Σχήμα 1: Φ/Β Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος και τοπολογίες αντιστροφέων

Transcript

1 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΜΕΣΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ Α. Κυρίτσης, Ι. Κομπούγιας, Ν. Παπανικολάου*, Ε. Τατάκης, Π. Σταύρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Ρίο Πάτρας Τηλ , fax , *Διαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (Δ.Ε.Σ.Μ.Η.Ε.) Λ. Αμφιθέας 11, Ν. Σμύρνη Αθήνα Τηλ , fax ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία διεξάγεται μία συγκριτική μελέτη μεταξύ δύο μονοφασικών αντιστροφέων μίας βαθμίδος, που χρησιμοποιούνται σε Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεις, ισχύος ως 350 W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη και οι οποίες συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης (220 V) των αστικών περιοχών. Συγκεκριμένα, μελετώνται ένας υψίσυχνος αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με μετασχηματιστή σιδήρου και ένας αντιστροφέας τοπολογίας flyback με δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα. Κριτήρια της παραπάνω σύγκρισης αποτελούν ο βαθμός απόδοσης, ο συντελεστής ισχύος, η πυκνότητα ισχύος καθώς και η ευκολία εφαρμογής ελέγχων για την αποφυγή του φαινομένου νησίδας (islanding) και για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (M.P.P.T.). Η μελέτη ολοκληρώνεται με πειραματικές μετρήσεις σε εργαστηριακά πρωτότυπα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μείωση των αποθεμάτων πετρελαίου, η αλματώδης αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων και οι κλιματολογικές αλλαγές, που επήλθαν ως «παραπροϊόντα» των κλασσικών μεθόδων παραγωγής ενέργειας, έστρεψαν, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην αναζήτηση μεθόδων αξιοποίησης ήπιων μορφών ενέργειας όπως η αιολική, ηλιακή και η βιομάζα για την αντιμετώπιση του ενεργειακούπεριβαλλοντικού προβλήματος. Σήμερα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν σημαντικότατο ρυθμιστή των ενεργειακών πεπραγμένων σε παγκόσμιο επίπεδο, με την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας να εμφανίζει ραγδαία ανάπτυξη, ακόμη και σε χώρες που υστερούν σε κλιματολογικές και αναπτυξιακές συνθήκες της χώρας μας. Χώρες όπως η Ιαπωνία, η Γερμανία και οι Η.Π.Α. ήδη παράγουν μεγάλα ποσά «καθαρής» ισχύος από εγκατεστημένα Φ/Β συστήματα, ενώ βιομηχανικοί και οικονομικοί αναλυτές αναμένουν παγκοσμίως συνεχή αύξηση των επενδύσεων και μεγάλους ρυθμούς ανάπτυξης τα επόμενα χρόνια [1]. Επίσης, σύμφωνα με την ίδια αναφορά αποδεικνύεται πως το μεγαλύτερο ποσό της παραγόμενης ισχύος παρέχεται από Φ/Β μονάδες διασυνδεδεμένες στο δίκτυο χαμηλής ισχύος. Η τελευταία και νεότερη τεχνολογία που εφαρμόζεται στα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα είναι γνωστή με τον όρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC PV Modules). Πρόκειται για φωτοβολταϊκές διατάξεις, ισχύος ως 350 W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική

2 εναλλασσόμενη και οι οποίες συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης (220 V) των αστικών περιοχών (Σχήμα 1). Ο αντιστροφέας ενσωματώνεται είτε στο πίσω μέρος των Φ/Β πλαισίων, είτε στο μηχανισμό στήριξής τους. Η απουσία διασυνδέσεων τύπου πλέγματος και αλυσίδας καθώς και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου κάθε στοιχείου, λόγω της άμεσης σύνδεσης αντιστροφέων-φωτογεννητριών, οδηγούν σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα του όλου συστήματος. Επιπλέον το μικρό μέγεθος της μονάδας επιτρέπει την κατασκευή ευέλικτων και μικρών διατάξεων. Στα θετικά της τεχνολογίας αυτής θα μπορούσαμε να προστεθεί επίσης η ευκολία που παρουσιάζει η διασύνδεση της μονάδος στο δίκτυο και η ύπαρξη χαμηλών τιμών συνεχούς τάσης στις συνδέσεις [2-5]. Σχήμα 1: Φ/Β Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος και τοπολογίες αντιστροφέων 2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ ΒΑΘΜΙΔΩΝ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ Η μονάδα μετατροπής της ισχύος σε ένα Φωτοβολταϊκό Πλαίσιο Εναλλασσομένου Ρεύματος είναι συνήθως ένας ελεγχόμενος ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη. Ανάλογα με τον αριθμό των βαθμίδων από τις οποίες απαρτίζεται ο μετατροπέας, τα φωτοβολταϊκά συστήματα που διασυνδέονται στο δίκτυο μπορούν να ταξινομηθούν στις παρακάτω κατηγορίες [5]: Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα μιας βαθμίδας. Σε αυτές τις διατάξεις ο μετατροπέας είναι ένας κλασσικός αντιστροφέας που μετατρέπει την συνεχή τάση του Φ/Β πλαισίου σε εναλλασσόμενη. Ο παραπάνω μετατροπέας μπορεί να είναι ένας αντιστροφέας είτε μισής (half-bridge), είτε πλήρους (full-bridge) γέφυρας, του οποίου η τάση κατά κανόνα φιλτράρεται και στην συνέχεια ανυψώνεται με μετασχηματιστή σιδήρου, ώστε να επιτευχθεί η σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Στην κατηγορία αυτή εντάσσεται και ο αντιστροφέας τύπου flyback με δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα, η λειτουργία του οποίου θα αναλυθεί εκτενέστερα σε επόμενη παράγραφο. Ο σχεδιασμός και ο έλεγχός των μετατροπέων αυτής της κατηγορίας είναι σχετικά απλός, ενώ ο μικρός αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων που απαιτούνται για την κατασκευή τους, μειώνει το κόστος τους και αυξάνει την αξιοπιστία τους. Ωστόσο στις περιπτώσεις που χρησιμοποιείται Μ/Τ σιδήρου οι μετατροπείς παρουσιάζουν μεγάλο όγκο, βάρος και χαμηλό βαθμό απόδοσης.

3 Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα δύο βαθμίδων. Ο μετατροπέας αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost, buck-boost, forward, push-pull), ο οποίος ανυψώνει την τάση σε σταθερή πρακτικά τιμή, ώστε στην επόμενη βαθμίδα, δηλαδή στον αντιστροφέα, να επιτευχθεί, με την βοήθεια ενός κατωδιαβατού φίλτρου, η ημιτονοειδής μορφή του ρεύματος προκειμένου να υλοποιηθεί η διασύνδεση με το δίκτυο. Αυτό υλοποιείται ελέγχοντας τον αντιστροφέα με παλμούς PWM. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα ο μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε συνεχή να δίνει στην έξοδό του ανορθωμένο ημιτονικό ρεύμα και έπειτα ο αντιστροφέας, που οδηγείται από τετραγωνικούς παλμούς, να χρησιμοποιείται προκειμένου να δημιουργηθεί η εναλλασσόμενη συνιστώσα. Σε αντίθεση με τους μετατροπείς μιας βαθμίδας, στην κατηγορία αυτή παρατηρείται η χρήση υψίσυχνου πηνίου ή μετασχηματιστή αντί του μετασχηματιστή σιδήρου, με άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου και του βάρους της διάταξης. Ωστόσο η ανάγκη για δύο βαθμίδες μετατροπής αυξάνει το κόστος κατασκευής αυτών των διατάξεων, ενώ η ύπαρξη επιπλέον ηλεκτρικών στοιχείων αυξάνει τόσο τις διακοπτικές όσο και τις απώλειες αγωγής με άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του βαθμού απόδοσης. Επιπλέον η παλμοδότηση και ο έλεγχος των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα είναι πιο δύσκολος και πιο απαιτητικός. Φωτοβολταϊκά συστήματα με μετατροπέα πολλαπλών βαθμίδων Στην τελευταία κατηγορία συναντάμε φωτοβολταϊκά συστήματα με μεγάλο πλήθος εν σειρά συνδεδεμένων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένα αντιστροφέα για την σύνδεση στο δίκτυο. Η χρήση πολλών βαθμίδων μετατροπής έχει όμως ορισμένα αρνητικά αποτελέσματα όπως το μεγάλο κόστος κατασκευής, το μικρό βαθμό απόδοσης λόγω των απωλειών στις ενδιάμεσες βαθμίδες και την επισφαλή απόκριση του όλου συστήματος σε μεταβατικές καταστάσεις λόγω των ανεξάρτητων βρόχων ελέγχου του κάθε μετατροπέα. Πλεονεκτήματα των μετατροπέων αυτών είναι η εξαφάνιση της ταλάντωσης του ρεύματος χαμηλής συχνότητας από το φωτοβολταϊκό σύστημα με αποτέλεσμα την επίτευξη βέλτιστης ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Στις επόμενες παραγράφους αναλύονται οι δύο μετατροπείς μονής βαθμίδος, δίδονται τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά και συγκρίνονται μεταξύ τους. 3. ΥΨΙΣΥΧΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΜΕ Μ/Σ ΣΙΔΗΡΟΥ Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται μία από τις πιο κλασσικές τοπολογίες AC PV Module, ο υψίσυχνος αντιστροφέας πλήρους γέφυρας (full-bridge inverter) [7]. Αποτελείται από έναν πυκνωτή εισόδου, τέσσερα διακοπτικά στοιχεία (MOSFET), ένα κατωδιαβατό φίλτρο LC και ένα μετασχηματιστή σιδήρου. Τα MOSFET άγουν συμπληρωματικά ανά ζεύγη και η παλμοδότησή τους γίνεται με τη μέθοδο της Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης του Εύρους των Παλμών (SPWM) με διπολική τάση εξόδου. Το φίλτρο LC έχει σκοπό να περιορίσει το πλάτος των ανωτέρων αρμονικών της τάσης εξόδου της πλήρους γέφυρας. Έτσι περιορίζονται οι απώλειες στο Μ/Τ σιδήρου ο οποίος ανυψώνει την τάση εξόδου του αντιστροφέα στα επίπεδα τάσεως του δικτύου. Για την λειτουργία της διάταξης ως πηγή τάσης είναι απαραίτητη η χρήση διπλού ελέγχου. Ο ανοικτός βρόχος εξασφαλίζει ότι η τάση εξόδου, πριν τη διασύνδεση, έχει την ίδια μορφή με αυτή του δικτύου. Αφότου γίνει η σύνδεση ο PI έλεγχος λειτουργεί παράλληλα με τον ανοικτό βρόχο ελέγχου και έχει ως σκοπό τη διατήρηση του συντελεστή ισχύος όσο το δυνατόν πιο κοντά στη μονάδα.

4 Σχήμα 2: Υψίσυχνος αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με μετασχηματιστή σιδήρου Ο πειραματικός αντιστροφέας κατασκευάστηκε για ισχύ 160W και τάση εισόδου 48V.Τα ηλεκτρικά και τεχνικά χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την παλοδότηση SPWM των διακοπτικών στοιχείων χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής 80C196MC της εταιρίας Intel. Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά του υψίσυχνου αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με μετασχηματιστή σιδήρου Αντιστροφέας full-bridge Μετασχηματιστής Σιδήρου P (W) 160 S (VA) 200 V in (V) 48 N 1:10 m a 0.7 L 1 (mh) 16.8 f s (khz) 50 S (VA) ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ FLYBACK ΜΕ ΔΥΟ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝΤΑ ΤΥΛΙΓΜΑΤΑ Το κυκλωματικό διάγραμμα της εν λόγω διάταξης βασίζεται στο μετατροπέα flyback και παρουσιάζεται στο Σχήμα 3 [6,8,9]. Σχήμα 3: Αντιστροφέας τύπου flyback με δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα

5 Για να είναι εφικτή η μεταφορά ενεργού ισχύος από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία στο ηλεκτρικό δίκτυο, ο αντιστροφέας θα πρέπει να εξασφαλίζει στην έξοδο του φίλτρου του τάση και ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, συχνότητας 50 Hz και συμφασικά με την τάση του δικτύου. Η μεταφορά τη ενέργειας από την πλευρά της συνεχούς τάσης σε αυτή της εναλλασσόμενης πραγματοποιείται μέσω δύο όμοιων δευτερευόντων τυλιγμάτων. Κάθε ένα από αυτά άγει για διάστημα μισής περιόδου του ηλεκτρικού δικτύου, ελέγχοντας κατάλληλα τα διακοπτικά στοιχεία S 2 και S 3. Για κάθε ημιπερίοδο του ηλεκτρικού δικτύου, το ισοδύναμο κύκλωμα του μετατροπέα είναι ένας κλασικός μετατροπέας DC-DC τύπου flyback. Ο μετατροπέας συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος, η τιμή της οποίας εξαρτάται από την τιμή της τάσης του δικτύου. Έτσι ο μετατροπέας δεν επιτρέπεται να λειτουργεί σε κατάσταση συνεχούς αγωγής (CCM), διότι ο μετασχηματιστής δεν θα εκφορτίζεται πλήρως στη διάρκεια μιας διακοπτικής περιόδου, με άμεση συνέπεια να συμπεριφέρεται ως πηγή τάσης. Οπότε ο μετατροπέας οφείλει να λειτουργεί στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM), όπου ο υψίσυχνος μετασχηματιστής εκφορτίζεται πλήρως στη διάρκεια μιας διακοπτικής περιόδου. Η βασική ιδέα της τεχνικής ελέγχου της κατάστασης ασυνεχούς αγωγής, σταθερής συχνότητας, είναι να διαμορφωθούν οι μέγιστες τιμές του διακοπτικού ρεύματος εισόδου σε κάθε διακοπτικό κύκλο σύμφωνα την ημιτονοειδή τάση του δικτύου. Στο Σχήμα 4 παρατίθεται το ρεύμα του μετασχηματιστή ανηγμένο στην πλευρά της Φ/Β γεννήτριας. Προφανώς όταν ο διακόπτης S 1 βρίσκεται σε κατάσταση αγωγής (διάστημα t on ) το ρεύμα του μετασχηματιστή ρέει μέσω του πρωτεύοντος τυλίγματος, ενώ κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος t off ρέει μέσω του ενεργού δευτερεύοντος τυλίγματος. Το ενεργό δευτερεύον τύλιγμα καθορίζεται κάθε φορά από την πολικότητα της τάσης του δικτύου, άρα από τον έλεγχο των S 2 και S 3. Τέλος στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την πλήρη εκφόρτιση του Μ/Σ μέχρι το ξεκίνημα του νέου διακοπτικού κύκλου, ο Μ/Σ δε διαρρέεται από ρεύμα. Προφανώς, η διάρκεια του διαστήματος αγωγής του S 1 καθορίζεται βάσει της απαιτούμενης ισχύος εξόδου της Φ/Β διάταξης. Έτσι, το διάγραμμα ελέγχου για τη λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής σταθερής συχνότητας θα είναι ένας απλός PWM βρόχος, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Αξίζει να σημειωθεί πως το κύκλωμα ελέγχου είναι ιδιαίτερα απλό, γεγονός που μειώνει το συνολικό κόστος. Παρόλα αυτά, το γεγονός ότι δεν μετράται το ρεύμα μαγνήτισης μπορεί να οδηγήσει τον αντιστροφέα κάτω από ακραίες συνθήκες φορτίου σε λειτουργία συνεχούς αγωγής με αποτέλεσμα την δημιουργία βραχυκυκλώματος. Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητος ο ακριβής σχεδιασμός του αντιστροφέα, καθώς και η λειτουργία του σε αυστηρώς καθορισμένα όρια του λόγου κατάτμησης. Σχήμα 4: Απεικόνιση του ρεύματος του Μ/Σ ανηγμένο στην πλευρά της Φ/Β γεννήτριας Σχήμα 5: Διάγραμμα ελέγχου κατά τη λειτουργία στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής σταθερής συχνότητας Στον Πίνακα 2 παρουσιάζονται τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πειραματικού αντιστροφέα που κατασκευάστηκε.

6 Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα τύπου flyback με δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα Αντιστροφέας flyback Υψίσυχνος Μετασχηματιστής P (W) 100 L 1 (μh) 85 V in (V) 48 n 1:2 f s (khz) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Για τις πειραματικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε, αντί Φ/Β πλαισίου, τροφοδοτικό συνεχούς τάσης. Όπως έχει προαναφερθεί, η εργασία αυτή εστιάζει στη διερεύνηση του βαθμού απόδοσης, του συντελεστή ισχύος και της πυκνότητας ισχύος των δύο μετατροπέων καθώς επίσης και στην ανάδειξη των προβλημάτων που εμφανίζονται στην εφαρμογή ελέγχων αποφυγής του φαινομένου νησίδας (islanding) και της ανίχνευσης του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (M.P.P.T.), με άμεσο αποτέλεσμα η χρήση ενός απλού τροφοδοτικού να διευκολύνει τη διεξαγωγή των μετρήσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Στα Σχήματα 6 και 7 παρουσιάζονται, για την κάθε διάταξη, ο βαθμός απόδοσης eff και ο συντελεστής ισχύος pf αντίστοιχα, συναρτήσει του ποσοστού της μέγιστης μεταφερόμενης στο δίκτυο ισχύος P AC / P AC,max, για σταθερή τάση εισόδου 48V και P AC,max = 160W eff 0.45 Flyback Αντιστροφέας Αντιστροφέας Πλήρους Γέφυρας P AC /P AC,max (%) Σχήμα 6: Βαθμοί απόδοσης (eff) των διατάξεων, ως συνάρτηση της μεταφερόμενης ισχύος pf 0.45 Flyback Αντιστροφέας Αντιστροφέας Πλήρους Γέφυρας P AC /P AC,max (%) Σχήμα 7: Συντελεστές ισχύος (pf) των διατάξεων ως συνάρτηση της μεταφερόμενης ισχύος Η δεύτερη τοπολογία παρουσιάζει σε όλο το εύρος της παραγόμενης ισχύος υψηλό βαθμό απόδοσης, ο οποίος μάλιστα αυξάνει καθώς προσεγγίζουμε το ονομαστικό σημείο λειτουργίας της. Αντιθέτως ο αντιστροφέας πλήρους γέφυρας παρουσιάζει αρκετά χαμηλό βαθμό απόδοσης σε όλη τη γκάμα της μεταφερόμενης ισχύος λόγω της εργαστηριακής κατασκευής του Μ/Τ σιδήρου. Παρόλα αυτά, ο αντιστροφέας πλήρους γέφυρας παρουσιάζει υψηλότατο συντελεστή ισχύος και μάλιστα μεγαλύτερο του 95% σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Στο ίδιο επίπεδο καταλήγει και ο συντελεστή ισχύος του flyback αντιστροφέα για το ονομαστικό σημείο λειτουργίας του. Στα Σχήματα 8 και 9 παρουσιάζονται οι κυματομορφές των ρευμάτων εξόδου των δύο μετατροπέων για ισχύ εξόδου 100W.

7 Σχήμα 8: Ρεύμα στην έξοδο του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας (μετά το φίλτρο) Σχήμα 9 : Ρεύμα στην έξοδο του αντιστροφέα τύπου flyback (μετά το φίλτρο) Ένα επιπλέον σημείο που χρειάζεται ιδιαίτερη μνεία είναι η κυματομορφή του ρεύματος εισόδου, δηλαδή του ρεύματος που διαρρέει το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Για την ορθότερη εφαρμογή ενός M.P.P.T. ελέγχου σε ένα Φ/Β σύστημα θα πρέπει η κυμάτωση του ρεύματος εισόδου να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Στον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας το ρεύμα εισόδου έχει παλμική μορφή, που ακολουθεί τη διάρκεια των παλμών εναύσεως και πλάτος που μεταβάλλεται ανάλογα με την μεταφερόμενη ισχύ. Από την άλλη μεριά το ρεύμα εισόδου του flyback αντιστροφέα, όπως είδαμε και στο σχήμα 4, παρουσιάζει ημιτονοειδή μεταβολή της μέγιστης τιμής του με διαστήματα διακοπής. Αυτή η ιδιαιτερότητα αναγκάζει το ρεύμα εισόδου του flyback αντιστροφέα να παρουσιάζει μεγαλύτερη κυμάτωση με αποτέλεσμα να καθίσταται δυσκολότερη η εξομάλυνσή του. Στα Σχήματα 10 και 11 απεικονίζονται οι κυματομορφές των ρευμάτων εισόδου των δύο αντιστροφέων για ισχύ εξόδου 100W και με πυκνωτές εισόδου στον flyback και full-bridge 2.2mF και 4.4mF αντίστοιχα. Η ουσιαστική μείωση της κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου απαιτεί την χρήση ακόμα μεγαλύτερων πυκνωτών που αυξάνουν το κόστος και μειώνουν την διάρκεια ζωής του όλου συστήματος. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να περιοριστεί με χρήση ενεργών φίλτρων που αναλαμβάνουν εξολοκλήρου να απαλείψουν τις αρμονικές του ανορθωμένου ημιτονικού ρεύματος. Σχήμα 10: Ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Σχήμα 11: Ρεύμα εισόδου του flyback αντιστροφέα Ένα ακόμα στοιχείο που αξίζει να τονισθεί για τον δεύτερο αντιστροφέα είναι η εγγενής ικανότητά του να αντεπεξέρχεται στο φαινομένο νησίδας (islanding). Λειτουργώντας ως πηγή ρεύματος οδηγούμενη από την τάση του δικτύου, σε περίπτωση εμφανίσεως φαινομένου

8 νησίδας,ο flyback αντιστροφέας αναγκάζεται να σβήσει. Αντίθετα στον full-bridge είναι απαραίτητη η εφαρμογή επιπλέον ελέγχων που αυξάνουν το κόστος και την πολυπλοκότητα του συστήματος. Τέλος, εξαιτίας της χρήσης βαρύ και ογκώδη μετασχηματιστή σιδήρου, ο πρώτος αντιστροφέας παρουσιάζει σημαντικά μικρότερη πυκνότητα ισχύος σε σχέση με τον ιψίσυνο αντιστροφέα τύπου flyback. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η παραπάνω ανάλυση απέδειξε ότι η συμβατική τοπολογία παρουσιάζει κάποια μεινοκτήματα που περιορίζουν το βαθμό απόδοσης και την πυκνότητα ισχύος. Σε αυτή την κατεύθυνση αναπτύχθηκε μία νέα υψίσυχνη τοπολογία μίας βαθμίδος για διασύνδεση με το δίκτυο. Σε αντίθεση με τον κλασσικό αντιστροφέα, η προτεινόμενη διάταξη, εξαιτίας του απλοποιημένου σχεδιασμού της χαρακτηρίζεται από την υψηλή πυκνότητα ισχύος. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή χρηματοδοτείται από την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας, το Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταμείο καθώς και από τις εταιρείες ANCO S.A. και ENERGY SOLUTIONS S.A. στα πλαίσια του προγράμματος Π.Ε.Ν.Ε.Δ. 2003, Αρ.03ΕΔ400 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Winfield Hoffmann, PHOTOVOLTAICS A clear vision, RENEWABLE ENERGY WORLD, May-June 2005, Volume 8, Nr. 3, pp Gow J, Manning C. Photovoltaic converter system suitable for use in small scale stand-alone or grid-connected applications, IEE Proceedings-Electric Power Applications, Vol. 147, Nr. 6, pp , November Wills R. H., Hall F. E., Strong S. J., The AC photovoltaic module, in Proc. IEEE PSC 96, Washington DC (USA), May, 1996, pp Lohner A., Meyer T., Nagel A., A New Panel-Integratable Inverter Concept for Grid-Connected Photovoltaic Systems, in Proc IEEE ISIE 96, Warsaw (Poland), June 17-20, 1996, Vol.2, pp Soeren Baekhoej Kjaer, State of the art analysis for the SolcelleInverter project, Aalborg University, February 2002, 6. Nikolaos P. Papanikolaou, Emmanuel C. Tatakis, Anastasios Ciritsis, Dimitrios Klimis, Simplified high frequency converters in decentralized grid-connected PV systems: a novel low-cost solution, 10th European Conference on Power Electronics and Applications, (EPE 03), Toulouse (France), paper on CD, Nr Ned Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics, 2 nd, New York: John Willey & Sons, Inc. 1995, John Wiley and Sons Inc, Chap A. Ch. Kyritsis, J. C. Kobougias, D. S.Klimis, E. C. Tatakis, Comparison between AC PV Modules Topologies for Decentralised Grid Connected Applications, CIGRE Symposium on Power Systems with dispersed generation, Athens, Greece, April, 2005, paper on CD. 9. S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaabjerg, A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules, IEEE Transaction on Industry Applications, Vol 41, No 5, September / October 2005.