Modulární jednofázový fotovoltaický střídač s analogovým řízením

Abstract

Práce se prvně zabývá rešerší topologií spínaných zdrojů a možných způsobů řízení používaných u jednofázových fotovoltaických střídačů. S ohledem na dostupnost součástkové základny a podobnosti s nejběžněji používanou topologií Flyback byla pro řešení střídače vybrána topologie Buckboost s řízením na bázi emulace záporného odporu. Na bázi vybrané topologie a způsobu řízení byly navrženy, odsimulovány a zkonstruovány moduly výkonové přeměny dvou typů. První typ využíval centralizované PWM řízení a druhý typ nezávislé řízení v proudovém módu (CM). Oba typy byly otestovány pro vstupní napětí od 110 až po 290 VDC, napětí střídavé sítě 230 VAC ±10 % a pro různé výstupní výkony za sledování celkové účinnosti, tvaru průběhu dodávaného výkonu a provozních teplot. Z testovaných typů se osvědčil typ s nezávislým řízením v proudovém módu hlavně díky možnosti individuální tepelné ochrany modulu na bázi snížení citlivosti na řídící napětí pomocí NTC termistoru. Tento modul dosáhl trvalého výstupního výkonu až 128 W na modul s účinností okolo 91 %. Následně byl z 8 takových modulů sestaven kompletní modulární fotovoltaický střídač doplněný o patřičné ochrany pro spolehlivé připojení k rozvodné síti. Výsledný střídač je vybaven zpětnovazebním řízením výkonu umožňující jak předání maximálního výkonu fotovoltaických panelů do sítě (funkce MPPT), tak i možnost externího omezení výkonu střídače např. pro prevenci přetoků. Funkce MPPT využívá analogovou implementaci gradientního algoritmu se zjednodušenou jedno kvadrantovou násobičkou na bázi jednoho tranzistoru typu MOSFET.

This work first concerns with the research of switch mode power supply topologies and control schemes used in single-phase photovoltaic grid-tie inverters. With regard to availability of required electronic components and the similarity to the most commonly used Flyback topology the Buckboost topology with negative resistance emulation control scheme was chosen. Based on the chosen topology and control scheme two types of power conversion modules were designed, simulated and built. First type uses centralized PWM control and the second type uses independent current mode control (CM). Both types were tested with input voltages ranging from 110 to 290 VDC, power grid voltage of 230 VAC ±10 % and at different output power levels while monitoring the total conversion efficiency, shape of the power waveform and thermal performance. From the tested types, the independent current mode control ended up most optimal mainly thanks to the option of on module individual thermal limiting of control voltage sensitivity via a NTC thermistor. This module achieved continuous output power of 128 W per module with efficiency around 91 %. Subsequently 8 such modules were used to build a complete modular grid-tie power inverter supplemented with the appropriate protections to allow for reliable operation in the power grid. Resulting grid-tie inverter uses feedback power control allowing to both maximize the power transfer from photovoltaic panels (MPPT function) and to externally limit the inverters output power to for example prevent feeding the outside grid. MPPT function uses an analog implementation of hill climbing algorithm with simplified single quadrant multiplier based on a single MOSFET.