Введение: Проблема преобразования тока

Солнечные модули установлены, батарея готова к использованию, солнце светит. Таким образом, основа для солнечной установки создана. Но не хватает важного компонента: Инвертора и его разнообразных функций.

Проблема солнечных установок:

• Солнечные элементы производят постоянный ток (DC)
• Бытовые приборы требуют переменного тока (AC)
• Батареи снова хранят постоянный ток (DC)

Для решения этой проблемы используется силовая электроника. В этой статье вы узнаете, как работают различные компоненты.

Обзор: Силовые электронные компоненты

Как в солнечной технике, так и во всех современных устройствах без силовой электроники не обойтись. Для солнечных установок и батарей используются различные компоненты, которые выполняют специфические задачи по преобразованию тока:

Компонент	Функция
Инвертор	DC → AC (постоянный в переменный ток)
Выпрямитель	AC → DC (переменный в постоянный ток)
Повышающий преобразователь	Низкое DC-напряжение → Высокое DC-напряжение
Понижающий преобразователь	Высокое DC-напряжение → Низкое DC-напряжение
BMS	Система управления батареей

Одно- и двунаправленные

Эти компоненты могут быть однонаправленными (в одном направлении) или двунаправленными (в обоих направлениях):

• Однонаправленный: Только преобразование постоянного тока в переменный
• Двунаправленный: Возможны оба направления (важно для накопителей энергии!)

Инвертор: Сердце солнечной установки

Инверторы преобразуют постоянный ток солнечных модулей в переменный ток. Это осуществляется с помощью электронно управляемых переключателей, называемых силовыми ключами.

Принцип работы: "Дробление"

1. Постоянный ток очень быстро включается и выключается
2. За счет различной длительности переключений создается шаблон
3. Из средних значений "кусочков постоянного тока" получается переменный ток
4. Частота стандартно составляет 50 Гц (Европа)

Результат – сетевой переменный ток, подходящий для всех бытовых приложений.

Важные функции инвертора

Помимо чистого преобразования тока, современные инверторы выполняют и другие важные задачи для безопасной и эффективной работы солнечной установки:

Функция	Описание
Синхронизация с сетью	Частота и фаза подстраиваются под сеть
Защита от отключения сети	Отключает при сбое сети (защита для обслуживающего персонала)
Ограничение мощности	Программное ограничение (например, правило 70%)
Мониторинг	Наблюдение и диагностика неисправностей

КПД

Современные инверторы достигают 96–98% КПД. Потери возникают из-за:

• Потерь на переключение в полупроводниках
• Собственного потребления электроники
• Развития тепла

Выпрямитель: Противоположность

Выпрямитель – это противоположность инвертору: он преобразует переменный ток в постоянный.

Принцип работы

При выпрямлении переменный ток частично "отрезается":

• Используются только положительные "гребни" переменного тока
• Среднее значение дает почти постоянный ток
• Высокочастотное переключение сглаживает результат

Применение в солнечных установках

Выпрямители необходимы, когда:

• AC-совместимая батарея заряжается от сети
• Избыточный сетевой ток должен быть временно сохранен

DC-DC преобразователи: Регулировка напряжения

DC-DC преобразователи (преобразователи постоянного тока) изменяют величину напряжения постоянного тока, не преобразуя его в переменный ток.

Повышающий преобразователь (Boost-Converter)

Преобразует низкое напряжение в высокое.

Конструкция:

• Источник низкого напряжения
• Катушка
• Диод
• Силовой ключ
• Конденсатор

Принцип работы:

1. Ключ замкнут: Ток проходит через катушку, создается магнитное поле
2. Ключ разомкнут: Магнитное поле разрушается, генерируя ток
3. Конденсатор заряжается: Повышенное напряжение сохраняется в конденсаторе

Этот процесс повторяется с очень высокой частотой для стабильного напряжения.

Понижающий преобразователь (Buck-Converter)

Преобразует высокое напряжение в низкое.

Принцип работы:

1. Ключ замкнут: Ток проходит к катушке и конденсатору
2. Ключ разомкнут: Магнитное поле разрушается, полярность меняется
3. Переменная зарядка: За счет постоянной смены полярности создается более низкое напряжение

Двунаправленный DC-DC преобразователь (Buck-Boost)

Объединяет обе функции – может как повышать, так и понижать напряжение. Важно для:

• Зарядки батареи при различных состояниях заряда
• Адаптации к изменяющемуся напряжению солнечных модулей

Понимание компонентов

Для лучшего понимания здесь приведены основные компоненты:

Катушка

Свитый электрический проводник, который:

• При прохождении тока создает магнитное поле
• При прекращении тока кратковременно продолжает пропускать ток

Аналогия: Как инерционное водяное колесо, которое продолжает вращаться после отключения воды.

Диод

Пропускает ток только в одном направлении. Работает как обратный клапан.

Конденсатор

Хранит энергию в виде электрического поля. Состоит из двух противоположных металлических пластин. Служит промежуточным хранилищем для стабильного напряжения.

Силовой ключ

Электронные переключатели на основе полупроводников:

• Экстремально высокая скорость переключения
• Малый объем
• Управляются управляющим током

MPPT: Максимальная мощность из солнечной установки

Трекер точки максимальной мощности (MPPT) часто интегрирован в инвертор. Его задача: независимо от погоды или нагрузки всегда извлекать максимальную мощность из солнечной установки.

Почему это необходимо?

Электрическая мощность: P = U × I (напряжение × ток)

Каждый солнечный модуль имеет индивидуальную характеристическую кривую, которая изменяется из-за:

• Затенения
• Изменений температуры
• Изменяющейся инсоляции

Алгоритм "Perturb and Observe"

1. Напряжение слегка увеличивается или уменьшается (возмущение)
2. Измеряется изменение мощности (наблюдение)
3. Мощность была выше? → Продолжать в этом направлении
4. Была ниже? → Изменить направление

Таким образом, MPPT постоянно находит точку максимальной мощности – даже при изменяющихся условиях.

Система управления батареей (BMS)

Современные накопители энергии обладают интеллектуальной системой регулирования и мониторинга для безопасной работы.

Основные задачи BMS

BMS выполняет множество задач, необходимых для безопасной и долговечной работы батареи:

Задача	Описание
Мониторинг	Напряжение, ток, температура каждой ячейки
Балансировка ячеек	Равномерная зарядка всех ячеек
Оценка состояния	Расчет SoC, SoH, SoP
Защита	От перезаряда, перегрева, короткого замыкания
Связь	Передача данных другим системам

Важные параметры батареи

BMS контролирует различные параметры, которые дают информацию о текущем состоянии батареи. Эти стандартизированные аббревиатуры часто встречаются в технической документации:

Аббревиатура	Значение	Вопрос
SoC	State of Charge	Насколько заряжена батарея?
SoH	State of Health	Насколько здорова батарея?
SoP	State of Power	Сколько мощности она может отдать?
SoS	State of Safety	Насколько близко к границе безопасности?
SoF	State of Function	Насколько функциональна батарея?

BMS постоянно контролирует эти параметры и принимает решения о дальнейшей эксплуатации.

Заключение

Что происходит, если все функции объединены в одном устройстве? Подробнее об этом в статье Универсальный прибор: Гибридный инвертор.

---

Полная серия статей «Энергетические накопители для солнечных установок»

1. От лягушачьих лапок до батарей: Как работает энергетический накопитель? – Основы
2. Литий против свинца: Какая батарея для солнечной установки? – Сравнение технологий
3. Силовая электроника: инверторы и DC-DC преобразователи – Вы здесь
4. Универсальный прибор: Гибридный инвертор – Все в одном устройстве
5. AC или DC? Системные топологии для солнечных установок – Концепции установок

Источники

• Питер Хофман: Гибридные автомобили (Springer Vienna, 2010)
• SMA: Основы солнечных инверторов
• HTW Berlin: Эффективность гибридных инверторов
• Электронный компендий: Основы