Método de implementação específico do otimizador de tensão

A seguir, serão combinadas várias modalidades para explicar de forma clara e completa o esquema da presente invenção. As modalidades descritas são apenas modalidades utilizadas para a narração e explicação da presente invenção, e não todas as modalidades. Com base nestas modalidades, os esquemas obtidos pelos técnicos desta área sem trabalho criativo pertencem ao âmbito de proteção da presente invenção.
No sistema de fonte de alimentação comutada, a fonte de alimentação utiliza frequentemente dispositivos semicondutores de potência como elementos de comutação e ajusta a tensão de saída ligando e desligando periodicamente o interruptor e controlando o ciclo de trabalho dos elementos de comutação. A fonte de alimentação comutada é composta principalmente por um circuito de entrada, um circuito de conversão, um circuito de saída e uma unidade de controlo. A conversão de energia é a sua parte principal, que é composta principalmente por um circuito de comutação, e um transformador também é aplicado em algumas ocasiões. Para satisfazer os requisitos de alta densidade de potência, o conversor precisa de funcionar num estado de alta frequência e o transístor de comutação deve utilizar um braço de cristal com alta velocidade de comutação e curto tempo ligado e desligado. Os interruptores de potência típicos incluem tirístores de potência, transístores de efeito de campo de potência e transístores bipolares isolados. O modo de controlo divide-se em modulação por largura de pulso (PWM), modulação mista de PWM e modulação de frequência (FM), modulação por frequência de pulso (PFM), etc., sendo a modulação por largura de pulso (PWM) a mais utilizada. As fontes de alimentação comutada (SMPS) são classificadas em conversores CA-CA (CA/CA), como conversores de frequência e transformadores, de acordo com as diferentes formas de tensão de entrada e saída; são também classificados em conversores CA-CC (CA/CC), como os retificadores; e em conversores CC-CA (CC/CA), como os inversores; e em conversores CC-CC (CC/CC), como os conversores de tensão e os conversores de corrente. A fonte de alimentação comutada utilizada nesta aplicação é principalmente um conversor CC-CC. O ruído de comutação causado pela operação de comutação durante o funcionamento da fonte de alimentação comutada pode causar interferências eletromagnéticas nos equipamentos eletrónicos, incluindo a própria fonte. O ruído de comutação refere-se à componente de ruído e a determinados componentes harmónicos causados ​​pela frequência de operação de comutação da chave de potência da fonte de alimentação comutada. Quando ocorre interferência eletromagnética, o funcionamento dos dispositivos eletrónicos periféricos do dispositivo de potência, incluindo a fonte de alimentação comutada, é perturbado. O método convencional para suprimir a ocorrência de interferências eletromagnéticas é alterar o método de modulação da frequência de operação de comutação. No entanto, o método de modulação de frequência produzirá uma ondulação de tensão de saída modulada de acordo com a frequência de operação de comutação, e a ondulação da tensão de saída sobrepõe-se à componente de ondulação da tensão de saída causada pela ondulação da tensão de entrada, gerando assim uma ondulação de tensão de saída mais elevada.
No sistema de fonte de alimentação comutada, a presente aplicação tira o máximo partido das características da própria fonte de alimentação comutada, tais como o conversor de tensão CC-CC considerado um otimizador de potência, adicionando elementos indutores/condensadores ao circuito de conversão de tensão, acoplando a tensão de saída da operação de comutação gerada pelo circuito de conversão de tensão à extremidade de entrada ou de saída do próprio circuito e, em seguida, transmitindo-a para a linha de transmissão CC comum utilizada para fornecer a tensão total em série.
O otimizador de tensão é um conversor de tensão CC-CC buck-boost e também um dispositivo de seguimento de potência máxima de bateria de nível de componente único. Após o otimizador de potência otimizar a potência máxima de um único componente, esta é transmitida ao inversor terminal para processamento CC-CA e depois fornecida para utilização local, geração de energia ou ligação à rede. O inversor terminal pode ser geralmente um inversor puro sem seguimento de potência máxima ou um inversor equipado com seguimento secundário de potência máxima. Os principais otimizadores de potência dividem-se em tipo série e tipo paralelo, e a topologia é ligeiramente diferente, como por exemplo o circuito BUCK, BOOST ou BUCK-BOOST.
O otimizador de potência em série adota o conceito de projeto de tensão fixa. Simplificando, a placa de controlo do inversor determina uma tensão de barramento CC estável com base na tensão terminal CA, resume a potência máxima recolhida por cada otimizador ligado em série e, em seguida, calcula a corrente do barramento e transmite-a ao otimizador através de wireless ou de portadora de energia. Nesse momento, a tensão à saída de cada otimizador é igual à potência máxima do componente recolhida dividida pela corrente do barramento. Quando o componente estiver bloqueado, o otimizador irá recalcular o valor máximo de potência de saída com base na curva volt-ampère e transmiti-lo para a placa de controlo do inversor via wireless ou rede elétrica. Isto sob a premissa de manter a tensão do barramento CC (v).

Com a tensão inalterada, a placa de controlo recalcula a corrente do barramento (tornando-se menor) e realimenta-a para cada otimizador. Nesse momento, a potência do componente bloqueado é reduzida e o otimizador também reduzirá a tensão para confirmar se a corrente de saída cumpre a norma. Os otimizadores de outros componentes desbloqueados aumentarão a tensão para cumprir o padrão de corrente de saída. Se o componente estiver bloqueado de forma demasiado severa, o otimizador de potência contornará o componente severamente bloqueado até que este regresse a um estado de funcionamento. Esta regulação é, na realidade, um processo de suplementação de tensão, fornecendo assim ao inversor a tensão de barramento CC mais estável e otimizada.
O otimizador de potência em paralelo também utiliza um modo de tensão fixa. O inversor determina a tensão do barramento com base no circuito fechado de CC e CA. Cada otimizador aumenta a tensão do seu próprio terminal de saída para um valor especificado. Nesse momento, a corrente de entrada para o inversor é equivalente à soma das correntes após a potência máxima recolhida por cada otimizador ser dividida pela tensão nominal. Uma vez que a obstrução por nuvens densas tem pouco efeito na tensão dos componentes, mas afeta principalmente a corrente de saída, os otimizadores paralelos geralmente não apresentam ajustes frequentes de desequilíbrio de tensão. Devido à relação em paralelo, as correntes de saída não se afetam mutuamente, o que pode ser considerado uma vantagem dos otimizadores paralelos em relação aos otimizadores em série. Ao mesmo tempo, se os componentes individuais estiverem severamente obstruídos e o dispositivo elevador não puder ser inicializado, o otimizador desliga-se automaticamente e envia um sinal de erro, reiniciando apenas após a remoção da obstrução. No entanto, em comparação com a topologia em série, a topologia em paralelo também apresenta as mesmas desvantagens do microinversor, como a grande gama de elevação. Atualmente, a tensão de circuito aberto mais comum dos componentes é de cerca de 38 volts, e a tensão de funcionamento é de cerca de 30 volts. Em circunstâncias normais, a gama de elevação e redução de tensão da topologia em série é controlada entre 10% e 30%, podendo atingir 10%-90% em caso de tensão insuficiente. No entanto, tanto a topologia paralela como o microinversor necessitam de elevar a tensão de entrada do componente para um valor relativamente elevado, cerca de 400V, o que equivale obviamente a um aumento de 10 vezes. Este é um ciclo de trabalho mais desafiante para o dispositivo elevador que é controlado apenas pelo interruptor, sem a utilização de um transformador.
Uma das maiores características topológicas do otimizador de potência é separar a funcionalidade dos componentes e do inversor, o que é diferente do sistema fotovoltaico tradicional. Parece que os componentes estão ligados ao inversor através do otimizador, mas na verdade os componentes são utilizados apenas para iniciar o otimizador, e o otimizador recolhe a potência máxima dos componentes e depois coopera com eles para fornecer a função de inversor. Isto porque a tecnologia de tensão fixa não só resolve o problema do sombreamento parcial do sistema de geração de energia fotovoltaica, como também, para o sistema com várias strings, o número de componentes em cada string não tem de ser igual, e mesmo a orientação de cada componente no mesmo grupo de strings não tem de ser a mesma. Para um otimizador em série, a tensão de circuito aberto após a desconexão é apenas de uma pequena tensão de 1V. Para um otimizador em paralelo, a tensão de circuito aberto após a desconexão é, no máximo, a tensão de circuito aberto do componente, pelo que também representa um grande avanço para o desempenho de segurança e a fiabilidade do sistema de geração de energia.
Para além das vantagens estruturais da topologia do circuito, o otimizador de potência apresenta também vantagens inerentes no algoritmo de seguimento do ponto de máxima potência. O algoritmo tradicional de seguimento do ponto de máxima potência baseia-se basicamente em dois tipos: método de escalada e método de medição lógica. O método de rastreio avançado também utiliza um método de combinação: por exemplo, o método de subida de colina é combinado com o método de faixa constante, e o método de varrimento completo com um intervalo de tempo fixo é utilizado para encontrar o ponto de máxima potência; existe também uma combinação do método de polaridade da inclinação e do método de incremento de condutância, e o método de controlo do passo de deteção é utilizado para encontrar o ponto de máxima potência. Em condições de teste ideais, a precisão destes algoritmos pode chegar a mais de 99%. Na verdade, o maior desafio atualmente são os múltiplos picos e surtos de baixa intensidade. Multipico significa que existem múltiplos picos de potência na curva potência-corrente ou potência-tensão de um arranjo fotovoltaico. Há muitas razões para isso. Uma delas é que alguns componentes estão bloqueados e os díodos de bypass estão diretamente defletidos, fazendo com que um terço das células seja bypassado, resultando numa redução da tensão de funcionamento do grupo de células, o que, por sua vez, causa uma incompatibilidade de tensão no arranjo e múltiplos picos. Ou, devido ao bloqueio, os díodos de bypass ainda estão em polarização inversa.

O estado de deflexão não é iniciado e ocorre uma incompatibilidade de corrente na mesma cadeia, resultando em múltiplos picos. Os picos múltiplos e os aumentos repentinos de luz têm um grande impacto em muitos algoritmos de ponto de máxima potência (MPPT). Devido à sua natureza incontrolável e variável, confundem o seguidor na determinação da direção de deteção e na identificação do pico que representa o ponto de máxima potência. Na verdade, a causa principal deste problema é o excesso de componentes ligados. Imagine se cada otimizador estivesse ligado a apenas um componente, com apenas dois ou três díodos de bypass, e os componentes não interferissem uns com os outros. Isto reduz significativamente a dificuldade de análise e seguimento do ponto de máxima potência, além de simplificar e tornar mais precisa a edição da lógica do controlador. Como se trata apenas de uma curva IV de 38 volts e 8,9 amperes, o seguimento do ponto de máxima potência pelo otimizador não requer a utilização de algoritmos tradicionais. Atualmente, existem dois métodos comuns: o método de seguimento do ponto de tangência e uma combinação de controlo de resistência e controlo de tensão com seguimento secundário. É com base nesta vantagem que o otimizador pode ter um aumento de 30% na capacidade de produção em comparação com os inversores tradicionais. Além disso, ao contrário da potência CA limitada dos microinversores, os otimizadores de potência podem transmitir totalmente a energia recolhida para o inversor.
O otimizador de potência não só é compatível com todos os painéis de silício cristalino, como também pode ser combinado com alguns sistemas de baterias de película fina. A indústria também está a trabalhar arduamente para tornar o otimizador mais compatível. No entanto, a maioria dos microinversores são incompatíveis ou funcionalmente limitados, o que os torna incompatíveis com alguns componentes convencionais do mercado. Ao mesmo tempo, a gama de tensão de entrada do otimizador de potência está aproximadamente entre 5 volts e 50 volts, o que garante que, mesmo que os componentes estejam severamente cobertos, o circuito de otimização ainda pode permanecer no estado de arranque e continuar a funcionar. O otimizador de potência pode ser combinado com um inversor de terceiros e comunicar com o inversor de terceiros e regular o sistema através de uma caixa de controlo adicional. O circuito otimizador de potência ou de conversão de tensão é essencialmente um conversor CC-CC, como os circuitos BUCK, BOOST e BUCK-BOOST. É de realçar que qualquer solução para o seguimento de potência máxima de células fotovoltaicas no estado da técnica é também aplicável ao circuito de conversão de tensão desta aplicação. Os métodos comuns de seguimento de potência máxima incluem o método de tensão constante, o método de incremento de condutância, o método de observação de perturbações, etc. Esta aplicação não irá aprofundar a forma como o circuito de conversão de tensão realiza o seguimento de potência máxima (MPPT).
No campo da geração de energia fotovoltaica, os módulos fotovoltaicos ou células fotovoltaicas (PV) são um dos componentes principais da geração de energia. Os painéis solares dividem-se em células solares de silício monocristalino, células solares de silício policristalino, células solares de silício amorfo, etc., de acordo com a tecnologia predominante. O número de módulos de bateria utilizados em grandes centrais fotovoltaicas centralizadas é enorme, e o número de módulos de bateria utilizados em pequenas centrais elétricas domésticas distribuídas é relativamente pequeno. Uma vez que a vida útil exigida para as células de silício neste campo é geralmente superior a 20 anos, é essencial monitorizar a durabilidade e o desempenho dos painéis a longo prazo. Muitos fatores internos e externos podem levar à redução da eficiência de geração de energia dos módulos fotovoltaicos, como diferenças de fabrico ou de instalação entre os próprios módulos, sombreamento ou adaptação ao seguimento de potência máxima, que causam ineficiência. Tomando como exemplo o sombreamento típico, se parte dos módulos fotovoltaicos estiver obstruída por nuvens, edifícios, sombras de árvores, sujidade e outras situações semelhantes, estes módulos deixarão de gerar energia e passarão a gerar eletricidade. A temperatura local dos módulos fotovoltaicos em locais com elevado efeito de ponto quente pode ser elevada, chegando a ultrapassar os 150 °C, resultando na queima de áreas específicas dos módulos ou na formação de manchas escuras, derretimento das juntas de soldadura, envelhecimento dos materiais de encapsulamento, fissuras no vidro, corrosão e outros danos permanentes, o que representa um grande risco para a segurança e fiabilidade dos módulos fotovoltaicos a longo prazo. O problema que necessita de ser resolvido nas centrais/sistemas fotovoltaicos é: ser capaz de observar o estado de funcionamento de cada painel fotovoltaico instalado em tempo real e alertar para condições anormais, como sobretemperatura, sobretensão, sobrecorrente e curto-circuito na saída da bateria. É muito importante tomar medidas de emergência, como o encerramento de segurança ativo ou outras medidas para baterias com funcionamento anormal. Quer se trate de uma central fotovoltaica centralizada ou de um pequeno sistema distribuído, a capacidade de monitorizar e monitorizar o funcionamento da energia é fundamental.

Numa central elétrica, é necessário avaliar e identificar os componentes com potenciais problemas com base nos dados dos parâmetros de funcionamento recolhidos para os módulos fotovoltaicos.
No campo da geração de energia fotovoltaica, os módulos ou células fotovoltaicas necessitam de ser ligados em série para formar um conjunto de baterias, e depois o conjunto de baterias é ligado em paralelo a equipamentos de energia, como uma caixa de derivação ou um inversor, o que implica a instalação de módulos ou baterias, exigindo uma segurança absoluta. Se o módulo fotovoltaico apresentar uma situação anormal, como sobretemperatura, sobretensão ou sobrecorrente, é imprescindível acionar ativamente o desligamento destes módulos fotovoltaicos anormais. Quando o módulo fotovoltaico anormal sai do estado anormal e volta ao estado normal, é necessário voltar a ligá-lo, o que também exige uma segurança absoluta. Além disso, em algumas ocasiões, é necessário detetar a geração de energia do módulo ou monitorizar a potência de saída, o que é fundamental para avaliar a qualidade do módulo. Por exemplo, se a geração de energia do módulo for significativamente reduzida, é provável que tenha ocorrido um evento anormal de geração de energia, bloqueado por excrementos de pássaros, poeira, edifícios, sombras de árvores, nuvens, etc., o que exige a limpeza da bateria ou a alteração da orientação de instalação, entre outras medidas. Os especialistas na área sabem que as células solares de silício monocristalino, as células solares de silício policristalino, as células solares de silício amorfo, etc., são materiais cujas características são propensas à atenuação. É necessário monitorizar o grau de atenuação do módulo, o que é extremamente importante para avaliar a qualidade da bateria. O problema é: não sabemos identificar componentes anormais e componentes normais num conjunto tão grande de componentes. O conteúdo seguinte solucionará esse problema. Em muitos casos, necessitamos de identificar diretamente as células ou componentes com baixa qualidade durante a fase de instalação e nunca permitir que as células com defeitos de qualidade sejam montadas/instaladas no conjunto de células fotovoltaicas. Caso contrário, a entrada de células com problemas de qualidade no conjunto de células fotovoltaicas levará a uma baixa eficiência de geração de energia de todo o conjunto. Pior ainda é que a tensão ou corrente anormal de uma ou mais células problemáticas pode danificar toda a bateria, causando perdas ainda maiores.