Конкретный метод реализации оптимизатора напряжения

Ниже будут объединены различные варианты осуществления для ясного и полного объяснения схемы настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления являются лишь вариантами, используемыми для повествования и объяснения настоящего изобретения, а не всеми вариантами осуществления. На основе этих вариантов осуществления схемы, полученные специалистами в данной области без творческой работы, относятся к объему защиты настоящего изобретения.
В импульсной системе питания в качестве переключающих элементов обычно используются силовые полупроводниковые приборы, а выходное напряжение регулируется путем периодического включения и выключения переключателя и управления коэффициентом заполнения переключающих элементов. Импульсный источник питания в основном состоит из входной цепи, цепи преобразования, выходной цепи и блока управления. Преобразование энергии является его основной частью, которая в основном состоит из цепи переключения, а в некоторых случаях также применяется трансформатор. Для удовлетворения требований высокой плотности мощности преобразователь должен работать в высокочастотном режиме, а переключающий транзистор должен использовать кварцевый резонатор с высокой скоростью переключения и коротким временем включения и выключения. Типичными силовыми переключателями являются силовые тиристоры, силовые полевые транзисторы и изолированные биполярные транзисторы. Режим управления подразделяется на широтно-импульсную модуляцию, смешанную широтно-импульсную и частотную модуляцию, импульсно-частотную модуляцию и т. д., при этом широко используется широтно-импульсная модуляция. Импульсные источники питания (ИМП) подразделяются на преобразователи переменного тока в переменный (AC/AC), такие как частотные преобразователи и трансформаторы, в зависимости от формы входного и выходного напряжения; на преобразователи переменного тока в постоянный (AC/DC), такие как выпрямители; на преобразователи постоянного тока в переменный (DC/AC), такие как инверторы; и на преобразователи постоянного тока в постоянный (DC/DC), такие как преобразователи напряжения и преобразователи тока. В данном применении импульсный источник питания в основном представляет собой преобразователь постоянного тока в напряжение. Шум переключения, возникающий при работе импульсного источника питания, вызывает электромагнитные помехи в электронном оборудовании, включая импульсный источник питания. Шум переключения — это шумовая составляющая и определенные гармонические составляющие, вызванные частотой переключения силового ключа в импульсном источнике питания. При возникновении электромагнитных помех нарушается работа периферийных электронных устройств силового устройства, включая импульсный источник питания. Традиционный метод подавления электромагнитных помех заключается в изменении метода модуляции частоты переключения. Однако метод частотной модуляции приводит к возникновению пульсаций выходного напряжения, модулированных в соответствии с частотой переключения, и эти пульсации накладываются на составляющую пульсаций выходного напряжения, вызванную пульсациями входного напряжения, что приводит к генерации больших пульсаций выходного напряжения.
В системе импульсного источника питания в данном применении в полной мере используются характеристики самого импульсного источника питания, такие как преобразователь постоянного тока в постоянный, рассматриваемый как оптимизатор мощности, путем добавления индуктивных/конденсаторных элементов в схему преобразования напряжения, связи выходного напряжения переключения, генерируемого схемой преобразования напряжения, с входным или выходным концом самой схемы и дальнейшей передачи его на общую линию электропередачи постоянного тока для обеспечения полного последовательного напряжения.

Оптимизатор напряжения — это преобразователь постоянного тока с понижающе-повышающей характеристикой, а также устройство с отслеживанием максимальной мощности батареи на уровне отдельных компонентов. После того, как оптимизатор мощности оптимизирует максимальную мощность отдельного компонента, она передается на оконечный инвертор для преобразования постоянного тока в переменный, а затем подается для локального потребления, генерации электроэнергии и подключения к сети. Оконечный инвертор обычно может быть чистым инверторным устройством без отслеживания максимальной мощности или инверторным устройством, оснащенным вторичным отслеживанием максимальной мощности. Основные оптимизаторы мощности делятся на последовательные и параллельные, и их топология немного отличается, например, BUCK, BOOST или BUCK-BOOST схемы.
Последовательный оптимизатор мощности использует концепцию фиксированного напряжения. Проще говоря, плата управления инвертором определяет стабильное напряжение шины постоянного тока на основе напряжения на клеммах переменного тока, суммирует максимальную мощность, собранную каждым последовательно соединенным оптимизатором, а затем вычисляет ток шины и передает его на оптимизатор по беспроводной связи или через силовой канал. В это время напряжение на выходе каждого оптимизатора равно максимальной мощности собранного компонента, деленной на ток шины. При блокировке компонента оптимизатор повторно определяет максимальное значение выходной мощности на основе вольт-амперной характеристики и передает его на плату управления инвертором по беспроводной связи или через силовой канал. При условии поддержания напряжения на шине постоянного тока.

При неизменном напряжении плата управления пересчитывает ток шины (он становится меньше) и подает его обратно в каждый оптимизатор. В это время мощность заблокированного компонента уменьшается, и оптимизатор также уменьшает напряжение, чтобы убедиться, что выходной ток соответствует стандарту. Оптимизаторы других незаблокированных компонентов увеличивают напряжение, чтобы соответствовать стандарту выходного тока. Если компонент заблокирован слишком сильно, оптимизатор мощности обходит сильно заблокированный компонент до тех пор, пока он не вернется в рабочее состояние. Эта регулировка фактически является процессом дополнения напряжения, обеспечивая инвертор наиболее стабильным и оптимизированным напряжением шины постоянного тока.
Параллельный оптимизатор мощности также использует режим фиксированного напряжения. Инвертор определяет напряжение шины на основе замкнутого контура постоянного и переменного тока. Каждый оптимизатор повышает напряжение на своем выходном выводе до заданного значения. В это время входной ток инвертора эквивалентен сумме токов после деления максимальной мощности, собранной каждым оптимизатором, на номинальное напряжение. Поскольку препятствия в виде плотных облаков мало влияют на напряжение компонентов, а в основном воздействуют на выходной ток, параллельные оптимизаторы, как правило, не требуют частой регулировки несоответствия напряжения, и благодаря параллельному соединению выходные токи не влияют друг на друга, что действительно можно считать преимуществом параллельных оптимизаторов перед последовательными. В то же время, если отдельные компоненты сильно засорены и повышающий преобразователь не может запуститься, оптимизатор автоматически отключается, посылает сигнал ошибки и перезапускается до устранения проблемы с засорением. Однако по сравнению с последовательной топологией параллельная топология также имеет те же недостатки, что и микроинвертор, и диапазон повышения напряжения велик. В настоящее время наиболее распространенное напряжение холостого хода компонентов составляет около 38 вольт, а рабочее напряжение — около 30 вольт. В нормальных условиях диапазон повышения и понижения напряжения в последовательной топологии контролируется в пределах 10–30%, а при недостаточном напряжении этот диапазон увеличивается до 10–90%. Однако как параллельная топология, так и микроинвертор требуют повышения входного напряжения компонентов до относительно высокого значения, около 400 В, что, очевидно, эквивалентно десятикратному увеличению. Это более сложный рабочий цикл для повышающего устройства, управляемого только переключателем без использования трансформатора.
Одной из главных топологических особенностей оптимизатора мощности является разделение функциональности компонентов и инвертора, что отличает его от традиционной фотоэлектрической системы. Кажется, что компоненты соединены с инвертором через оптимизатор, но на самом деле компоненты используются только для запуска оптимизатора, а оптимизатор собирает максимальную мощность компонентов, а затем взаимодействует с ними для обеспечения функции инвертора. Поскольку технология фиксированного напряжения решает не только проблему частичного затенения фотоэлектрической системы выработки электроэнергии, но и для системы с несколькими цепочками, количество компонентов в каждой цепочке не обязательно должно быть одинаковым, и даже ориентация каждого компонента в одной и той же группе цепочек не обязательно должна быть одинаковой. Для последовательного оптимизатора напряжение холостого хода после отключения составляет всего лишь крошечное значение в 1 В. Для параллельного оптимизатора напряжение холостого хода после отключения в лучшем случае равно напряжению холостого хода компонента, что также является шагом вперед в плане безопасности и надежности системы генерации электроэнергии.
Помимо структурных преимуществ топологии схемы, оптимизатор мощности также обладает присущими ему преимуществами в алгоритме отслеживания точки максимальной мощности. Традиционный алгоритм отслеживания точки максимальной мощности в основном основан на двух типах: методе восхождения на холм и методе логических измерений. Усовершенствованный метод отслеживания также использует комбинированный метод: например, метод восхождения на холм сочетается с методом постоянного диапазона, и для поиска точки максимальной мощности используется метод полного сканирования с фиксированным временным интервалом; также существует комбинация метода наклонной полярности и метода приращения проводимости, и для поиска точки максимальной мощности используется метод управления шагом обнаружения. В идеальных условиях тестирования точность этих алгоритмов может достигать более 99%. Фактически, наибольшую проблему в настоящее время представляют многопиковые и легкие скачки напряжения. Многопиковое распределение означает наличие нескольких пиков мощности на кривой зависимости мощности от тока или мощности от напряжения массива. Причин этому много. Одна из них – блокировка некоторых компонентов и отклонение шунтирующих диодов в прямом направлении, в результате чего треть ячеек оказывается зашунтированной, что приводит к снижению рабочего напряжения группы ячеек, а это, в свою очередь, вызывает несоответствие напряжений в массиве и множественные пики. Или же из-за блокировки шунтирующие диоды остаются в обратном направлении.

Отклонение сигнала не происходит, и в той же цепи возникает несоответствие тока, что приводит к появлению множественных пиков. Множественные пики и внезапные увеличения освещенности оказывают огромное влияние на многие алгоритмы определения точки максимальной мощности. Из-за их неконтролируемого и изменчивого характера они могут сбивать с толку трекер при определении направления обнаружения и того, какой пик является точкой максимальной мощности. На самом деле, основная причина этой проблемы заключается в слишком большом количестве подключенных компонентов. Представьте, что каждый оптимизатор подключен только к одному компоненту, каждый компонент имеет всего два или три шунтирующих диода, и компоненты не влияют друг на друга. Это значительно упрощает анализ и отслеживание точки максимальной мощности, а логическое редактирование контроллера также становится очень простым и точным. Поскольку это всего лишь вольт-амперная характеристика 38 вольт и 8,9 ампер, отслеживание точки максимальной мощности оптимизатором не требует использования традиционных алгоритмов. В настоящее время существуют два распространенных метода. Первый — это метод отслеживания касательной точки, а второй — комбинация метода управления сопротивлением и метода управления напряжением с вторичным отслеживанием. Именно благодаря этому преимуществу оптимизатор может обеспечить увеличение производительности на 30% по сравнению с традиционными инверторами. Кроме того, в отличие от ограниченной мощности переменного тока микроинверторов, оптимизаторы мощности могут полностью передавать собранную мощность инвертору.
Оптимизатор мощности совместим не только со всеми кристаллическими кремниевыми панелями, но и с некоторыми системами тонкопленочных батарей. В отрасли также прилагаются значительные усилия для расширения диапазона совместимости оптимизатора. Однако большинство микроинверторов несовместимы или функционально заземлены, что делает их несовместимыми с некоторыми распространенными компонентами на рынке. В то же время диапазон входного напряжения оптимизатора мощности составляет приблизительно от 5 до 50 вольт, что гарантирует, что даже при сильном перегрузе компонентов схема оптимизации сможет оставаться в рабочем состоянии и продолжать работу. Оптимизатор мощности может быть сопряжен с инвертором стороннего производителя и взаимодействовать с ним и регулировать систему через дополнительный блок управления. Оптимизатор мощности или схема преобразования напряжения по сути представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, например, схемы BUCK, BOOST и BUCK-BOOST. Следует подчеркнуть, что любое решение для отслеживания максимальной мощности фотоэлектрических элементов, известное из предшествующего уровня техники, также применимо к схеме преобразования напряжения в данном приложении. К распространенным методам отслеживания максимальной мощности относятся метод постоянного напряжения, метод приращения проводимости, метод наблюдения возмущений и т. д. В данном приложении не будет подробно рассматриваться, как схема преобразования напряжения выполняет отслеживание максимальной мощности MPPT.
В области фотоэлектрической генерации электроэнергии фотоэлектрические модули или фотоэлектрические элементы (PV) являются одним из основных компонентов генерации электроэнергии. Солнечные панели в направлении основных технологий делятся на монокристаллические кремниевые солнечные элементы, поликристаллические кремниевые солнечные элементы, аморфные кремниевые солнечные элементы и т. д. Количество аккумуляторных модулей, используемых в крупных централизованных фотоэлектрических электростанциях, огромно, а количество аккумуляторных модулей, используемых в небольших распределенных бытовых электростанциях, относительно невелико. Поскольку требуемый срок службы кремниевых элементов в этой области обычно составляет более 20 лет, крайне важно контролировать долгосрочную надежность и долговечность панелей. Многие внутренние и внешние факторы приводят к снижению эффективности выработки электроэнергии фотоэлектрическими модулями, такие как производственные или монтажные различия между самими фотоэлектрическими модулями, затенение или адаптация к отслеживанию максимальной мощности, что приводит к снижению эффективности. В качестве примера рассмотрим типичное экранирование затенением: если часть фотоэлектрических модулей экранирована облаками, зданиями, тенями деревьев, грязью и другими подобными факторами, эти модули переключатся с источника питания на нагрузку и перестанут вырабатывать электроэнергию. Локальная температура фотоэлектрических модулей в местах с сильным эффектом перегрева может быть высокой, а в некоторых случаях даже превышать 150 °C, что приводит к локальному выгоранию модулей или образованию темных пятен, плавлению паяных соединений, старению упаковочных материалов, растрескиванию стекла, коррозии и другим необратимым повреждениям, что представляет серьезную скрытую опасность для долгосрочной безопасности и надежности фотоэлектрических модулей. Проблема, которую необходимо решить в фотоэлектрических электростанциях/системах, заключается в следующем: возможность отслеживать рабочее состояние каждой установленной фотоэлектрической панели в режиме реального времени и предупреждать о нештатных ситуациях, таких как перегрев, перенапряжение, перегрузка по току и короткое замыкание на выходе батареи. Крайне важно принимать аварийные меры, такие как активное защитное отключение или другие меры в случае неисправности батарей. Это актуально как для централизованных фотоэлектрических электростанций, так и для распределенных малых электростанций.

На электростанции необходимо оценивать и выявлять компоненты с потенциальными проблемами на основе данных о рабочих параметрах, собранных для фотоэлектрических модулей.
В области фотоэлектрической генерации электроэнергии фотоэлектрические модули или фотоэлементы необходимо соединять последовательно, образуя группу батарей, а затем эта группа батарей подключается параллельно к силовому оборудованию, такому как распределительная коробка или инвертор, что предполагает установку модулей или батарей, требующую абсолютной безопасности. Если в фотоэлектрическом модуле возникает неисправность, например, перегрев, перенапряжение или перегрузка по току, необходимо незамедлительно инициировать отключение этих неисправных фотоэлектрических модулей. Когда неисправный фотоэлектрический модуль выходит из неисправного состояния и возвращается в нормальное, необходимо снова соединить эти фотоэлектрические модули, что также требует абсолютной безопасности. Кроме того, в некоторых случаях необходимо контролировать выработку электроэнергии модулем или отслеживать выходную мощность, что является основой для оценки качества модуля. Например, если выработка энергии модулем значительно снижается, вероятно, произошел сбой в процессе выработки электроэнергии, который блокируется птичьим пометом, пылью, зданиями, тенью деревьев, облаками и т. д., что требует очистки батареи или изменения ориентации установки и других мер. Специалисты в данной области знают, что монокристаллические кремниевые солнечные элементы, поликристаллические кремниевые солнечные элементы, аморфные кремниевые солнечные элементы и т. д. — это материалы, характеристики которых подвержены затуханию. Необходимо контролировать степень затухания модуля, что чрезвычайно важно для оценки качества батареи. Проблема заключается в том, что мы не знаем, как идентифицировать дефектные и нормальные компоненты в огромном количестве компонентов. Следующая информация поможет решить эту проблему. Во многих случаях необходимо напрямую идентифицировать элементы или компоненты низкого качества на этапе установки и ни в коем случае не допускать установки элементов с дефектами качества в фотоэлектрическую батарею. В противном случае, попадание элементов с проблемами качества в фотоэлектрическую батарею приведет к низкой эффективности выработки электроэнергии всей батареей. Хуже того, аномальное напряжение или значение тока в одной или нескольких проблемных ячейках могут привести к повреждению всей батареи, что повлечет за собой еще большие потери.