Principis d'operació dels inversors connectats a xarxa
I. Principis d'operació dels inversors connectats a xarxa
Els inversors connectats a xarxa són dispositius que converteixen la corrent contínua (CC) en corrent alternada (CA) i s'utilitzen ampliament en sistemes de generació d'energia fotovoltaica (PV). Els principis d'operació involucren diversos aspectes:
Procés de conversió d'energia:Sota la llum solar, els panells PV generen electricitat CC. Per als inversors connectats a xarxa de mida petita i mitjana, sovint s'utilitza una estructura de dos estadios, on la sortida CC dels panells PV es converteix primer a través d'un convertidor DC/DC per a una conversió preliminar, i després a través d'un convertidor DC/AC per produir CA. Els inversors grans solen utilitzar una estructura d'un sol estadi per a la conversió directa. Durant l'operació, l'inversor controla el mòdul d'inversió trifàsic detectant la tensió i la corrent CC, i la tensió i la corrent CA de la xarxa. El sistema de control digital genera senyals de conducció PWM (Modulació d'Amplada de Pulssiació), fent que l'inversor produeixi CA que estigui sincronitzat en freqüència i fase amb la xarxa. Per exemple, quan la electricitat CC dels panells PV entra a l'inversor connectat a xarxa, primer passa a través d'un rectificador (si la estructura de dos estadios inclou una funció de retificació), convertint qualsevol CA existent en CC, i després a través de les components electròniques de la secció d'inversió per convertir la CC en CA, que finalment es proporciona a càrregues domèstiques o industrials o es torna a introduir a la xarxa.
Components clau i les seves funcions:
Rectificador: En algunes estructures, és el responsable de convertir la corrent alternada (CA) en corrent contínua (CC), assegurant que la entrada a la part inversora posterior sigui CC.
Inversor: Aquest és el component central, que utilitza elements electrònics (com dispositius semiconductors de potència) per convertir la corrent contínua (CC) en corrent alternada (CA).
Controlador: Controla tot el procés de conversió, incloent la monitorització de les tensions i corrents d'entrada i sortida, i ajustant els senyals de conducció PWM basant-se en aquests paràmetres per assegurar que la sortida AC compleixi els estàndards requerits.
Terminal de Sortida: Emet l'AC convertit a la xarxa o a la càrrega.
II. Relació entre els Inversors Connectats a Xarxa i la Xarxa
Transmissió d'Energia i Interacció:La funció principal d'un inversor connectat a xarxa és convertir la CC en CA i connectar-se a la xarxa, permetent la transmissió d'energia. Pot alimentar la xarxa amb l'electricitat generada pel sistema fotovoltaic, satisferint les necessitats energètiques d'altres usuaris. En aquest procés, la xarxa actua com un gran centre d'emmagatzematge i distribució d'energia, i l'inversor connectat a xarxa serveix com a pont que connecta l'energia fotovoltaica distribuïda a aquest centre. Per exemple, en projectes fotovoltaics distribuïts, moltes famílies amb sistemes fotovoltaics venen l'excés d'energia a la xarxa mitjançant inversors connectats a xarxa, assolint un flux bidireccional d'energia—receptant i subministrant energia a la xarxa.
Des del punt de vista de la xarxa, a mesura que s'integren més inversors connectats a la xarxa, les fonts d'energia de la xarxa es diversifiquen. No obstant això, això també col·loca noves exigències en la estabilitat de la xarxa i la qualitat de l'energia.
Control i adaptació:Actualment, els inversors connectats a la xarxa operen principalment en dos modes de control bàsics: el control de corrent i el control de tensió. En el mode de control de corrent, l'inversor intenta controlar la corrent de sortida i ha de adaptar-se a canvis en la tensió de la xarxa i altres paràmetres. Per exemple, en xarxes febles (alta impedància, marc poc robust, baixa resistència a les corrents d'impuls), l'inversor necessita tenir una forta adaptabilitat a les xarxes d'alta impedància per evitar fenòmens de ressonància que podrien conduir a l'escala de fallades. Diferents fabricants d'inversors utilitzen diversos algoritmes i mecanismes de control per adaptar-se als canvis de la xarxa, com ara algoritmes d'amortització activa intel·ligent per abordar problemes de ressonància en xarxes febles, i estratègies com el control repetitiu, paràmetres PI dinàmics, supressió d'armòniques específiques i compensació de temps morts.
En el mode de control de tensió, l'inversor es dirigeix al control de tensió, fent que les característiques externes de l'inversor connectat a la xarxa actuen com una font de tensió controlada, capaç de proporcionar suport per a la tensió i la freqüència. Això és particularment adequat per a connexions de generació renovable d'alta penetració, volent dir que l'inversor pot, en certa manera, regular la tensió i la freqüència de la xarxa per mantenir-ne l'operació estable.
III. Els inversors connectats a la xarxa poden funcionar sense la xarxa?
En circumstàncies normals, no es permet l'operació:Segons les normes i regulacions de seguretat rellevants, els inversors connectats a la xarxa solen estar equipats amb dispositius anti-il·les. Quan la tensió de la xarxa és zero, l'inversor atura la seva activitat. Això és degut al fet que si l'inversor continua operant durant un apagament, pot suposar una amenaça de seguretat per al personal de manteniment. Per exemple, si el sistema fotovoltaic continua alimentant la xarxa a través de l'inversor durant un apagament, pot causar fàcilement descàrregues elèctriques i altres incidents de seguretat. Per tant, les normes nacionals estipulen que els inversors fotovoltaics connectats a la xarxa han de tenir funcions de detecció i control d'il·les, i han de deixar de funcionar quan la xarxa no estigui disponible.
Operació amb modificacions especials:Teòricament, sense modificar el programari o l'hardware, un inversor fora de xarxa podria utilitzar-se per "simular" una xarxa, fent que l'inversor fotovoltaic cregués que la xarxa és normal, permetent així que aquest suministri energia a aquesta "xarxa". No obstant això, aquest mètode comporta riscos i no compleix les normes de seguretat i regulació habituals. A més, si s'ha modificat l'inversor connectat a la xarxa per permetre l'operació fora de xarxa, com en alguns inversors híbrids connectats i fora de xarxa, pot canviar a mode fora de xarxa quan la xarxa caigui. Tanmateix, això ja no és una funció d'un inversor purament connectat a la xarxa, sinó el resultat d'un disseny i modificació especials.
IV. Condicions essencials per a l'operació de l'inversor connectat a la xarxa
Condicions tècniques:
Sincronització de la freqüència: La freqüència de la xarxa és típicament de 50Hz o 60Hz en la majoria de les regions. La sortida AC de l'inversor ha de sincronitzar-se amb això. Això es sol aconseguir mitjançant tecnologies com els circuits de bloqueig de fase (PLLs) per assegurar que la freqüència AC de l'inversor coincideixi amb la freqüència de la xarxa, altrament, no pot funcionar normalment.
Sincronització de la fase: A més de la sincronització de la freqüència, la sortida AC de l'inversor també ha de sincronitzar-se en fase amb el voltatge de la xarxa. La sincronització de la fase s'aconsegueix mitjançant tecnologies de control relacionades. Només amb la sincronització de la fase, l'energia de sortida de l'inversor es pot integrar suavement a la xarxa sense causar efectes adversos com fluctuacions de potència i disminució de la qualitat del voltatge.
Coincidència de tensió: El voltatge de sortida de l'inversor ha de coincidir amb el voltatge de la xarxa al punt de connexió. Encara que els inversors sovint estan dissenyats per adaptar-se a diferents nivells de tensió, cal assegurar-se que operen dins de límits segurs. Si el voltatge no coincideix, pot impedir la transmissió normal d'energia i fins i tot enderrocar l'inversor o l'equipament de la xarxa.
Limitacions harmòniques: Durant la conversió de CC a CA, el inversor pot generar harmònics que poden afectar la xarxa, com causar distorsions de tensió i afectar el funcionament normal d'altres equips elèctrics. Per tant, els inversors han de complir certs estàndards de limitació harmònica per assegurar la qualitat de l'energia. Per exemple, la corrent de sortida de l'inversor no hauria de contenir cap component DC, i els harmònics d'ordre superior a la corrent de sortida de l'inversor han de minimitzar-se per evitar la contaminació de la xarxa.
Control de potència reactiva: L'inversor ha de poder controlar la sortida de potència reactiva per suportar l'estabilitat de la tensió de la xarxa. En xarxes amb una proporció elevada d'energia renovable, el control de la potència reactiva és particularment important. Amb el control de la potència reactiva, es pot regular el nivell de tensió de la xarxa, millorant la seva estabilitat i la qualitat de l'energia.
Protecció contra l'efecte illa: Quan la xarxa cau, l'inversor ha de desconectar-se ràpidament de la xarxa per evitar que proporcioni energia a la xarxa desconnectada, així protegint el personal de manteniment. Aquesta és una de les funcions de seguretat essencials dels inversors connectats a la xarxa.
Condicions de seguretat:
Seguretat elèctrica: El inversor i la seva instal·lació han de complir amb les normes de seguretat elèctrica rellevants, incloent l'aislament, la protecció contra sobrecàrrega i la protecció contra curts circuits. Per exemple, el rendiment d'aislament elèctric de l'inversor ha de ser bo per prevenir filtracions; en cas de sobrecàrrega o curt circuit, l'inversor hauria d'activar mecanismes de protecció per prevenir danys a l'equipament i possibles incendis.
Classificació de protecció: L'inversor necessita una certa classificació de protecció per resistir factors ambientals com el pols i l'humitat. Els inversors exteriors solen requerir una classificació de protecció més elevada, com l'IP65. La classificació de protecció assegura que l'inversor pugui funcionar normalment en diferents condicions ambientals i allarga la seva vida útil.
Reglaments i normes:
Normes nacionals i de l'indústria: Els inversors connectats a la xarxa han de complir amb les normes nacionals i de l'indústria, com la norma GB/T 37408 - 2019 de Xina, que especifica els requisits tècnics per als inversors fotovoltaïcs connectats a la xarxa. Aquestes normes cobreixen múltiples aspectes, incloent el rendiment, la seguretat i la qualitat de l'energia, assegurant que els inversors compleixen amb les regulacions quan operen a la xarxa.
Permisos i aprovacions: L'instal·lació i l'operació dels inversors connectats a la xarxa poden requerir permisos i aprovacions del departament d'energia per assegurar que no afectin negativament la xarxa. El departament d'energia revisarà la ubicació de l'inversor, la capacitat i els paràmetres tècnics, i només després de l'aprovació es pot connectar l'inversor a la xarxa.
Factors econòmics:
Rendiment de la inversió (ROI): Els usuaris o empreses que considerin els inversors connectats a la xarxa avaluaran el ROI, incloent-hi els costos d'inversió inicials, les despeses d'operació i manteniment, i els possibles subvencions polítiques o ingressos per la venda d'electricitat. Si el ROI no és favorable, pot afectar l'entusiasme pels inversors connectats a la xarxa. Per exemple, si el cost d'inversió inicial és alt i el preu de venda de l'electricitat és baix sense policies de subvenció suficients, els inversors podrien ser dissuadits.
Polítiques de subvenció: Diferents regions poden tenir diferents polítiques de subvenció, que poden afectar la viabilitat econòmica dels projectes d'inversors connectats a la xarxa. Algunes regions oferixen subvencions per incentivar el desenvolupament d'energia renovable, incloent-hi subvencions per a la compra d'inversors i tarifes de ràtio d'injectada, que ajuden a millorar els beneficis econòmics dels projectes d'inversors connectats a la xarxa.
Compatibilitat del sistema:
Compatibilitat amb la xarxa: El convertidor ha de ser compatible amb el sistema de xarxa existent, incloent l'estructura, l'escala i les característiques operatives de la xarxa. Diferents estructures de xarxa (per exemple, sistemes d'energia TT, IT i TN) i escales (per exemple, xarxes de baixa i alta tensió) tenen diferents requisits per als convertidors, i el convertidor ha de poder adaptar-se a aquestes diferències per aconseguir una connexió estable a la xarxa.
Compatibilitat amb l'equipament: El convertidor ha de ser ben ajustat amb l'equipament de generació d'energia connectat (per exemple, panells solars, aerogeneradors) per aconseguir una conversió eficient d'energia. Per exemple, la potència i la tensió de sortida dels panells solars han de coincidir amb els requisits d'entrada del convertidor per assegurar l'eficiència i el rendiment de tot el sistema de generació.
Factors ambientals:
Adaptació Ambiental: El inversor ha de poder adaptar-se a les condicions ambientals del lloc d'instal·lació, com la temperatura i l'humitat, per assegurar una operació estable a llarg termini. Per exemple, en entorns de temperatures altes, el rendiment de dissipació de calor de l'inversor ha de ser bo per evitar danys causats pel sobrecalentament; en entorns d'alta humitat, l'inversor ha de tenir propietats resistentes a l'humitat per evitar circuits interiors curts.
Impacte Ambiental: El disseny i l'operació de l'inversor han de tenir en compte el seu impacte ambiental, com el soroll i la interferència electromagnètica. Es haurien de fer esforços per minimitzar el soroll generat durant l'operació de l'inversor per evitar la contaminació acústica, i la interferència electromagnètica s'hauria de controlar per evitar la interferència amb altres dispositius electrònics.
Operació i Manteniment:
Interfície d'usuari: El inversor hauria de proporcionar una interfície d'usuari intuïtiva per al control de l'estat del sistema i la realització de les configuracions necessàries. Per exemple, els usuaris poden visualitzar els paràmetres operatius de l'inversor (per exemple, tensió d'entrada/sortida, corrent, potència) i informació d'alarma de faltes a través de l'interfície, i realitzar configuracions bàsiques (per exemple, límits de potència, selecció del mode d'operació).
Requisits de manteniment: El manteniment de l'inversor ha de tenir en compte la facilitat de manteniment, els costos de manteniment i els cicles de manteniment. Un inversor fàcil de mantenir pot reduir els costos i la dificultat del manteniment, mentre que un cicle de manteniment raonable pot assegurar una operació estable a llarg termini. Per exemple, la estructura interna de l'inversor hauria de ser dissenyada per facilitar l'inspecció per part del personal de manteniment, i la vida útil i els costos de reemplaçament dels seus components haurien de ser raonables.
V. El paper de la xarxa en l'operació de l'inversor connectat a la xarxa
Fornint una referència per a l'operació:La tensió, la freqüència i altres paràmetres de la xarxa proporcionen un estàndard de referència per a l'operació dels inversors connectats a la xarxa. L'inversor ha de ajustar la seva sortida basant-se en la tensió i la freqüència de la xarxa per a adaptar-se a aquests paràmetres. Per exemple, l'inversor utilitza tecnologies com el PLL per sincronitzar la freqüència i la fase de la seva sortida AC amb la xarxa i ajustar la tensió, assegurant una integració suau de l'energia a la xarxa. Sense que la xarxa proporcioni aquestes referències, l'inversor no podria ajustar la seva sortida amb precisió i la connexió normal a la xarxa no seria possible.
Habilitant la transmissió i distribució d'energia:La xarxa proporciona una plataforma per a la transmissió i distribució de l'energia dels inversors connectats a la xarxa. Un cop l'inversor alimenta la corrent AC generada pel sistema fotovoltaic a la xarxa, aquesta pot transmetre aquesta energia a on es necessita, assolint una distribució amplia. Això permet que l'energia fotovoltaica s'integri en el sistema energètic més ampli, proporcionant electricitat a més usuaris. La escala i la estructura de la xarxa també influeixen en els mètodes de connexió i requisits operatius de l'inversor. Per exemple, en diferents xarxes de nivell de tensió (per exemple, xarxes de baixa i alta tensió), l'inversor ha de complir les normes d'accés i requisits tècnics corresponents per assegurar una transmissió segura i eficient de l'energia.
Garantir l'operació estable:A la xarxa, nombrosos dispositius de generació i consum d'energia estan interconnectats, formant un gran sistema d'energia. Aquest sistema té una certa mesura d'estabilitat i inèrcia, el que ajuda a estabilitzar l'operació dels inversors connectats a la xarxa. Per exemple, quan la potència de sortida d'un sistema fotovoltaic fluctua, la xarxa pot equilibrar aquestes fluctuacions mitjançant els seus propis mecanismes de regulació (per exemple, ajustant la potència de sortida d'altres dispositius de generació), reduint així l'impacte sobre l'inversor. A més, la xarxa proporciona protecció contra curts circuits i altres característiques de seguretat. Si es produeix un defecte de curt circuit a la sortida de l'inversor, els dispositius de protecció de la xarxa actuaran per evitar que el defecte s'agravi, protegint l'inversor i altres equips.
