Unabhängig von der verwendeten Technologie ist der grundsätzliche Aufbau des Wechselrichters klar und sehr ähnlich. Kernstück ist der Prozess der Umwandlung von Gleichspannung (Solarzellenmodule) in Wechselspannung (Netzanschluss). Bei der Umwandlung werden die positiven und negativen Pole des Gleichstroms kontinuierlich in Wechselstrom mit Richtungsänderungen umgewandelt. Die Schlüsselkomponente des Wechselrichters ist also der Brückenschalter (Leistungsgerät), wie in Abbildung 1 (a) dargestellt. Eine Seite dieser Schaltbrücke ist mit der Eingangs-Gleichstromversorgung verbunden und die andere Seite ist mit dem Wechselstromnetz verbunden. Während des Arbeitsprozesses können nur zwei gegenläufige Schalter gleichzeitig ausgeschaltet werden.
Wenn die Schaltgeschwindigkeit dieser Brücke auf die Netzfrequenz eingestellt wird, kann theoretisch die Ausgangsseite der Brücke mit dem Netz verbunden werden. Da der Ausgangsstrom jedoch eine Rechteckwelle ohne Intensitätsänderung ist, muss am Ausgangsende eine Induktivität mit einem Eisenkern installiert werden, um den Ausgangsstrom in eine Sinuswellenform zu bringen. Die Abschaltung der Brücke erfolgt im Impulsverfahren, wodurch sich ein kleinerer, auf den Impuls bezogener Stromanteil ergibt. Diese Stromkomponente kann den Strom des Induktors steuern. Die Frequenz des Impulses beträgt im Allgemeinen 20 kHz, wodurch vollständig ein 50-Hz-Strom erzeugt werden kann, wie in Abbildung 1 (b) dargestellt.
Bei Photovoltaik-Wechselrichtern gibt es noch ein weiteres sehr wichtiges Gerät, das nicht übersehen werden darf: den Kondensator am Eingangsende, wie in Abbildung 1 (c) dargestellt. Die Funktion von Kondensatoren besteht darin, elektrische Energie zu speichern, sicherzustellen, dass der Strom von der Stromerzeugungsseite kontinuierlich und gleichmäßig dem Brückenschalter zugeführt wird, und über eine Brücke, die sich synchron mit der Netzfrequenz ändert, in das Netz einzuspeisen. Nur wenn die Kapazität des Eingangskondensators groß genug ist, kann der kontinuierliche und normale Betrieb der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage gewährleistet werden.
In praktischen Anwendungen unterliegt der Bereich der Eingangsspannung bestimmten Einschränkungen. Bei netzgekoppelten Stromerzeugungsanwendungen muss die Eingangsspannung immer höher sein als die Spitzenspannung des Netzes. Wenn der Effektivwert der Netzspannung 250 V beträgt, muss die Mindestspannung auf der Stromerzeugungsseite 354 V betragen, um einen normalen Netzanschluss zu erreichen.
Anders als bei der Grundkonstruktion von Standard-Wechselrichtern gibt es bei direkt an das Netz angeschlossenen Wechselrichtern viele Möglichkeiten, den Eingangsspannungsbereich anzupassen oder zu erhöhen. Die üblicherweise verwendeten Lösungen und Strukturen der Wechselrichtertechnologie sind alle unterschiedlich. Der oben genannte Topologieaufbau des Wechselrichters unterscheidet sich nicht nur in der galvanischen Trennung, sondern auch im erreichbaren Wirkungsgrad, der Spannungsabhängigkeit und anderen Aspekten. Daher gibt es keine einheitliche Formel, um zu definieren, welches Wechselrichterdesign das beste ist, und die spezifischen Eigenschaften des verwendeten Wechselrichters müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden.
Ein weiterer Trend bei der Konstruktion von Photovoltaik-Wechselrichtern besteht darin, den Eingangsspannungsbereich zu erweitern, was zu einer Verringerung des Eingangsstroms bei gleicher Leistung oder zu einer Erhöhung der Leistung bei gleichem Eingangsstrom führen kann. Wenn die Eingangsspannung relativ hoch ist, müssen IGBTs mit einer höheren Nennspannung (im Bereich von 1200 V) verwendet werden, was zu größeren Verlusten führt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung eines dreistufigen Wechselrichters
Durch die Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren kann die hohe Eingangsspannung halbiert und der Mittelpunkt mit dem Neutralleiter verbunden werden. In diesem Fall kann ein 600V-Schalter verwendet werden. Ein dreistufiger Wechselrichter kann zwischen drei Ebenen umwandeln: + Vbus, 0 V und – Vbus. Der dreistufige Wechselrichter ist nicht nur effektiver als die 1200-V-Schalterstrukturlösung, sondern hat auch den Vorteil, dass er die Ausgangsinduktivität deutlich reduziert. Der dreistufige Wechselrichter weist zwei wesentliche Eigenschaften auf:
① Die durch mehrere Stufenstufen synthetisierte Ausgangsspannungs-Sinuswellenform reduziert den Oberwellengehalt erheblich und verbessert die Ausgangsspannungswellenform im Vergleich zu herkömmlichen Zweistufen-Wechselrichtern unter den gleichen Schaltfrequenzbedingungen;
② Die Nennspannung der Schaltröhre beträgt nur die Hälfte der Spannung am DC-Bus, sodass Niederspannungsschaltgeräte in Hochspannungswandlern eingesetzt werden können.
Die Nachteile von Dreipunkt-Wechselrichtern sind jedoch komplexe Regelstrategien und das Problem der unsymmetrischen Mittelpunktspannung, was eine fatale Schwäche von Dreipunkt-Wechselrichtern darstellt. Wenn die Mittelpunktsspannung von zwei parallel am DC-Bus des Wechselrichters angeschlossenen Kondensatoren während des Betriebs instabil ist, führt dies offensichtlich zu Änderungen in der dreistufigen Ausgangsspannung, was nicht nur die Wellenform der Ausgangsspannung verzerrt und Oberwellen erhöht, sondern auch macht den dreiphasigen Ausgangsstrom asymmetrisch und verliert den Vorteil des dreistufigen Wechselrichters. Allerdings gibt es derzeit keine grundsätzliche Lösung für das Problem der unsymmetrischen Mittelpunktspannung. Eine repräsentative Methode besteht darin, verbesserte Hardware-Schaltkreise zu verwenden, um einen Spannungsausgleich in der Mitte zu erreichen; Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen Spannungsausgleich zu erreichen, indem die Zeitsteuerung der Schalter geändert oder die Dauer der Vektorspannung gesteuert wird. Es gibt jedoch Probleme mit komplexen Schaltungen und unbefriedigenden Regelungseffekten.
Derzeit kann die Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage wirtschaftlich betrieben werden, sofern sie sinnvoll ausgelegt ist. Transformatorlose Wechselrichter, die direkt in das Stromnetz integriert werden, werden aufgrund ihrer geringen Kosten und hohen Effizienz zunehmend geschätzt. Transformatoren wandeln elektrische Energie in magnetische Energie um und wandeln dann magnetische Energie in elektrische Energie um. Der Energieverlust, der durch die zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen installierte elektrische Trennvorrichtung verursacht wird, kann 1 % oder sogar bis zu 2 % betragen. Daher ist die Betriebseffizienz transformatorloser Wechselrichter höher als die von Transformatorwechselrichtern, und diese Technologie bietet viele weitere Vorteile, wie beispielsweise einen geringen Materialverbrauch und ein geringes Gewicht.