Independientemente de la tecnología utilizada, el diseño básico del inversor es claro y muy similar. El núcleo es el proceso de convertir voltaje CC (módulos de células solares) en voltaje CA (conectado a la red). En el proceso de transformación, los polos positivo y negativo de la electricidad CC se convierten continuamente para formar corriente alterna con cambios de dirección. Entonces, el componente clave del inversor es el interruptor de puente (dispositivo de alimentación), como se muestra en la Figura 1 (a). Un lado de este puente de conmutación está conectado a la fuente de alimentación de CC de entrada y el otro lado está conectado a la red eléctrica de CA. Durante el proceso de trabajo sólo se pueden desconectar dos interruptores opuestos al mismo tiempo.
Si la velocidad de conmutación de este puente se establece en la misma que la frecuencia de la red, teóricamente el lado de salida del puente se puede conectar a la red. Sin embargo, dado que la corriente de salida es una onda cuadrada sin cambio de intensidad, es necesario instalar un inductor con un núcleo de hierro en el extremo de salida para controlar la corriente de salida en forma de onda sinusoidal. La desconexión del puente se realiza mediante un proceso de impulsos, lo que da como resultado una componente de corriente menor relacionada con el impulso. Este componente actual puede controlar la corriente del inductor. La frecuencia del pulso es generalmente de 20 kHz, que puede formar completamente una corriente de 50 Hz, como se muestra en la Figura 1 (b).
Para los inversores fotovoltaicos, existe otro dispositivo muy importante que no se puede pasar por alto: el condensador en el extremo de entrada, como se muestra en la Figura 1 (c). La función de los condensadores es almacenar energía eléctrica, garantizar que la corriente del lado de generación de energía se suministre de forma continua y consistente al interruptor del puente e ingrese a la red a través de un puente que cambia sincrónicamente con la frecuencia de la red. Sólo cuando la capacidad del condensador de entrada sea lo suficientemente grande se podrá garantizar el funcionamiento continuo y normal del sistema de generación de energía fotovoltaica.
En aplicaciones prácticas, el rango de voltaje de entrada tiene ciertas limitaciones. Para aplicaciones de generación de energía conectadas a la red, el voltaje de entrada siempre debe ser mayor que el voltaje pico de la red. Cuando el valor efectivo del voltaje de la red es 250 V, para lograr una conexión normal a la red, se requiere que el voltaje mínimo en el lado de generación de energía sea 354 V.
A diferencia del diseño básico de los inversores estándar, existen muchas formas de ajustar o aumentar el rango de voltaje de entrada para los inversores conectados directamente a la red. Las soluciones y estructuras de tecnología de inversores comúnmente utilizadas son todas diferentes. La estructura topológica del inversor mencionada anteriormente no sólo se diferencia en el aislamiento eléctrico, sino también en la eficiencia alcanzable, la dependencia del voltaje y otros aspectos. Por lo tanto, no existe una fórmula unificada para definir qué diseño de inversor es el mejor, y en el diseño se deben considerar las características específicas del inversor utilizado.
Otra tendencia en el diseño de inversores fotovoltaicos es ampliar el rango de tensión de entrada, lo que puede provocar una disminución de la corriente de entrada al mismo nivel de potencia o un aumento del nivel de potencia con la misma corriente de entrada. Cuando el voltaje de entrada es relativamente alto, es necesario utilizar IGBT con un voltaje nominal más alto (dentro del rango de 1200 V), lo que genera mayores pérdidas. Una forma de solucionar este problema es utilizar un inversor de tres niveles.
Al utilizar dos condensadores electrolíticos conectados en serie, el alto voltaje de entrada se puede dividir por la mitad y el punto medio se puede conectar a la línea neutra. En este caso, se puede utilizar un interruptor de 600V. Un inversor de tres niveles puede convertir entre tres niveles: + Vbus, 0V y - Vbus. Además de ser más eficaz que la solución de estructura de interruptor de 1200 V, el inversor de tres niveles también tiene la ventaja de reducir significativamente la inductancia de salida. El inversor de tres niveles tiene dos características importantes:
① La forma de onda sinusoidal del voltaje de salida sintetizada por múltiples pasos de nivel reduce significativamente el contenido armónico y mejora la forma de onda del voltaje de salida en comparación con los inversores tradicionales de dos niveles en las mismas condiciones de frecuencia de conmutación;
② La clasificación de voltaje del tubo de conmutación es solo la mitad del voltaje en el bus de CC, lo que permite aplicar dispositivos de conmutación de bajo voltaje en convertidores de alto voltaje.
Sin embargo, las desventajas de los inversores de tres niveles son las estrategias de control complejas y el problema del voltaje desequilibrado en el punto medio, que es una debilidad fatal de los inversores de tres niveles. Obviamente, si el voltaje del punto medio de dos condensadores conectados en paralelo en el bus de CC del inversor es inestable durante el funcionamiento, provocará cambios en el voltaje de salida de tres niveles, lo que no solo distorsiona la forma de onda del voltaje de salida y aumenta los armónicos, sino que también Hace que la corriente de salida trifásica sea asimétrica, perdiendo la ventaja del inversor de tres niveles. Sin embargo, actualmente no existe una solución fundamental al problema del voltaje desequilibrado en el punto medio. Un método representativo es utilizar circuitos de hardware mejorados para lograr un equilibrio de voltaje en el punto medio; El segundo es lograr el equilibrio de voltaje cambiando la sincronización de los interruptores o controlando la duración del voltaje vectorial. Pero existen problemas con circuitos complejos y efectos de control insatisfactorios.
En la actualidad, siempre que el sistema de generación de energía fotovoltaica esté diseñado de manera razonable, puede funcionar de forma económica. Los inversores sin transformador que se integran directamente en la red eléctrica son cada vez más valorados por su bajo coste y su alta eficiencia. Los transformadores convierten la energía eléctrica en energía magnética y luego convierten la energía magnética en energía eléctrica. La pérdida de energía provocada por el dispositivo de aislamiento eléctrico instalado entre los terminales de entrada y salida puede alcanzar el 1%, o incluso hasta el 2%. Por tanto, la eficiencia operativa de los inversores sin transformador es mayor que la de los inversores con transformador, y esta tecnología tiene muchas otras ventajas, como el bajo consumo de material y el peso ligero.