Indiferent de tehnologia utilizată, designul de bază al invertorului este clar și foarte asemănător. Miezul este procesul de conversie a tensiunii DC (module de celule solare) în tensiune AC (conectată la rețea). În procesul de transformare, polii pozitivi și negativi ai electricității de curent continuu sunt transformați continuu pentru a forma curent alternativ cu schimbări de direcție. Deci, componenta cheie a invertorului este comutatorul de punte (dispozitiv de alimentare), așa cum se arată în Figura 1 (a). O parte a acestei punți de comutare este conectată la sursa de alimentare CC de intrare, iar cealaltă parte este conectată la rețeaua de alimentare CA. În timpul procesului de lucru, doar două întrerupătoare opuse pot fi oprite simultan.
Dacă viteza de comutare a acestei punți este setată să fie aceeași cu frecvența rețelei, teoretic partea de ieșire a podului poate fi conectată la rețea. Cu toate acestea, deoarece curentul de ieșire este o undă pătrată fără modificare a intensității, este necesar să instalați un inductor cu un miez de fier la capătul de ieșire pentru a controla curentul de ieșire într-o formă de undă sinusoidală. Deconectarea punții se realizează folosind un proces de impuls, rezultând o componentă de curent mai mică legată de impuls. Această componentă de curent poate controla curentul inductorului. Frecvența pulsului este în general de 20 kHz, care poate forma complet un curent de 50 Hz, așa cum se arată în Figura 1 (b).
Pentru invertoarele fotovoltaice, există un alt dispozitiv foarte important care nu poate fi trecut cu vederea: condensatorul de la capătul de intrare, așa cum se arată în Figura 1 (c). Funcția condensatoarelor este de a stoca energia electrică, de a se asigura că curentul din partea de generare a energiei este furnizat în mod continuu și constant comutatorului de punte și de a intra în rețea printr-o punte care se modifică sincron cu frecvența rețelei. Doar atunci când capacitatea condensatorului de intrare este suficient de mare poate fi garantată funcționarea continuă și normală a sistemului de generare a energiei fotovoltaice.
În aplicațiile practice, domeniul tensiunii de intrare are anumite limitări. Pentru aplicațiile de generare a energiei conectate la rețea, tensiunea de intrare trebuie să fie întotdeauna mai mare decât tensiunea de vârf a rețelei. Când valoarea efectivă a tensiunii rețelei este de 250V, pentru a realiza o conexiune normală la rețea, tensiunea minimă pe partea de generare a energiei este necesar să fie de 354V.
Spre deosebire de designul de bază al invertoarelor standard, există multe modalități de a regla sau de a crește intervalul de tensiune de intrare pentru invertoarele conectate direct la rețea. Soluțiile și structurile tehnologice utilizate în mod obișnuit sunt diferite. Structura topologică a invertorului menționată mai sus diferă nu numai prin izolarea electrică, ci și prin eficiența realizabilă, dependența de tensiune și alte aspecte. Prin urmare, nu există o formulă unificată pentru a defini care design al invertorului este cel mai bun, iar caracteristicile specifice ale invertorului utilizat trebuie luate în considerare în proiectare.
O altă tendință în proiectarea invertoarelor fotovoltaice este extinderea intervalului de tensiune de intrare, ceea ce poate duce la o scădere a curentului de intrare la același nivel de putere sau la o creștere a nivelului de putere la același curent de intrare. Când tensiunea de intrare este relativ mare, trebuie utilizat IGBT cu o tensiune nominală mai mare (în intervalul de 1200 V), rezultând pierderi mai mari. O modalitate de a rezolva această problemă este utilizarea unui invertor cu trei niveluri
Prin utilizarea a două condensatoare electrolitice conectate în serie, tensiunea mare de intrare poate fi împărțită în jumătate, iar punctul de mijloc poate fi conectat la linia neutră. În acest caz, poate fi utilizat un comutator de 600V. Un invertor cu trei niveluri poate converti între trei niveluri: + Vbus, 0V și - Vbus. Pe lângă faptul că este mai eficient decât soluția de structură a comutatorului de 1200 V, invertorul cu trei niveluri are și avantajul de a reduce semnificativ inductanța de ieșire. Invertorul cu trei niveluri are două caracteristici semnificative:
① Forma de undă sinusoidală a tensiunii de ieșire sintetizată prin mai multe pași de nivel reduce semnificativ conținutul de armonici și îmbunătățește forma de undă a tensiunii de ieșire în comparație cu invertoarele tradiționale cu două niveluri în aceleași condiții de frecvență de comutare;
② Tensiunea nominală a tubului de comutare este doar jumătate din tensiunea de pe magistrala DC, permițând ca dispozitivele de comutare de joasă tensiune să fie aplicate în convertoarele de înaltă tensiune.
Cu toate acestea, dezavantajele invertoarelor cu trei niveluri sunt strategiile complexe de control și problema tensiunii dezechilibrate la punctul mediu, care este o slăbiciune fatală a invertoarelor cu trei niveluri. Evident, dacă tensiunea de mijloc a doi condensatori conectați în paralel pe magistrala DC a invertorului este instabilă în timpul funcționării, aceasta va provoca modificări ale tensiunii de ieșire pe trei niveluri, ceea ce nu numai că distorsionează forma de undă a tensiunii de ieșire și crește armonicile, ci și face ca curentul de ieșire trifazat să fie asimetric, pierzând avantajul invertorului cu trei niveluri. Cu toate acestea, în prezent nu există o soluție fundamentală la problema tensiunii dezechilibrate la punctul mediu. O metodă reprezentativă este utilizarea circuitelor hardware îmbunătățite pentru a obține echilibrul de tensiune în punctul mediu; Al doilea este de a obține echilibrul de tensiune prin schimbarea temporizării comutatoarelor sau controlând durata tensiunii vectoriale. Dar există probleme cu circuitele complexe și efectele de control nesatisfăcătoare.
În prezent, atâta timp cât sistemul de generare a energiei fotovoltaice este proiectat rezonabil, acesta poate funcționa economic. Invertoarele fără transformator care sunt integrate direct în rețeaua de energie sunt din ce în ce mai apreciate pentru costul redus și eficiența ridicată. Transformatoarele transformă energia electrică în energie magnetică, apoi transformă energia magnetică în energie electrică. Pierderea de energie cauzată de dispozitivul de izolare electrică instalat între bornele de intrare și ieșire poate ajunge la 1%, sau chiar până la 2%. Prin urmare, eficiența de funcționare a invertoarelor fără transformator este mai mare decât cea a invertoarelor cu transformator, iar această tehnologie are multe alte avantaje, cum ar fi consumul redus de material și greutatea redusă.