Частичное преобразование энергии означает, что обрабатывается только часть общего потока энергии, поступающего в нагрузку.
Мощность от источника должна подаваться на преобразовательный каскад для обработки. Преобразованная энергия в конечном итоге подается в нагрузку. Традиционно 100% мощности от входного сигнала направляется на преобразовательный каскад для обработки перед поступлением на выходной каскад. Последнее также может быть применимо к инверторам усиления мощности.
Преобразовательный каскад с несколькими переключателями, магнитными обмотками, пассивными компонентами, такими как конденсаторы, и цепями управления обеспечивает подачу всей электроэнергии. Эффективность системы в значительной степени зависит от преобразовательного каскада, который обеспечивает тепловую нагрузку на компоненты и потери мощности. В результате полное преобразование энергии становится узким местом в таких областях применения, как накопление энергии и быстрая зарядка.
Повышение эффективности системы
Исходя из требований к системе, инженеры разработали новый принцип, при котором часть мощности перерабатывается, а оставшаяся энергия передается в нагрузку по пассивному или прямому каналу связи. Данный принцип преобразования энергии известен как частичное преобразование энергии или дробная обработка мощности.
Количество обрабатываемой мощности всегда меньше, чем передаваемая мощность. При обработке энергии теряется некоторая минимальная мощность. Инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании энергии, обычно называют преобразователями, обрабатывающими только часть общей мощности системы или дробно-степенными преобразователями. По сравнению с традиционными силовыми электронными преобразователями, эти инверторы имеют меньшие размеры и более эффективны.
Инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании общей мощности системы, а оставшаяся мощность передается в нагрузку по пассивному или прямому каналу связи
Для оценки производительности преобразователя при частичной обработке мощности используются определенные показатели. В таких инверторах мощность источника системы отличается от входной мощности, потребляемой преобразователем. Вместо центрального преобразователя, определяющего общую эффективность системы, каждый преобразователь вносит свой вклад в общую эффективность.
КПД системы определяется как отношение мощности, передаваемой в нагрузку к мощности источника. КПД преобразователя – это отношение выходной мощности, выдаваемой преобразователем, к входной мощности, потребляемой преобразователем. Оба безразмерных показателя не совпадают.
Коэффициент обрабатываемой мощности – это отношение обрабатываемой мощности к общей мощности, потребляемой от источника. Обычно он измеряет, какая часть всей мощности может быть обработана отдельно. Низкий коэффициент обрабатываемой мощности означает, что инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании энергии, достаточно эффективны для обработки части энергии источника большой мощности.
Компактная конструкция: поскольку требуется меньше энергии для обработки, частичное преобразование мощности приводит к уменьшению размеров каскадов инвертора. Инженеры используют полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), для создания компактных инверторов с высокой плотностью мощности. Компактная конструкция и высокая удельная мощность обеспечивают более высокую эффективность, надежность и более длительный срок службы изделия.
Экономичность: вместо того, чтобы полагаться на один дорогостоящий централизованный инвертор, частичное преобразование энергии позволяет распределять несколько небольших инверторов в модульных архитектурах. Поскольку стоимость инвертора зависит от объема обрабатываемой энергии, инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании мощности, зарекомендовали себя как экономичное решение.
Снижение нагрузки на компоненты: коэффициент нагрузки на компоненты – это показатель, который количественно определяет максимальную нагрузку (напряжение и ток), приложенную к одному компоненту. Обработка с меньшей потребляемой мощностью снижает нагрузку на отдельные компоненты. Это означает, что количество, номинальные характеристики и размеры пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы, уменьшаются.
Низкие потери мощности: в традиционных инверторах потери растут с увеличением передаваемой мощности. Меньший размер компонентов и магнитные свойства при меньшем напряжении приводят к снижению потерь на проводимость и переключение. По мере снижения потерь в инверторе его КПД достигает 95-99%, что очень редко встречается в традиционных силовых преобразователях.
Лучшее управление температурой: с точки зрения теплотехники, меньшая потребляемая мощность, небольшие размеры компонентов и более низкие номинальные характеристики снижают тепловыделение в системе. Тепло легко распространяется по всему корпусу инвертора. Следовательно, инверторам, работа которых основана на частичном преобразовании энергии, не требуется устанавливать большие радиаторы.
Примеры использования частичного преобразования энергии
Частичное преобразование энергии было впервые применено в космической электронике. Телескопы используют в космосе объемные преобразователи мощности для получения солнечной энергии от солнца и подачи электроэнергии на оборудование для получения изображений. Частичное преобразование энергии было использовано для уменьшения размеров инверторов и общего веса телескопа. Из-за практических преимуществ инженеры начали рассматривать возможность использования частичного преобразования мощности для возобновляемых источников энергии.
Каскад постоянного тока: большинство устройств частичного преобразования энергии работают на постоянном токе, в некоторых редких случаях используется переменный ток. Инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании энергии – это преобразователи постоянного тока в постоянный, которые используются в устройствах с переменным входным и выходным напряжением. Подобные инверторы могут также работать на каскаде постоянного тока инверторов преобразования постоянного тока в переменный ток и переменного тока в постоянный ток.
Энергия ветра: в системах генерации электроэнергии на основе ветряных мельниц используется специальный тип генератора, известный как генератор с регулируемой частотой вращения, который обеспечивает высококачественную мощность переменного тока. Частота вращения генератора регулируется в зависимости от потребности в электроэнергии, что позволяет экономить средства.
Асинхронные генераторы с двойным питанием заменяют генератор с регулируемой частотой вращения в ветроэнергетических сетях. Благодаря трехфазным обмоткам асинхронные генераторы с двойным питанием могут быть подключены к сети через инверторы постоянного тока в переменный. Использование в асинхронных генераторах с двойным питанием инверторов, работа которых основана на частичном преобразовании энергии, уменьшает габариты последних, количество компонентов фильтра и затраты на электроэнергию.
Серийные регуляторы напряжения: могут быть как изолированными, так и неизолированными. Инверторы, работа которых основана на частичном преобразовании энергии являются частью энергосистемы, питаемой с помощью солнечных фотоэлектрических систем и аккумуляторных систем накопления энергии.
Отслеживание точки максимальной мощности – это алгоритм, который сравнивает мощность, подаваемую фотоэлектрическим модулем, с потребляемой. Частичное преобразование энергии помогает устройствам преобразовывать и выдавать только необходимую мощность для управления нагрузкой.
Параллельные регуляторы тока: основаны на методе частичного преобразования энергии, известном как дифференциальное регулирование мощности. Он обрабатывает различия между модулями, подключенными последовательно по шине напряжения. Инверторы дифференциального регулирования мощности предназначены для устранения дисбаланса тока между различными модулями в фотоэлектрических оптимизаторах и схемах балансировки активных элементов аккумуляторной батареи.
Зарядка электромобилей: инверторы частичного преобразования энергии были использованы в станциях сверхбыстрой зарядки и экстремально быстрой зарядки для электромобилей. В таких зарядных станциях несколько электромобилей можно заряжать одновременно, быстрее, менее чем за 15 минут, по сравнению с обычными зарядными устройствами.
Центры обработки данных: В то время как затраты на электроэнергию в центрах обработки данных стремительно растут, частичная обработка энергии позволяет экономить за счет уменьшения количества преобразовательных каскадов и размеров компонентов. Инверторы частичного преобразования энергии могут использоваться в качестве источников питания и эффективно работать в микросетевых или островных сетях центров обработки данных.
Производство экологически чистого водорода: инверторы играют активную роль в производстве экологически чистого водорода с помощью электролиза. Они используют энергию солнечных батарей или энергию ветра для поддержания работы электролизера. Инверторы частичного преобразования энергии помогают преобразовать точное количество энергии, необходимое для системы.
Несмотря на то, что технология частичного преобразования энергии обеспечивает высокую производительность и экономичность. Однако частичное преобразование энергии – это новая «сложная» технология, которая требует координации работы с несколькими преобразователями, дополнительной стабильности, изоляции и расширенного контроля.
