานของอินเวอร์เตอร์แบบ PWM ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับแผงโซลาร์เซลล์เบี่ยงเบนไปจากจุดกำลังสูงสุด (MPP) ส่งผลให้เกิดการกระเพื่อมในกำลังไฟฟ้าขาออกของแผง ทำให้กำลังไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยต่ำกว่าค่า MPP ที่กำหนดไว้

ขนาด (ค่าสูงสุดถึงต่ำสุด) ของแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมจะถูกกำหนดโดยความถี่ในการสวิตช์ แรงดันไฟฟ้า PV ความจุของบัส และความเหนี่ยวนำของตัวกรอง ตามสมการต่อไปนี้:

ที่ไหน:

VPV คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของแผงโซลาร์เซลล์

Cbus คือค่าความจุของตัวเก็บประจุในบัส

L คือค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำในวงจรกรอง

fPWM คือความถี่ในการสลับสัญญาณ

สมการ (1) ใช้ได้กับตัวเก็บประจุในอุดมคติที่ป้องกันไม่ให้ประจุไหลผ่านตัวเก็บประจุในระหว่างการชาร์จ และจากนั้นจะคายพลังงานที่อยู่ในสนามไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน ในความเป็นจริง ไม่มีตัวเก็บประจุใดที่สมบูรณ์แบบ (รูปที่ 4) แต่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่าง นอกเหนือจากความจุในอุดมคติแล้ว ไดอิเล็กทริกก็ไม่ได้มีความต้านทานสมบูรณ์แบบ และกระแสรั่วไหลเล็กน้อยจะไหลจากแอโนดไปยังแคโทดตามความต้านทานขนานที่มีค่าจำกัด (Rsh) โดยเลี่ยงความจุของไดอิเล็กทริก (C) เมื่อกระแสไหลผ่านตัวเก็บประจุ พิน ฟอยล์ และไดอิเล็กทริกไม่ได้นำไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์แบบ และมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ต่ออนุกรมกับความจุ สุดท้าย ตัวเก็บประจุจะเก็บพลังงานบางส่วนไว้ในสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงมีความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่า (ESL) ต่ออนุกรมกับความจุและ ESR

รูปที่ 4: วงจรสมมูลของตัวเก็บประจุทั่วไป ตัวเก็บประจุคือประกอบด้วยองค์ประกอบที่ไม่สมบูรณ์แบบหลายอย่าง ได้แก่ ความจุไดอิเล็กทริก (C) ความต้านทานขนานที่ไม่เป็นอนันต์ผ่านไดอิเล็กทริกที่บายพาสตัวเก็บประจุ ความต้านทานอนุกรม (ESR) และความเหนี่ยวนำอนุกรม (ESL)

แม้แต่ในส่วนประกอบที่ดูเหมือนจะเรียบง่ายอย่างตัวเก็บประจุ ก็ยังมีองค์ประกอบหลายอย่างที่อาจเสียหายหรือเสื่อมสภาพได้ แต่ละองค์ประกอบเหล่านี้สามารถส่งผลต่อพฤติกรรมของอินเวอร์เตอร์ได้ทั้งในด้านกระแสสลับและกระแสตรง เพื่อที่จะหาผลกระทบของการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบตัวเก็บประจุที่ไม่สมบูรณ์ต่อแรงดันริปเปิลที่เกิดขึ้นที่ขั้วต่อ PV จึงได้ทำการจำลองอินเวอร์เตอร์แบบ PWM unipolar H-bridge (รูปที่ 2) โดยใช้ SPICE ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำของตัวกรองมีค่า 250µF และ 20mH ตามลำดับ แบบจำลอง SPICE สำหรับ IGBT ได้มาจากงานของ Petrie et al. สัญญาณ PWM ซึ่งควบคุมสวิตช์ IGBT นั้นถูกกำหนดโดยวงจรเปรียบเทียบและวงจรเปรียบเทียบแบบกลับเฟสสำหรับสวิตช์ IGBT ด้านสูงและด้านต่ำตามลำดับ อินพุตสำหรับการควบคุม PWM คือคลื่นพาหะไซน์ 9.5V, 60Hz และคลื่นสามเหลี่ยม 10V, 10kHz