現在、中国の太陽光発電システムは主に直流システムで、太陽電池で発電した電気エネルギーを充電し、電池が直接負荷に電力を供給します。例えば、中国西北地域の太陽光発電家庭用照明システムや、系統から遠く離れた電子レンジステーションの電源システムはすべて直流システムです。このタイプのシステムは構造が簡単でコストが低いですが、負荷の直流電圧（12V、24V、48Vなど）が異なるため、特に民生用電源の場合、ほとんどの交流負荷が直流電源で使用されるため、システムの標準化と互換性を実現することが困難です。太陽光発電で電力を供給するシステムがコモディティとして市場に参入することは困難です。さらに、太陽光発電は最終的に系統連系運転を実現するため、成熟した市場モデルを採用する必要があります。将来的には、交流太陽光発電システムが太陽光発電の主流になるでしょう。
太陽光発電システムのインバータ電源要件
交流電力出力を利用する太陽光発電システムは、太陽電池アレイ、充放電コントローラ、バッテリー、インバータ（系統連系発電システムではバッテリーの電力を節約できる）の4つの部分で構成され、インバータが主要なコンポーネントです。太陽光発電では、インバータに対する要件が高くなります。
1. 高効率が求められます。現在、太陽電池は高価格であるため、太陽電池の利用率を最大限に高め、システム効率を向上させるためには、インバータの効率向上を図る必要があります。
2. 高い信頼性が求められます。現在、太陽光発電システムは主に遠隔地で使用されており、多くの発電所は無人運転でメンテナンスされています。そのため、インバータには合理的な回路構造と厳格な部品選定が求められ、入力DC極性接続保護、AC出力短絡保護、過熱保護、過負荷保護などの各種保護機能も求められます。
3. DC入力電圧は広い適応範囲が必要です。バッテリーの端子電圧は負荷や日光の強さによって変化するため、バッテリー自体がバッテリー電圧に重要な影響を与えるだけでなく、バッテリーの残容量や内部抵抗の変化によってもバッテリー電圧は変動します。特にバッテリーが劣化すると、端子電圧が大きく変動します。例えば、12Vバッテリーの端子電圧は10Vから16Vまで変動することがあります。そのため、インバータはより大きなDC入力電圧で動作する必要があります。入力電圧範囲内で正常に動作し、AC出力電圧の安定性を確保する必要があります。
4. 中・大容量太陽光発電システムでは、インバータ電源の出力は歪みの少ない正弦波である必要があります。これは、中・大容量システムで矩形波電源を使用すると、出力に高調波成分が多く含まれ、高調波成分が加わると損失が増加するためです。多くの太陽光発電システムには通信機器や計測機器が搭載されており、これらの機器は電力網の品質に対する要求がより高くなっています。中・大容量太陽光発電システムを電力系統に接続する場合、公共電力網との電力汚染を避けるため、インバータも正弦波電流を出力する必要があります。
インバータは直流を交流に変換します。直流電圧が低い場合は、交流変圧器で昇圧し、標準的な交流電圧と周波数を得ます。大容量インバータの場合、直流バス電圧が高いため、AC出力は通常、変圧器で電圧を220Vに昇圧する必要はありません。中小容量インバータでは、直流電圧は12Vなど比較的低いため、24Vの場合は昇圧回路を設計する必要があります。中小容量インバータには、プッシュプルインバータ回路、フルブリッジインバータ回路、高周波昇圧インバータ回路などが一般的に含まれています。プッシュプル回路は、昇圧変圧器の中性点プラグを正電源に接続し、2つのパワーチューブを交互に動作させて交流電力を出力します。パワートランジスタが共通グランドに接続されているため、駆動回路と制御回路が単純で、変圧器に一定の漏れインダクタンスがあるため、短絡電流を制限でき、回路の信頼性が向上します。欠点は、トランスの使用率が低く、誘導負荷を駆動する能力が低いことです。
フルブリッジインバータ回路は、プッシュプル回路の欠点を克服しています。パワートランジスタが出力パルス幅を調整し、それに応じて出力交流電圧の実効値が変化します。回路はフリーホイールループを備えているため、誘導性負荷であっても出力電圧波形が歪むことはありません。この回路の欠点は、上下アームのパワートランジスタがグランドを共有していないため、専用の駆動回路または独立した電源を使用する必要があることです。また、上下ブリッジアームの共通導通を防ぐために、オフしてからオンにする回路設計、つまりデッドタイムを設定する必要があり、回路構成がより複雑になります。
プッシュプル回路とフルブリッジ回路の出力には、昇圧トランスを追加する必要があります。昇圧トランスはサイズが大きく、効率が低く、高価であるため、パワーエレクトロニクスとマイクロエレクトロニクス技術の発展に伴い、高周波昇圧変換技術を使用して逆変換することで、高電力密度インバータを実現できます。 このインバータ回路の前段昇圧回路はプッシュプル構造を採用していますが、動作周波数は20KHz以上です。 昇圧トランスは高周波磁性コア材料を採用しているため、サイズが小さく、重量が軽いです。 高周波反転後、高周波トランスを介して高周波交流に変換され、高周波整流フィルタ回路を介して高電圧直流（一般に300V以上）が得られ、電力周波数インバータ回路を介して反転されます。
この回路構造により、インバータの出力が大幅に向上し、インバータの無負荷損失も低減され、効率も向上します。ただし、この回路の欠点は、回路が複雑で、上記の2つの回路に比べて信頼性が低いことです。
インバータ回路の制御回路
上記のインバータの主要回路はすべて制御回路によって実現される必要があります。一般的に、制御方式には矩形波と正弱波の2種類があります。矩形波出力のインバータ電源回路はシンプルで低コストですが、効率が低く、高調波成分が大きくなります。正弦波出力はインバータの開発トレンドです。マイクロエレクトロニクス技術の発展に伴い、PWM機能を備えたマイクロプロセッサも登場しており、正弦波出力のインバータ技術は成熟しています。
1. 現在、方形波出力のインバータでは、SG3525、TL494などのパルス幅変調集積回路が主に使用されています。SG3525集積回路を使用し、パワーFETをスイッチング電源部品として用いることで、比較的高性能かつ低価格のインバータを実現できることが実証されています。SG3525はパワーFETを直接駆動する機能を備え、基準電圧源、オペアンプ、低電圧保護機能を内蔵しているため、周辺回路は非常にシンプルです。
2. 正弦波出力インバータ制御集積回路。正弦波出力インバータの制御回路は、INTEL社製の80C196MCやモトローラ社製のMP16、MI-CRO CHIP社製のPI C16C73などのマイクロプロセッサで制御できます。これらのシングルチップコンピュータは複数のPWMジェネレータを備えており、上下ブリッジアームを設定できます。デッドタイム中は、INTEL社製の80C196MCを使用して正弦波出力回路を実現し、80C196MCで正弦波信号の生成を完了し、AC出力電圧を検出して電圧安定化を実現します。
インバータの主回路におけるパワーデバイスの選定
主電源コンポーネントの選択インバーターは非常に重要です。現在、最も使用されている電力部品には、ダーリントンパワートランジスタ（BJT）、パワー電界効果トランジスタ（MOS-FET）、絶縁ゲートトランジスタ（IGB）などがあります。T）およびターンオフサイリスタ（GTO）などですが、小容量の低電圧システムで最も使用されているデバイスはMOS FETです。MOS FETはオン状態の電圧降下が低く、スイッチング周波数が高いためです。IG BTのスイッチング周波数は、高電圧および大容量システムで一般的に使用されます。これは、MOS FETのオン抵抗が電圧の増加とともに増加し、IG BTが中容量システムでより大きな利点を占めるためです。超大容量（100 kVA以上）システムでは、GTOが電力部品として一般的に使用されます。
投稿日時: 2021年10月21日
