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太陽光発電インバータのバスコンデンサの役割は何ですか

インバータは、今日の多くのコンバータを含む静的コンバータの大きなグループに属します。'のデバイスでできること変換する負荷の要件に適合する出力を生成するために、電圧や周波数などの入力の電気パラメータを調整します。

 一般に、インバータは直流を交流に変換できるデバイスであり、産業オートメーション用途や電気駆動装置で非常に一般的です。さまざまなタイプのインバータのアーキテクチャと設計は、主な目的の中核(DC から AC 変換)が同じであっても、それぞれの特定のアプリケーションに応じて変わります。

 

1.スタンドアロンおよび系統接続インバータ

太陽光発電アプリケーションで使用されるインバーターは、歴史的に次の 2 つの主要なカテゴリに分類されます。

:スタンドアロンインバータ

:系統接続インバータ

 スタンドアロン インバータは、太陽光発電プラントが主要なエネルギー分配ネットワークに接続されていない用途に適しています。インバータは、接続された負荷に電気エネルギーを供給することができ、主要な電気パラメータ (電圧と周波数) の安定性を確保します。これにより、事前定義された制限内にそれらが維持され、一時的な過負荷状況に耐えることができます。この状況では、安定したエネルギー供給を確保するために、インバーターはバッテリー貯蔵システムと結合されます。

 一方、系統接続されたインバータは、接続されている電力網と同期できます。この場合、電圧と周波数は次のとおりです。課せられたメイングリッドのそば。これらのインバータは、主送電網に障害が発生した場合に、深刻な危険をもたらす可能性がある主送電網への逆供給を回避するために、切断できなければなりません。

  • 図 1 - スタンドアロン システムと系統接続システムの例。画像提供:ビブルス。
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2.バスコンデンサの役割とは

インバータの目的は、与えられた周波数と小さな位相角で負荷 (電力網など) に電力を注入するために、DC 波形電圧を AC 信号に変換することです (φ ≈0)。単相ユニポーラパルス幅変調 (PWM) の簡略化した回路を図に示します。2 (同じ一般的なスキームを三相システムに拡張できます)。この回路図では、ある程度の電源インダクタンスを持つ DC 電圧源として機能する PV システムが、フリーホイーリング ダイオードと並列に接続された 4 つの IGBT スイッチを介して AC 信号に整形されます。これらのスイッチは、PWM 信号を介してゲートで制御されます。PWM 信号は通常、搬送波 (通常は目的の出力周波数の正弦波) と非常に高い周波数の基準波 (通常は三角波) を比較する IC の出力です。 5〜20kHzで)。IGBT の出力は、LC フィルターのさまざまなトポロジーの適用を通じて、使用またはグリッド注入に適した AC 信号に整形されます。

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図 2: パルス幅変調 (PWM) 単相インバーターのセットアップ。IGBT スイッチは、LC 出力フィルタとともに、DC 入力信号を使用可能な AC 信号に整形します。これにより、PV 端子間の有害な電圧リップル。バスコンデンサのサイズは、このリップルを低減するために設定されます。

 

 

IGBT の動作により、PV アレイの端子にリップル電圧が発生します。最大の電力を引き出すには、端子に印加される公称電圧を IV 曲線の最大電力点 (MPP) に保つ必要があるため、このリップルは PV システムの動作に有害です。PV 端子の電圧リップルは、システムから抽出される電力を振動させ、その結果、

平均出力が低くなります (図 3)。電圧リップルを平滑化するために、バスにコンデンサが追加されます。

写真1

図 3: PWM インバータ方式によって PV 端子に電圧リップルが発生すると、印加電圧が PV アレイの最大電力点 (MPP) からずれます。これにより、アレイの出力電力にリップルが発生し、平均出力電力が公称 MPP よりも低くなります。

 

電圧リップルの振幅 (ピークツーピーク) は、スイッチング周波数、PV 電圧、バス容量、フィルタ インダクタンスによって次のように決まります。

写真2

どこ:

VPV はソーラー パネルの DC 電圧です。

Cbus はバス コンデンサの静電容量です。

L はフィルタ インダクタのインダクタンス、

fPWM はスイッチング周波数です。

 

 

式 (1) は、充電中に電荷がコンデンサに流れるのを防ぎ、電場にあるエネルギーを抵抗なしで放電する理想的なコンデンサに当てはまります。実際には、理想的なコンデンサはなく (図 4)、複数の要素で構成されています。理想的な静電容量に加えて、誘電体は完全な抵抗ではなく、有限のシャント抵抗 (Rsh) に沿ってアノードからカソードへ小さな漏れ電流が流れ、誘電体静電容量 (C) をバイパスします。コンデンサに電流が流れるとき、ピン、フォイル、誘電体は完全には導通しておらず、静電容量と直列に等価直列抵抗 (ESR) が存在します。最後に、コンデンサは磁界内にある程度のエネルギーを蓄積するため、静電容量および ESR と直列に等価直列インダクタンス (ESL) が存在します。

写真3

図4: 一般的なコンデンサの等価回路。コンデンサというのは、誘電体容量 (C)、コンデンサをバイパスする誘電体を通る非無限のシャント抵抗、直列抵抗 (ESR)、直列インダクタンス (ESL) など、多くの非理想的な要素で構成されます。

 

 

コンデンサのような一見単​​純なコンポーネントであっても、故障したり劣化したりする可能性のある要素が複数存在します。これらの各要素は、AC 側と DC 側の両方でインバーターの動作に影響を与える可能性があります。非理想的なコンデンサ部品の劣化が PV 端子間に生じる電圧リップルに及ぼす影響を確認するために、SPICE を使用して PWM ユニポーラ H ブリッジ インバータ (図 2) をシミュレーションしました。フィルタコンデンサとインダクタは、それぞれ250µFと20mHに保持されます。IGBT の SPICE モデルは、Petrie らの研究から得られています。IGBT スイッチを制御する PWM 信号は、それぞれハイサイド IGBT スイッチとローサイド IGBT スイッチのコンパレータと反転コンパレータ回路によって決定されます。PWM 制御の入力は、9.5V、60Hz の正弦搬送波と 10V、10kHz の三角波です。

 

  1. CREソリューション

CREは、パワーエレクトロニクスの応用に重点を置いたフィルムコンデンサの生産を専門とするハイテク企業です。

CREは、DCリンク、ACフィルタ、スナバを含むPVインバータ用フィルムコンデンサシリーズの成熟したソリューションを提供しています。

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投稿日時: 2023 年 12 月 1 日

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