RU198525U1 - ENERGY CONVERSION DEVICE - Google Patents

ENERGY CONVERSION DEVICE Download PDF

Info

Publication number
RU198525U1
RU198525U1 RU2020105731U RU2020105731U RU198525U1 RU 198525 U1 RU198525 U1 RU 198525U1 RU 2020105731 U RU2020105731 U RU 2020105731U RU 2020105731 U RU2020105731 U RU 2020105731U RU 198525 U1 RU198525 U1 RU 198525U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inverter
converter
voltage
strings
input
Prior art date
Application number
RU2020105731U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Сергеевич Молчанов
Евгений Вячеславович Горский
Филипп Викторович Федосов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Ганпауэр" (Ооо "Ганпауэр")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Ганпауэр" (Ооо "Ганпауэр") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Ганпауэр" (Ооо "Ганпауэр")
Priority to RU2020105731U priority Critical patent/RU198525U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU198525U1 publication Critical patent/RU198525U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30Electrical components
    • H02S40/32Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к солнечной энергетике, а именно к устройствам силовой электроники для преобразования энергии. Устройство преобразования энергии содержит солнечные панели, последовательно соединенные в стринги, стринги соединяются параллельно с применением байпас-диодов, суб-панельный DPP конвертер установлен внутри панели на плате, инвертор подключен к солнечным панелям, разделенным на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе: инвертор, представляющий собой DC-AC преобразователь на нитрид-галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе, и МРР трекер, представляющий собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной эффективности стринга и конвертирующий постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора, инвертор имеет мостовую схему инвертора напряжения с использованием нитрид-галлиевого транзистора, а также реле для переключения между домашней сетью питания и линией цепи инверторов, обратную связь для измерения тока в цепи, обратную связь для измерения входного и выходного напряжений и микроконтроллер со встроенным математическим процессором, в качестве преобразователя энергии МРРТ использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого преобразователя и два полевых нитрид-галлиевых транзистора, объединенных простым полумостом с двумя полевыми транзисторами, предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом, которые могут быть использованы для подключения накопительной батареи. 4 ил.The utility model relates to solar energy, namely to power electronics devices for energy conversion. The energy conversion device contains solar panels connected in series in strings, the strings are connected in parallel using bypass diodes, the sub-panel DPP converter is installed inside the panel on the board, the inverter is connected to solar panels, divided into two independent strings with a maximum voltage of 400 V flexible parallel-series configuration, the inverter consists of two devices made in one case: an inverter, which is a DC-AC converter on gallium nitride transistors operating at a frequency of 120 kHz and forming a pure sine at the output from 380 V DC at the input, and MPP tracker, which is a DC-DC converter that monitors the point of maximum efficiency of the string and converts the constant current of the string to obtain a fixed voltage of 380 V at the output to power the inverter module, the inverter has a bridge voltage inverter circuit using a gallium nitride transistor, and also relay d For switching between the home power supply and the inverter circuit line, feedback for measuring the current in the circuit, feedback for measuring input and output voltages and a microcontroller with an integrated mathematical processor, a half-bridge evaluation board was used as an MPPT power converter, which contains elements of a simple converter and two field-effect gallium nitride transistors, united by a simple half-bridge with two field-effect transistors, there are two high-voltage ports, which can serve as input and output, which can be used to connect a storage battery. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к солнечной энергетике, а именно к устройствам силовой электроники для преобразования энергии.The utility model relates to solar energy, namely to power electronics devices for energy conversion.

Из уровня техники известна конструкция однофазного, неизолированного, миниатюрного силового инвертора для преобразования постоянного тока в переменный и предназначеного для создания силового инвертора с выходной удельной мощностью более 3000 Вт/дм (см. RU 2702103 C2, опубл. 04.10.2019) (1). Силовой инвертор помещен в корпус, изготовленный в виде наружной электропроводящей оболочки, вмещающей в себя вентилятор, выполненный с возможностью нагнетать воздух в осевом направлении к боковой поверхности корпуса, и многоуровневую вертикальную структуру, последовательно от нижней стороны до верхней стороны содержащую: слой активных фильтрующих конденсаторов, теплоотвод, слой переключателей из широкозонных полупроводников, соединенных с печатной платой тепловыми сквозными перемычками, и слой активных фильтрующих индукторов, причем вентилятор и многоуровневая структура компонентов выполнены так, что в процессе эксплуатации наружная температура корпуса не превышает 60°С в любой точке при максимальной температуре окружающей среды 30°С и максимальной нагрузке 2 кВА.The prior art knows the design of a single-phase, non-insulated, miniature power inverter for converting direct current into alternating current and designed to create a power inverter with an output specific power of more than 3000 W / dm (see RU 2702103 C2, publ. 04.10.2019) (1). The power inverter is housed in a housing made in the form of an outer electrically conductive shell containing a fan configured to pump air axially to the side surface of the housing, and a multi-level vertical structure, sequentially from the bottom side to the top side, containing: a layer of active filtering capacitors, heatsink, a layer of wide-gap semiconductor switches connected to the printed circuit board with thermal through jumpers, and a layer of active filtering inductors, and the fan and the multilevel structure of the components are made so that during operation the outside temperature of the case does not exceed 60 ° C at any point at the maximum ambient temperature environment 30 ° C and a maximum load of 2 kVA.

Недостатком указанного устройства (1) являются большие потери при конвертации прямого тока.The disadvantage of this device (1) is the large losses during conversion of direct current.

Из уровня техники также известен, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, инвертор (см. CN 105978476 A, опубл. 28.09.2016), содержащий накопительный конденсатор энергии и первый модуль разрыва цепи и второй модуль разрыва цепи; первый модуль разрыва цепи подключен между первым входным узлом инвертора и первым концом накопительного конденсатора; второй модуль разрыва цепи подключен между вторым входным узлом инвертора и вторым концом конденсатора; и включение и выключение первого модуля размыкания цепи и второго модуля размыкания цепи управляются вторым контроллером инвертора; инвертор также содержит командный блок, используемый для передачи волн несущей связи по линии передачи, соединенной с первым входным узлом инвертора, и/или по линии передачи, соединенной со вторым входным узлом инвертора, чтобы понять, что инвертор передает командовать информацией на улицу.It is also known from the prior art, selected as the closest analogue, an inverter (see CN 105978476 A, publ. 09/28/2016) containing an energy storage capacitor and a first circuit breaking module and a second circuit breaking module; the first circuit breaker module is connected between the first input node of the inverter and the first end of the storage capacitor; the second circuit breaker module is connected between the second input node of the inverter and the second end of the capacitor; and turning on and off the first circuit opening unit and the second circuit breaking unit are controlled by the second inverter controller; the inverter also includes a command block used to transmit carrier waves through a transmission line connected to the first input node of the inverter and / or through a transmission line connected to a second input node of the inverter to understand that the inverter is transmitting command information to the street.

Недостатком наиболее близкого аналога (2) является низкая эффективность и управляемость устройства.The disadvantage of the closest analogue (2) is the low efficiency and controllability of the device.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение срока службы и надежности силовых преобразователей, повышение эффективности преобразования, снижение количества компонентов и массогабаритных характеристик инверторов.The technical result of the claimed utility model is to increase the service life and reliability of power converters, increase the conversion efficiency, reduce the number of components and the weight and size characteristics of the inverters.

Технический результат достигается за счет создания устройства преобразования энергии, содержащего солнечные панели, последовательно соединенные в стринги, стринги соединяются параллельно с применением байпас-диодов, суб-панельный DPP конвертер установлен внутри панели на плате, инвертор подключен к солнечным панелям, разделенным на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе: инвертор, представляющий собой DC-AC преобразователь на нитрид- галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе, и МРР трекер, представляющий собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной эффективности стринга и конвертирующий постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора, инвертор имеет мостовую схему инвертора напряжения с использованием нитрид-галлиевых транзисторов, а также реле для переключения между домашней сетью питания и линией цепи инверторов, обратную связь для измерения тока в цепи, обратную связь для измерения входного и выходного напряжений и микроконтроллер со встроенным математическим процессором, в качестве преобразователя энергии МРРТ использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого преобразователя и два полевых нитрид-галлиевых транзистора, объединенных простым полумостом с двумя полевыми транзисторами, предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом.The technical result is achieved by creating an energy conversion device containing solar panels connected in series into strings, the strings are connected in parallel using bypass diodes, a sub-panel DPP converter is installed inside the panel on a board, the inverter is connected to solar panels, divided into two independent strings with a maximum voltage of up to 400 V in a flexible parallel-series configuration, the inverter consists of two devices made in one housing: an inverter, which is a DC-AC converter on gallium nitride transistors operating at a frequency of 120 kHz and forming a pure sine at the output from 380 VDC at the input, and MPP tracker, which is a DC-DC converter that monitors the point of maximum efficiency of the string and converts the constant current of the string to obtain a fixed voltage of 380 V at the output to power the inverter module, the inverter has a bridge circuit of the voltage inverter with use the use of gallium nitride transistors, as well as a relay for switching between the home power network and the inverter circuit line, feedback for measuring the current in the circuit, feedback for measuring input and output voltages and a microcontroller with a built-in mathematical processor, a half-bridge is used as an MPRT energy converter Evaluation board, which contains elements of a simple converter and two field-effect gallium nitride transistors, combined by a simple half-bridge with two field effect transistors, there are two high-voltage ports that can serve as both input and output.

Заявленная полезная модель проиллюстрирован следующими изображениями:The claimed utility model is illustrated with the following images:

Фиг. 1 - блок-схема устройства с массивами солнечных панелей с встроенными субмодулями DPP-конверторами и инвертором;FIG. 1 is a block diagram of a device with arrays of solar panels with built-in submodules DPP-converters and an inverter;

Фиг. 2 - блок-схем солнечной панели с DPP-конверторами и функциональная схема работа DPP-конверторов;FIG. 2 - block diagrams of a solar panel with DPP-converters and a functional diagram of the operation of DPP-converters;

Фиг. 3 - блок-схема подключения галлий-никелевого транзистора;FIG. 3 is a block diagram of a gallium-nickel transistor connection;

Фиг. 4 - блок-схема МРРТ конвертора.FIG. 4 is a block diagram of an MPPT converter.

Позиции на фиг. 1-4 обозначают следующее:The positions in FIG. 1-4 indicate the following:

1 - солнечная панель;1 - solar panel;

2 - DPP конвертеры;2 - DPP converters;

3 - AC/DC преобразователь;3 - AC / DC converter;

4 - МРРТ конвертор;4 - MRPT converter;

5 - DC/DC конвертор;5 - DC / DC converter;

6 - батарея.6 - battery.

Заявленная полезная модель работает следующим образом.The claimed utility model works as follows.

Традиционная солнечная панель состоит из 60-72 ячеек, каждая из которых может вырабатывать 0,5 В и 5 А прямого тока. Эти панели (36 В, 5 А) соединяются последовательно в стринги (цепочки) для достижения высоких значении напряжения, что уменьшает потери в соединительных проводах. Стринги соединяются параллельно для получения желаемого уровня общей мощности/ тока, формируя таким образом "массив солнечных панелей.A traditional solar panel consists of 60-72 cells, each of which can supply 0.5V and 5A direct current. These panels (36V, 5A) are connected in series in strings (strings) to achieve high voltage values, which reduces losses in the connecting wires. The strings are connected in parallel to obtain the desired level of total power / current, thus forming a "solar array."

Выработка электроэнергии массивом солнечных панелей зависит от характеристик самих панелей, уровня освещенности и температуры, а также типа подключенной нагрузки. Причем именно уровень освещенности может меняться наиболее быстро.The power generation of an array of solar panels depends on the characteristics of the panels themselves, the level of illumination and temperature, and the type of load connected. Moreover, it is the level of illumination that can change most rapidly.

Затенение можно разбить на два типа: мягкое - небольшое снижение освещенности, возникшее из-за удаленного объекта (облака или дерева) и жесткое - полная блокировка солнечного света из-за близкого препятствия. При мягком затенении напряжение меняется слабо при сохранении уровня иррадиации более 50 Вт/м2, а сильно снижается ток. Напряжение зависит больше от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводникового материала ячейки. При последовательном соединении ячеек, общая сила тока ограничена током, вырабатываемым самой затененной ячейкой, так как он самый маленький. Более того, ток, вырабатываемый незатененными ячейками, приведет к его прохождению через затененную, нагревая ее и вызывая риск выхода из строя. Поэтому применяют байпас-диоды, соединяющие параллельно цепочки из 24 последовательных ячеек. Эти 24 ячейки формируют субстринг ячеек.Shading can be divided into two types: soft - a slight decrease in illumination caused by a distant object (cloud or tree) and hard - complete blocking of sunlight due to a close obstacle. With soft shading, the voltage changes weakly while maintaining the irradiation level of more than 50 W / m 2 , and the current greatly decreases. The voltage depends more on the temperature and the band gap of the semiconducting cell material. When the cells are connected in series, the total amperage is limited by the current produced by the shaded cell itself, since it is the smallest. Moreover, the current generated by the unshaded cells will cause it to pass through the shaded one, heating it up and causing a risk of failure. Therefore, bypass diodes are used, connecting in parallel chains of 24 series cells. These 24 cells form a sub-string of cells.

Такая конструкция панели дает возможность формировать массив, отслеживая точку максимальной мощности в нескольких местах: в центре массива, в каждом последовательном стринге, на каждой панели или внутри нее, заменив байпас-диоды на отдельные DPP конвертеры.This panel design makes it possible to form an array by tracking the maximum power point in several places: in the center of the array, in each serial string, on each panel or inside it, replacing the bypass diodes with separate DPP converters.

Инвертор позволяет подключить до 6 кВт солнечных панелей, разделенных на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, позволяющей максимизировать использование пространства для размещения панелей, и обладает функциями: синхронизации с сетью, отключения панелей в случае неисправности, интеграции с BMS батареи литий-ионных аккумуляторов, простотой установки и подключения стандартными проводами и разъемами, дистанционного мониторинга через облачный" сервер и мобильное приложение.The inverter allows you to connect up to 6 kW of solar panels, divided into two independent strings with a maximum voltage of up to 400 V in a flexible parallel-serial configuration, which maximizes the use of space for placing panels, and has functions: synchronization with the network, shutdown of panels in case of failure, integration with BMS lithium-ion battery, easy installation and connection with standard wires and connectors, remote monitoring via cloud server and mobile app.

Инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе:The inverter consists of two devices in one housing:

1. Непосредственно инвертор, представляющий собой DC-АС преобразователь на нитрид- галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе.1. Directly inverter, which is a DC-AC converter on gallium nitride transistors operating at a frequency of 120 kHz and forming a pure sine at the output from 380 V DC at the input.

2. МРР трекер, представляющий собою DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной" эффективности стринга и конвертирующий" постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора.2. MPP tracker, which is a DC-DC converter that monitors the point of maximum "efficiency of the string and converts" direct current of the string to obtain a fixed voltage of 380 V at the output to power the inverter module.

Инвертор может дополнительно комплектоваться встроенными субпанельными DPP (Differential Power Processing) конвертерами, предназначенными для перераспределения разности мощностей между двумя соседними субстригами панели.The inverter can be additionally equipped with built-in DPP (Differential Power Processing) sub-panel converters, designed to redistribute the power difference between two adjacent panel sub-strips.

DPP конвертер включается в работу лишь при появлении разницы в мощностях субстрингов и работает не с полной мощностью субстринга, а с величиной разности мощностей"двух соседних субстрингов, перераспределяя часть тока таким образом, что становится возможно найти максимум мощности для обоих субстрингов. Для массивов без жесткой"тени достаточно использования встроенного в инвертор стрингового МРР трекера с мощностью стринга до 3 кВт. В случаях, если инсталляция предполагает периоды дня, когда ближайшие препятствия (соседние постройки, деревья и т.д.) загораживают прямой солнечный свет, более актуальна распределенная система с суб-панельными (для моно- или поликремневых панелей) или панельными (для тонких панелей) DPP конверторами. В этой комплектации, панели соединяются в стринги, а стринги могут быть соединены параллельно для достижения желаемого тока/мощности.The DPP converter starts working only when there is a difference in the power of the sub-strings and does not work with the full power of the sub-string, but with the magnitude of the difference in power "of two adjacent sub-strings, redistributing part of the current in such a way that it becomes possible to find the maximum power for both sub-strings. For arrays without rigid "For the shadow, it is enough to use the string MPP tracker built into the inverter with a string power of up to 3 kW. In cases where the installation involves periods of the day when the nearest obstacles (neighboring buildings, trees, etc.) block direct sunlight, a distributed system with sub-panel (for mono- or polysilicon panels) or panel (for thin panels) is more relevant. ) DPP converters. In this configuration, the panels are connected in strings, and the strings can be connected in parallel to achieve the desired current / power.

Стринговыи DC-DC конвертор с МРР трекером представляет собой бестранформаторныи повышающий полумост. ыбор топологии неизолированного полумоста обусловлен тем, что на широком диапазоне мощностей эффективность превышает 98,5% для полной мощности, малым количеством компонентов и компактными размерами.String DC-DC converter with MPP tracker is a transformerless step-up half-bridge. The choice of the non-isolated half-bridge topology is due to the fact that over a wide power range, the efficiency exceeds 98.5% for full power, a small number of components and compact dimensions.

Каждый из двух МРР трекеров DC-DC конвертера для подключения оборудован стандартными разъемами МС4. Пиковая мощность - 3 кВт, входное напряжение - от 120 до 400 VDC, максимальный входной ток - 8 А, выходное напряжение - 380 VDC, эффективность до 99,3%Each of the two MPP trackers of the DC-DC converter is equipped with standard MC4 connectors for connection. Peak power - 3 kW, input voltage - from 120 to 400 VDC, maximum input current - 8 A, output voltage - 380 VDC, efficiency up to 99.3%

Рассмотрим более подробно архитектуру всей системы целиком (Фиг. 1), а затем по отдельности все ее элементы: панели с суб-панельными DPP конверторами, стринговыи- МРРТ конвертер - с интегрированным алгоритмом отслеживания, инвертор - формирователь переменного напряжения 220 В, а также модуль сопряжения с литии-ионнои батареей.We consider in more detail the overall system architecture as a whole (. Figure 1) and then individually all its elements: panel with sub-panel DPP converters, stringovyi - MPPT converter - with integrated tracking algorithm, inverter - generator AC voltage of 220 V, and the module lithium-ion battery pairing.

Задача снижения потерь в процессе доставки электроэнергии от массива солнечных панелей является приоритетной при выборе архитектуры системы.The task of reducing losses in the process of delivering electricity from an array of solar panels is a priority when choosing a system architecture.

После тщательного анализа, экспериментов и моделирования, выбор был сделан в пользу следующей архитектуры системы. Высоковольтная шина постоянного тока 380 В формируется при помощи DC-DC стрингового boost конвертера. Причем отслеживание точки максимальной мощности происходит в два этапа - в стринговом конверетере происходит отслеживание глобального максимума стринга, а в субпанельном DPP конверторе решаются проблемы максимизации силы тока, понижающегося в случае жесткого затенения, загрязнения (в том числе снегом или листвой), старения и производственных дефектов солнечной панели. Преобразование в 220 В переменного тока происходит в однофазном центральном инверторе. Опционально к шине 380 В может быть подсоединена высоковольтная батарея (либо с DC-DC конвертером на напряжение батареи). Ее сопряжение с сетью 220 В происходит через инвертор.After careful analysis, experimentation and simulation, the choice was made in favor of the following system architecture. The 380V high-voltage DC bus is formed by a DC-DC string boost converter. Moreover, the tracking of the maximum power point occurs in two stages - in the string converter, the global maximum of the string is tracked, and in the sub-panel DPP converter, the problems of maximizing the current strength are solved, which decreases in the case of severe shading, pollution (including snow or foliage), aging and manufacturing defects solar panel. Conversion to 220 VAC takes place in a single phase central inverter. Optionally, a high-voltage battery can be connected to the 380 V bus (or with a DC-DC converter for battery voltage). It is connected to the 220 V network through an inverter.

Такая архитектура дает проектировщикам солнечного массива большую степень гибкости в определении длины стрингов, различной ориентации панелей и позволяет устанавливать панели в областях с жестким затенением и различной ориентацией.This architecture gives solar array designers a greater degree of flexibility in string lengths, different panel orientations, and allows panels to be installed in areas of hard shading and different orientations.

Суб-панельныи DPP (Differential Power Processing) конвертер предназначен для перераспределения разности мощностей между двумя соседними субстригами. Конвертер включается в работу лишь при появлении разницы в мощностях субстрингов и работает не с полной мощностью субстринга, а с величиной разности мощностей двух соседних субстрингов, перераспределяя часть тока таким образом, что становится возможно найти максимум мощности для обоих субстрингов, повышая силу тока (понижающий"напряжение) каждого суб-стринга.Sub-panel DPP (Differential Power Processing) converter is designed to redistribute the power difference between two adjacent sub-strips. The converter is switched on only when a difference in the power of the sub-strings appears and does not work with the full power of the sub-string, but with the magnitude of the difference in the power of two adjacent sub-strings, redistributing part of the current in such a way that it becomes possible to find the maximum power for both sub-strings, increasing the current strength (decreasing " voltage) of each sub-string.

В случае, когда сила тока суб-стринга падает вследствие затенения или загрязнения, в традиционной панели анти-параллельныи байпас-диод блокирует этот суб-стринг, предупреждая обратное течение тока, нагрев и повреждение ячеек, либо снижает выработку панели до силы тока самой слабой ячейки.In the event that the current of a sub-string drops due to shading or pollution, in a traditional panel, an anti-parallel bypass diode blocks this sub-string, preventing current backflow, heating and damage to the cells, or reduces the panel output to the current of the weakest cell. ...

DPP конвертер выравнивает силу тока "просевшего" субстринга до максимального значения соседних суб-стрингов.The DPP converter equalizes the current of the sagging sub-string to the maximum value of the adjacent sub-strings.

Даже с учетом решения проблемы оптимизации генерации внутри каждой панели, проблема нахождения глобального максимума мощности стринга нуждается в решении.Even taking into account the solution to the problem of optimizing the generation within each panel, the problem of finding the global maximum power of the string needs to be solved.

Согласно теореме МРРТ (maximum power transfer theorem), мощность в цепи максимальна тогда и только тогда, когда импеданс источника совпадает с импедансом нагрузки. Таким образом, проблема нахождения максимума мощности сводится к проблеме совмещения импеданса.According to the MPPT (maximum power transfer theorem), the power in the circuit is maximum if and only if the source impedance coincides with the load impedance. Thus, the problem of finding the maximum power is reduced to the problem of matching impedance.

В силу того, что при освещенности панели выше 50 Вт/м2 меняется, в основном, сила тока, а напряжение остается практически одинаковым, высокая эффективность конвертации достигается за счет низкого соотношения преобразования, не выше 1:1,5. Если соотношение выше, то эффективность выше 99% не достигается.Due to the fact that when the illumination of the panel is above 50 W / m2, mainly the current strength changes, and the voltage remains practically the same, high conversion efficiency is achieved due to a low conversion ratio, not higher than 1: 1.5. If the ratio is higher, then efficiency above 99% is not achieved.

Соединяя панели последовательно, можно набрать напряжение близкое, но не превышающее 380 В. Причем в точке максимальной мощности у каждой панели оно будет колебаться в районе 30 В. Таким образом, соотношение 1:1,5 соблюдается при комбинации панелей в стринги не менее 8 и не более 13 панелей. Учитывая, что средняя мощность панели составляет 250 Вт, получаем мощность стринга от 2 до 3 кВт. Без ущерба для эффективности можно будет комплектовать два стринга параллельно, получая от 2 до 6 кВт мощности. Указанный диапазон предоставляет потребителю достаточную гибкость для формирования любой желаемой мощности без потери эффективности, а наличие двух входов для отслеживания МРР уже стало де-факто отраслевым стандартом.By connecting the panels in series, you can pick up a voltage that is close, but not exceeding 380 V. Moreover, at the point of maximum power for each panel, it will fluctuate around 30 V. Thus, a ratio of 1: 1.5 is observed when the panels are combined into strings of at least 8 and no more than 13 panels. Considering that the average panel power is 250 W, we get a string power from 2 to 3 kW. Without sacrificing efficiency, it will be possible to complete two strings in parallel, receiving from 2 to 6 kW of power. The specified range provides the consumer with sufficient flexibility to generate any desired power without sacrificing efficiency, and the presence of two inputs for tracking MPP has already become the de facto industry standard.

DC/DC преобразователь формирует напряжение шины постоянного тока 380 В. На входе он получает постоянный ток в диапазоне от 100 до 600 В, с силой тока до 15А. Упрощенная принципиальная схема DC/DC преобразователя стрингового МРР-трекера инвертора показана на рис. 4 Приложения.The DC / DC converter generates a DC bus voltage of 380 V. At the input, it receives direct current in the range from 100 to 600 V, with a current strength of up to 15A. A simplified schematic diagram of the DC / DC converter of the inverter MPP string tracker is shown in Fig. 4 Applications.

Выбранная топология - это полумост на двух GaN транзисторах, один из которых является ключом активной мощности, а второй" утилизирует ток свободного хода (freewheeling current). Низкий уровень обратного тока дает возможность отказаться от обратного диода, еще более сократив количество элементов.The selected topology is a half-bridge on two GaN transistors, one of which is the active power switch, and the other “utilizes the freewheeling current. The low level of reverse current makes it possible to eliminate the freewheeling diode, further reducing the number of elements.

Эффективность при частичной обработке мощности достигает 99,3%. 2 транзистора 650 В GaN FET работают с частотой 250 кГц.Partial power processing efficiency reaches 99.3%. 2 650V GaN FET transistors operate at 250 kHz.

В качестве реализации задачи было принято решение использовать классическую мостовую схему инвертора.As a realization of the task, it was decided to use the classic bridge inverter circuit.

Выбор использования данных транзисторов обусловлен их высокой эффективностью при высокой мощности.The choice of using these transistors is due to their high efficiency at high power.

Когда ток через шунтирующий резистор низкого уровня достигает определенного порогового уровня, возникает перегрузка по току и схема защиты предотвращает повреждение системы инвертора путем отключения выходов переключения ШИМ управляющей микросхемы.When the current through the low-level shunt resistor reaches a certain threshold level, an overcurrent occurs and the protection circuit prevents damage to the inverter system by disabling the control IC's PWM switching outputs.

Ошибка перенапряжения обнаруживается, когда напряжение шины постоянного тока достигает определенного порогового уровня. Если обнаружена ошибка перенапряжения, система предотвращает повреждение системы инвертора, отключаяAn overvoltage error is detected when the DC bus voltage reaches a certain threshold level. If an overvoltage error is detected, the system prevents damage to the inverter system by shutting down

ШИМ выхода управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются, когда напряжение шины постоянного тока возвращается к нормальному диапазону.PWM output of the control microcircuit. Fault conditions are restored when the DC bus voltage returns to the normal range.

Ошибка пониженного напряжения обнаруживается, когда напряжение шины постоянного тока падает ниже определенного порогового уровня. Если обнаружена ошибка пониженного напряжения, система предотвращает повреждение системы инвертора, отключая ШИМ переключения выхода управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются, когда напряжение шины постоянного тока возвращается к нормальному диапазону.An undervoltage error is detected when the DC bus voltage falls below a certain threshold. If an undervoltage error is detected, the system prevents damage to the inverter system by disabling the PWM switching of the control IC output. Fault conditions are restored when the DC bus voltage returns to the normal range.

Неисправность защиты от замыкания обнаруживается при отключении напряжения сети переменного тока. Если анти-islanding ошибка обнаружена, то система не позволяет независимому выходному напряжению инвертора достигать сети переменного тока, закрывая ШИМ-выход управляющей микросхемы. Состояния неисправности восстанавливаются при изменении напряжения сети переменного тока.A short circuit protection fault is detected when the AC mains voltage is disconnected. If an anti-islanding error is detected, the system prevents the independent output voltage of the inverter from reaching the AC mains by closing the PWM output of the control IC. Fault conditions recover when the AC line voltage changes.

МРР трекер, представляет собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной"эффективности стринга солнечных панелей и конвертирует постоянный ток для получения фиксированного напряжения в 380 В на выходе для питания модуля инвертора.The MPP tracker is a DC-DC converter that monitors the point of maximum "efficiency of a string of solar panels and converts DC current to obtain a fixed voltage of 380 V at the output to power the inverter module.

В качестве преобразователя энергии МРРТ была использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого понижающего или повышающего преобразователя.A half-bridge evaluation board was used as an MPPT power converter, which contains elements of a simple buck or boost converter.

Высокие характеристики переключения и эффективность достижимы с помощью полевых транзисторов GaN 650 В. В режиме «бак» или «буст» схему можно настроить для синхронного выпрямления. Перемычки позволяют использовать один логический вход или отдельные входы Hi / Lo. Вход и выход высокого напряжения могут работать при напряжении до 400 В постоянного тока при выходной мощности до 2,5 кВт. Предусмотренный индуктор предназначен для эффективной работы при 100 кГц, хотя другие катушки индуктивности и другие частоты также могут быть использованы.High switching performance and efficiency are achievable with 650V GaN FETs. In buck or boost mode, the circuit can be configured for synchronous rectification. Jumpers allow the use of one logic input or separate Hi / Lo inputs. The high voltage input and output can operate up to 400 VDC with an output power of up to 2.5 kW. The provided inductor is designed to operate efficiently at 100 kHz, although other inductors and frequencies may also be used.

Схема содержит простой полумост с двумя полевыми транзисторами GaN.The circuit contains a simple half-bridge with two GaN FETs.

Предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом, в зависимости от конфигурации - повышающий или понижающий конвертер.There are two high-voltage ports that can serve as either input or output, depending on the configuration, a buck or buck converter.

В любом случае один полевой транзистор действует как активный выключатель питания, а другой - как ток свободного хода. При использовании GaN FET обратный ток восстановления является низким, и поэтому нет необходимости в дополнительных диодах свободного хода. Предусмотрено два входных разъема, которые можно подключить к источникам команд логического уровня, сигналы для драйвера hi / lo gate. Оба входа могут управляться внешними источниками сигнала; или, альтернативно, один источник сигнала может быть подключен к встроенной схеме генератора импульсов, которая генерирует два непересекающихся импульса. Перемычки определяют, как используются входные сигналы.In either case, one field-effect transistor acts as an active power switch and the other acts as a freewheel current. With a GaN FET, the reverse recovery current is low and therefore no additional freewheel diodes are required. There are two input connectors that can be connected to logic level command sources, signals for the hi / lo gate driver. Both inputs can be controlled by external signal sources; or, alternatively, one signal source can be connected to an onboard pulse generator circuit that generates two non-overlapping pulses. Jumpers determine how the input signals are used.

Индуктор предоставляется в качестве отправной точки для исследования. Это тороид 440 мкГн, предназначенный для последующей оптимизации. Он представляет собой компромисс между размером и эффективностью для мощности до 2,5 кВт при частоте переключения 100 кГц.An inductor is provided as a starting point for research. This is a 440 μH toroid for later optimization. It represents a compromise between size and efficiency for power up to 2.5 kW at a switching frequency of 100 kHz.

Для работы в режиме понижения, с входным напряжением 400 В и выходным напряжением 48 В; Максимальный выходной ток 50 А достигается при 2500 Вт с рабочим циклом 12%. Типичная нагрузка 400 В - 200 В с рабочим циклом 50%, максимальный выходной ток 6,5 А на 2500 Вт. С другой стороны, для режима повышения напряжения 200 В - 400 В при 2,5 кВт можно достичь максимального выходного тока 12,5 А с рабочим циклом 50%. Тепловое охлаждение всегда должно быть обеспечено для высоких значений тока переключения.For operation in buck mode, with an input voltage of 400 V and an output voltage of 48 V; The maximum output current of 50 A is achieved at 2500 W with a 12% duty cycle. Typical load 400V - 200V with 50% duty cycle, 6.5A maximum output current at 2500W. On the other hand, for a boost mode of 200 V - 400 V at 2.5 kW, a maximum output current of 12.5 A with a duty cycle of 50% can be achieved. Thermal cooling must always be ensured for high switching currents.

Таким образом, при использовании заявленной полезной модели достигается: высокая эффективность конверсии при полной и частичной нагрузке, легкость управления системой, высокая плотность энергии, уменьшенное количество компонентов для снижения стоимости и продления жизненного цикла системы. Thus, when using the claimed utility model, the following is achieved: high conversion efficiency at full and partial load, ease of system management, high energy density, reduced number of components to reduce cost and extend the system life cycle.

Claims (1)

Устройство преобразования энергии, содержащее солнечные панели, отличающееся тем, что солнечные панели последовательно соединены в стринги, стринги соединяются параллельно с применением байпас-диодов, суб-панельный DPP конвертер установлен внутри панели на плате, инвертор подключен к солнечным панелям, разделенным на два независимых стринга с максимальным напряжением до 400 В в гибкой параллельно-последовательной конфигурации, инвертор состоит из двух устройств, выполненных в одном корпусе: инвертор, представляющий собой DC-АС преобразователь на нитрид-галлиевых транзисторах, работающих на частоте 120 кГц и формирующих чистый синус на выходе из 380 В постоянного тока на входе, и МРР трекер, представляющий собой DC-DC конвертор, который отслеживает точку максимальной эффективности стринга и конвертирующий постоянный ток стринга для получения фиксированного напряжения в 380 В на входе для питания модуля инвертора, инвертор имеет мостовую схему инвертора напряжения с использованием нитрид-галлиевых транзисторов, а также реле для переключения между домашней сетью питания и линией цепи инверторов, обратную связь для измерения тока в цепи, обратную связь для измерения входного и выходного напряжений и микроконтроллер со встроенным математическим процессором, в качестве преобразователя энергии МРРТ использована полумостовая оценочная плата, которая содержит элементы простого преобразователя и два полевых нитрид-галлиевых транзистора, объединенных простым полумостом с двумя полевыми транзисторами, предусмотрено два высоковольтных порта, которые могут служить как входом, так и выходом. An energy conversion device containing solar panels, characterized in that the solar panels are connected in series in strings, the strings are connected in parallel using bypass diodes, a sub-panel DPP converter is installed inside the panel on a board, the inverter is connected to solar panels, divided into two independent strings with a maximum voltage of up to 400 V in a flexible parallel-series configuration, the inverter consists of two devices made in one housing: an inverter, which is a DC-AC converter on gallium nitride transistors operating at a frequency of 120 kHz and forming a pure sine at the output from 380 VDC at the input, and MPP tracker, which is a DC-DC converter that monitors the point of maximum efficiency of the string and converts the DC current of the string to obtain a fixed voltage of 380 V at the input to power the inverter module, the inverter has a bridge circuit of the voltage inverter with using nitride - gallium transistors, as well as a relay for switching between the home power network and the inverter circuit line, feedback for measuring the current in the circuit, feedback for measuring input and output voltages and a microcontroller with a built-in mathematical processor, a half-bridge evaluation board is used as an MPRT energy converter , which contains elements of a simple converter and two field-effect gallium nitride transistors, combined by a simple half-bridge with two field effect transistors, there are two high-voltage ports, which can serve as input and output.
RU2020105731U 2020-02-06 2020-02-06 ENERGY CONVERSION DEVICE RU198525U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105731U RU198525U1 (en) 2020-02-06 2020-02-06 ENERGY CONVERSION DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105731U RU198525U1 (en) 2020-02-06 2020-02-06 ENERGY CONVERSION DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU198525U1 true RU198525U1 (en) 2020-07-14

Family

ID=71616178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020105731U RU198525U1 (en) 2020-02-06 2020-02-06 ENERGY CONVERSION DEVICE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU198525U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU209181U1 (en) * 2021-09-29 2022-02-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" HIGH-VOLTAGE LATERAL GALLIUM NITRIDE TRANSISTOR FOR LOW-INDUCTIVE CASCODE CIRCUITS
RU2811080C1 (en) * 2023-02-16 2024-01-11 Общество с ограниченной ответственностью "СОЛНЕЧНЫЙ МИР" Power supply device based on photovoltaic panels

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100073985A (en) * 2008-12-23 2010-07-01 삼성전기주식회사 Photovoltaic and fuel cell hybrid generation system using single converter and single inverter, and control method of the same
WO2014024185A1 (en) * 2012-08-05 2014-02-13 Ben-Gurion University Of The Negev Research & Development Authority Resonant switched-capacitor gyrator-type converter with local mppt capability for pv cells
US20160079761A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-17 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois System and method for power point tracking for photovoltaic cells
RU2615593C1 (en) * 2013-04-25 2017-04-05 Унитес Системс А.С. System electrical energy control, which is generated by photovoltaic elements

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100073985A (en) * 2008-12-23 2010-07-01 삼성전기주식회사 Photovoltaic and fuel cell hybrid generation system using single converter and single inverter, and control method of the same
WO2014024185A1 (en) * 2012-08-05 2014-02-13 Ben-Gurion University Of The Negev Research & Development Authority Resonant switched-capacitor gyrator-type converter with local mppt capability for pv cells
RU2615593C1 (en) * 2013-04-25 2017-04-05 Унитес Системс А.С. System electrical energy control, which is generated by photovoltaic elements
US20160079761A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-17 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois System and method for power point tracking for photovoltaic cells

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU209181U1 (en) * 2021-09-29 2022-02-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" HIGH-VOLTAGE LATERAL GALLIUM NITRIDE TRANSISTOR FOR LOW-INDUCTIVE CASCODE CIRCUITS
RU2811080C1 (en) * 2023-02-16 2024-01-11 Общество с ограниченной ответственностью "СОЛНЕЧНЫЙ МИР" Power supply device based on photovoltaic panels

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11658482B2 (en) Distributed power harvesting systems using DC power sources
Hasan et al. Grid-connected isolated PV microinverters: A review
Hu et al. Power decoupling techniques for micro-inverters in PV systems-a review
Walker et al. Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules
KR102139389B1 (en) Stacked voltage source inverter with separate dc sources
WO2016008382A1 (en) Single-stage photovoltaic grid-connected inverter and control method and application thereof
US20160285390A1 (en) Converter topologies for common mode voltage reduction
Walker et al. PV string per-module maximum power point enabling converters
US20090283129A1 (en) System and method for an array of intelligent inverters
US20080037305A1 (en) Monopolar dc to bipolar dc to ac converter
US20140333141A1 (en) Photovoltaic (pv)-based ac module and solar systems therefrom
KR102631696B1 (en) Photovoltaic module, and photovoltaic system including the same
CN103227577A (en) Power converting apparatus and photovoltaic module
CN204578458U (en) A kind of header box circuit structure and photovoltaic generating system
CN106329565B (en) Data communication method of photovoltaic power optimization system
RU198525U1 (en) ENERGY CONVERSION DEVICE
Gnanavadivel et al. Analysis of DC-DC converter with high step-up gain for alternative energy Sources
Elfeqy et al. Design of a low voltage DC grid interfacing PV and energy storage systems
Ramzan et al. Grid tied solar micro-converter with optimizer-mode operation for weak-grid operation
Koral et al. Low cost maximum power point tracking method for solar battery charging
KR102367016B1 (en) inverter
WO2022252191A1 (en) Photovoltaic power generation system
Elanchezhian et al. Design of two-stage soft-switched module Inverter for Photovoltaic applications
Azizi et al. Dual-input single-output DC-DC-AC converter
RU169129U1 (en) POWER SELECTION SYSTEM FOR A PHOTO-ELECTRIC STATION BASED ON INCREASING CONVERTERS

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20210207