Принципи на действие на инвертори, свързани с мрежата

I. Принципи на функциониране на инверторите, свързани с мрежата

Инверторите, свързани с мрежата, са устройства, които преобразуват постоянен ток (DC) в променлив ток (AC) и се използват широко в системите за производство на електроенергия от слънчеви фотолекти (PV). Принципите на функциониране включват няколко аспекта:

Процес на преобразуване на енергията:Под слънце PV панели генерираят DC електричество. За малки и средни инвертори, свързани с мрежата, често се използва двустепенно устройство, при което DC изход от PV панелите първо се преобразува чрез DC/DC преобразувател за предварително преобразуване, а след това чрез DC/AC преобразувател за производство на AC. Големите инвертори обикновено използват едностепенно устройство за директно преобразуване. По време на работа инверторът контролира модула на трифазния инвертор, като детектира DC напрежение, ток и AC напрежение и ток на мрежата. Цифровата система за управление генерира PWM (Pulse Width Modulation) сигнал за управление, което прави инвертора да произвежда AC, синхронизиран по честота и фаза с мрежата. Например, когато DC електричеството от PV панелите влиза в инвертора, свързан с мрежата, то първо минава през правоъгълник (ако двустепенната структура включва функция за правоъгълнична обработка), преобразуващ всякакви налични AC в DC, а след това чрез електронните компоненти на секцията за инвертор преобразува DC в AC, което в крайна сметка се доставя до домашни или индустриални потребители или се подава в мрежата.

Ключови компоненти и техните функции:

• Ректификатор: В някои структури е отговорен за преобразуване на променливото напрежение (AC) в постоянна ток (DC), осигурявайки, че входът към следващата инверторна част е DC.

• Инвертор: Това е основният компонент, използващ електронни елементи (като мощностни полупроводникови устройства) за преобразуване на DC в AC.

• Контролер: Управлява целия процес на преобразуване, включително мониторинг на входните и изходните напрежения и токове, и коригиране на PWM сигнали за управление в зависимост от тези параметри, за да се гарантира, че изходният AC отговаря на необходимите стандарти.

• Изходен терминал: Излиза преобразуваният AC към мрежата или натоварването.

II. Връзка между инвертори, свързани с мрежата, и мрежата

Преход и взаимодействие на енергията:Основната функция на инвертора, свързан с мрежата, е преобразуването на DC в AC и свързването с мрежата, позволяващо преход на енергия. Той може да подава електроенергия, генерирана от PV система, в мрежата, удовлетворявайки нуждите от енергия на други потребители. В този процес мрежата действа като голям център за съхранение и разпределение на енергия, а инверторът, свързан с мрежата, служи като мост, свързващ разпределената PV енергия с този център. Например, в разпределени PV проекти, много домакинства с PV системи продават излишна енергия на мрежата чрез инвертори, свързани с мрежата, постигайки двупосочен поток на енергия – както приемане, така и доставка на енергия към мрежата.

От гледна точка на мрежата, с интегрирането на все повече инвертори, свързани с мрежата, източниците на енергия в мрежата стават по-разнообразни. Това обачно поставя нови изисквания за стабилността и качеството на електроенергията в мрежата.

Контрола и адаптация:В момента инверторите, свързани с мрежата, работят основно в два базови режима на управление: управление на тока и управление на напрежението. В режима на управление на тока, инверторът цели да контролира изходния ток и трябва да се адаптира към промени в мрежовото напрежение и други параметри. Например, в слаби мрежи (висок импеданс, слаба рамка, ниска устойчивост към бързи промени на тока), инверторът трябва да разполага с силна адаптивност към високимпедансните мрежи, за да се избегне резонанс, който може да доведе до увеличаване на дефектите. Различните производители на инвертори използват различни алгоритми и механизми за управление, за да се адаптират към промените в мрежата, като интелигентни алгоритми за активно демпфирование, за справяне с проблемите на резонанс в слаби мрежи, и стратегии като повторително управление, динамични PI параметри, специфично поддаване на хармониките и компенсация на „мертвото“ време.

В режима на управление на напрежението, инверторът цели управлението на напрежението, като внешните характеристики на инвертора, свързан с мрежата, се държат като контролиран източник на напрежение, способен да предостави подкрепа за напрежението и честотата. Това е особено подходящо за високо проникване на възобновяема енергия в мрежата, което означава, че инверторът може, до известна степен, да регулира напрежението и честотата на мрежата, за да се поддържа стабилна операция.

III. Могат ли се мрежови инвертори да работят без мрежа?

Под нормални обстоятелства, операцията не е позволена:Според съответните стандарти и правила за безопасност, мрежовите инвертори обикновено са оборудвани с устройства за предотвратяване на островче. Когато напрежението в мрежата е нула, инверторът спира да работи. Това е така, защото ако инверторът продължи да работи по време на прекъсване на тока, той може да представлява опасност за персонала, извършващ поддръжка. Например, ако ФВ система продължи да доставя енергия към мрежата чрез инвертора по време на прекъсване на тока, това лесно може да причини удар с електрически ток и други инциденти свързани с безопасността. Затова国家标准规定，光伏并网逆变器必须具备孤岛检测和控制功能，并在电网不可用时停止运行。

Под нормални обстоятелства, операцията не е позволена:Според съответните стандарти и правила за безопасност, мрежовите инвертори обикновено са оборудвани с устройства за предотвратяване на островче. Когато напрежението в мрежата е нула, инверторът спира да работи. Това е така, защото ако инверторът продължи да работи по време на прекъсване на тока, той може да представлява опасност за персонала, извършващ поддръжка. Например, ако ФВ система продължи да доставя енергия към мрежата чрез инвертора по време на прекъсване на тока, това лесно може да причини удар с електрически ток и други инциденти свързани с безопасността. Затова националните стандарти поставят изискване, че фотоелектрическите мрежови инвертори трябва да разполагат с функции за детекция и контрол на островче, и трябва да спрат работа, когато мрежата не е налична.

Операция при специални модификации:Теоретично, без промяна на софтуера или хардуера, изолиран инвертор може да се използва за "симулиране" на мрежа, като накара фотovoltaен инвертор да вярва, че мрежата е нормална, и по този начин да доставя енергия към тази "мрежа". Този метод обаче носи рискове и не отговаря на нормалните стандарти за безопасност и регулаторни изисквания. Освен това, ако свързан с мрежата инвертор е модифициран, за да работи изолирано, както в някои хибридни свързани и изолирани инвертори, той може да премине в режим изолирано функциониране, когато мрежата спре. Това обаче вече не е функция на чист свързан с мрежата инвертор, а резултат от специален дизайн и модификация.

IV. Есенциални условия за функциониране на свързан с мрежата инвертор

Технически условия:

• Синхронизация на честотата: Честотата на мрежата обикновено е 50Hz или 60Hz в повечето региони. Изходната честота на алтернативния ток, произвеждан от инвертора, трябва да бъде синхронизирана с тази. Обикновено това се постига чрез технологии като Фазно-заключени петли (PLLs), за да се осигури, че честотата на алтернативния ток на инвертора съвпада с честотата на мрежата, в противен случай не може да функционира нормално.

• Синхронизация на фазите: Освен синхронизацията на честотата, изходният алтернативен ток на инвертора трябва също да бъде синхронизиран по фаза с напрежението на мрежата. Синхронизацията на фазите се постига чрез свързани контролни технологии. Само с фазна синхронизация енергията, излъчена от инвертора, може да бъде гладко интегрирана в мрежата, без да причини неблагоприятни ефекти, такива като колебания на мощността и намалена качество на мощността.

• Съвпадение на напрежението: Изходното напрежение на инвертора трябва да съвпада с напрежението на мрежата в точката на връзка. Въпреки че инверторите обикновено са проектирани да се адаптират към различни нивоа на напрежение, трябва да се гарантира, че работят в безопасни граници. Ако напрежението не съвпада, това може да попречи на нормалната передача на мощност и дори да повреди инвертора или оборудването на мрежата.

• • Гармонични ограничения: По време на преобразуването на DC в AC, инверторът може да генерира гармоники, които могат да засегнат мрежата, като например причинят искажение на напрежението и влияние върху нормалната работа на друго електрическо оборудване. Следователно инверторите трябва да отговарят на определени стандарти за гармонични ограничения, за да се гарантира качеството на енергията. Например изходният ток на инвертора не трябва да съдържа постоянна компонента, а високоредните гармоники в изходния ток на инвертора трябва да бъдат минимизирани, за да се избегне замърсяването на мрежата.

  • Контрол на реактивна мощност: Инверторът трябва да може да контролира изхода на реактивна мощност, за да подкрепи стабилността на напрежението в мрежата. В мрежи с висока доля на възобновяема енергия, контролът на реактивната мощност е особено важен. Чрез контрол на реактивната мощност може да се регулира равнището на напрежението в мрежата, което подобрява стабилността и качеството на енергията в мрежата.

  • Защита срещу островен ефект: Когато мрежата спре да работи, инверторът трябва бързо да се откъсне от мрежата, за да предотврати доставянето на енергия към откъснатата мрежа, като по този начин защитава персонала, извършващ поддръжка. Това е една от основните безопасни функции на инверторите, свързани с мрежата.

  Безопасни условия:

  • Електрична безопасност: Инверторът и неговата инсталация трябва да съответстват на съответните електрични стандарти за безопасност, включително изолация, защита от прекомерна тежест и защита при кратко замыкание. Например електричната изолация на инвертора трябва да е добра, за да предотврати утечка; при прекомерна тежест или кратко замыкание инверторът трябва да активира защитни механизми, за да предотврати повреда на оборудването и потенциален пожар.

  • Клас на защита: Инверторът трябва да има определен клас на защита, за да устои на околните фактори като прах и влага. Инверторите за открито пространство обикновено изискват по-висок клас на защита, например IP65. Класът на защита гарантира, че инверторът може да работи нормално при различни околните условия и продължава срока на ползване.

  Регулации и стандарти:

  • Национални и отраслови стандарти: Инверторите, свързани с мрежата, трябва да спазват национални и отраслови стандарти, като например китайския стандарт GB/T 37408 - 2019, който определя технически изисквания за инвертори, свързани с фотоелектрични системи. Тези стандарти покриват множество аспекти, включително производителност, безопасност и качество на електроенергията, осигурявайки, че инверторите спазват регулациите при работа в мрежата.

  • Разрешения и одобрения: Инсталацията и експлоатацията на инвертори, свързани с мрежата, може да изискват разрешения и одобрения от енергийния отдел, за да се гарантира, че те не оказват неблагоприятно влияние върху мрежата. Енергийният отдел ще провери местоположението, капацитета и техническите параметри на инвертора, и само след одобрение инверторът може да бъде свързан с мрежата.

  Икономически фактори:

  • Възвръщаемост на инвестициите (ROI): Потребители или компании, които разглеждат инвертори, свързани с мрежата, ще оценят ROI, включително начални инвестиционни разходи, оперативни и поддръжки разходи, както и потенциални политически субсидии или приходи от продажбата на електроенергия. Ако ROI не е благоприятен, това може да повлияе на ентусиазма за инвертори, свързани с мрежата. Например, ако началните инвестиционни разходи са високи, а цената на продажба на електроенергията е ниска без достатъчни субсидийни политики, инвеститорите могат да бъдат отпугнати.

  • Субсидийни политики: Различни региони могат да имат различни субсидийни политики, които могат да повлияят на икономическата изпълнимост на проекти с инвертори, свързани с мрежата. Някои региони предлагат субсидии, за да насърчат развитието на възобновяемата енергия, включително субсидии за закупуване на инвертори и тарифи за внасяне, които помагат за подобряване на икономическите ползи на проекти с инвертори, свързани с мрежата.

  Съвместимост на системата:

  • Съвместимост с мрежата: Инверторът трябва да бъде съвместим със съществуващата система на електрическата мрежа, включително структурата, мащаба и оперативните характеристики на мрежата. Различни структури на мрежата (например, TT, IT и TN системи за подаване на електроенергия) и мащаби (например, нисковолтови и висковолтови мрежи) имат различни изисквания към инверторите, и инверторът трябва да може да се адаптира към тези разлики, за да постигне стабилна връзка с мрежата.

  • Съвместимост с оборудването: Инверторът трябва да бъде добре съвместим със свързаното оборудване за генериране на енергия (например, фотоелектрически панели, вятърни турбини), за да постигне ефективно преобразуване на енергията. Например, изходната мощност и напрежението на фотоелектрическите панели трябва да отговарят на изискванията за вход на инвертора, за да се гарантира ефективността и производителността на цялата система за генериране на енергия.

  Екологични фактори:

  • Екологична приспособимост: Инверторът трябва да може да се адаптира към околните условия на мястото на инсталация, като температура и влажност, за да осигури дългосрочна стабилна работа. Например, в условия на висока температура, производителността на охлаждане на инвертора трябва да е добра, за да се предотврати повреда от прекомерно затопляне; в условия на висока влажност, инверторът трябва да има свойства, устойчиви към влага, за да се избегнат вътрешни късо замыкания.

  • Екологично въздействие: Дизайнът и функционирането на инвертора трябва да вземат предвид неговото въздействие върху околната среда, като шум и електромагнитна interferенция. Трябва да се предприемат усилия за минимизиране на шума, генериран при функционирането на инвертора, за да се избегне шумова загрязнение, и електромагнитната interferенция трябва да бъде контролирана, за да се предотврати interferенцията с други електронни устройства.

  Експлоатация и поддръжка:

  • Потребителски интерфейс: Инверторът трябва да предоставя интуитивен потребителски интерфейс за мониторинг на състоянието на системата и извършване на необходимите настройки. Например, потребителите могат да разглеждат операционните параметри на инвертора (например, входно/изходно напрежение, ток, мощност) и информация за аварийни сигнали чрез интерфейса, както и да извършват основни настройки (например, ограничения на мощността, избор на режим на работа).

  • Изисквания за поддръжка: Поддръжката на инвертора трябва да вземе предвид лесната поддръжка, разходите за поддръжка и циклите на поддръжка. Инвертор, който е лесен за поддръжка, може да намали разходите и трудността на поддръжката, докато разумен цикъл на поддръжка може да гарантира дългосрочна стабилна работа. Например, вътрешната структура на инвертора трябва да бъде проектирана, за да облекчи инспекцията от персонала за поддръжка, а продължителността на живота и разходите за замяна на неговите компоненти трябва да са разумни.

  V. Ролята на мрежата в функционирането на инвертора, свързан с мрежата

  Осигуряване на референтни данни за операция:Напрежението, честотата и другите параметри на мрежата предоставят референтен стандарт за работа на инверторите, свързани с мрежата. Инверторът трябва да коригира своето изходно напрежение в зависимост от напрежението и честотата на мрежата, за да съответства на тези параметри. Например, инверторът използва технологии като PLL, за да синхронизира честотата и фазата на своя изходен алтернативен ток с мрежата и да съответства на напрежението, осигурявайки плавното интегриране на енергията в мрежата. Без мрежата да предоставя тези референтни данни, инверторът не би могъл точно да коригира своето изходно напрежение, и нормалното свързване с мрежата нямаше да бъде възможно.

  Възможност за предаване и разпределение на енергия:Мрежата предоставя платформа за предаване и разпределение на енергията от инверторите, свързани с мрежата. След като инверторът подаде генерираната от PV система алтернативна енергия в мрежата, мрежата може да предаде тази енергия там, където е необходима, постигайки широка дистрибуция. Това позволява PV енергията да се интегрира в по-общи системи за електроенергия, предоставяйки електроенергия на повече потребители. Мащабът и структурата на мрежата също влияят върху методите за свързване и оперативните изисквания на инвертора. Например, в различни мрежи с различно напрежение (например, мрежи с ниско и високо напрежение), инверторът трябва да отговаря на съответните стандарти за достъп и технически изисквания, за да осигури безопасно и ефективно предаване на енергия.

  Обезпечение стабилна работа:В мрежата са свързани множество устройства за производство и потребител на електроенергия, формирайки голяма енергийна система. Тази система разполага с определена степен на стабилност и инерция, което помага за стабилизиране работата на инверторите, свързани с мрежата. Например, когато мощността на изхода на PV система варира, мрежата може да балансира тези колебания чрез собствени механизми за регулиране (например, коригирайки мощността на други генериращи устройства), като по този начин намалява въздействието върху инвертора. Освен това мрежата предоставя защита при кратко замыкание и други мерки за безопасност. Ако се появи дефект от кратко замыкание на изхода на инвертора, защитните устройства на мрежата ще реагират, за да предотвратят ескалацията на дефекта, защитавайки инвертора и другото оборудване.