Betriebsprinzipien von Netzverbundenen Wechselrichtern
I. Arbeitsprinzipien von Netzverbundenen Invertern
Netzverbundene Inverter sind Geräte, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln und werden weit verbreitet in Solarenergie-Photovoltaik (PV)-Stromerzeugungssystemen eingesetzt. Die Arbeitsprinzipien umfassen mehrere Aspekte:
Energieumwandlungsprozess:Unter Sonneneinstrahlung erzeugen PV-Module Gleichstrom. Für kleinere und mittlere Netzverbundene Inverter wird oft eine zweistufige Struktur verwendet, bei der der Gleichstromausgang der PV-Module zunächst durch einen DC/DC-Wandler für eine vorläufige Umwandlung konvertiert wird und dann durch einen DC/AC-Wandler in Wechselstrom umgewandelt wird. Große Inverter verwenden in der Regel eine einstufige Struktur für die direkte Umwandlung. Während des Betriebs steuert der Inverter das Drei-Phasen-Inverter-Modul, indem er den Gleichspannung, -strom und den Netzscheinwerferwechselspannung und -strom detektiert. Das digitale Steuerungssystem erzeugt PWM (Pulsbreitenmodulation)-Ansteuersignale, wodurch der Inverter Wechselstrom erzeugt, der in Frequenz und Phase mit dem Netz synchronisiert ist. Zum Beispiel, wenn der Gleichstrom aus den PV-Modulen in den Netzverbundenen Inverter eingeht, passiert er zunächst einen Rechteckifier (wenn die zweistufige Struktur eine Rechteckifunktion beinhaltet), der vorhandenen Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, und dann durch die elektronischen Bauteile des Inverter-Abschnitts, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der letztendlich an Haushalts- oder Industrielasten oder ins Netz eingespeist wird.
Wichtige Komponenten und ihre Funktionen:
Gleichrichter: In einigen Strukturen ist er dafür verantwortlich, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, um sicherzustellen, dass der Eingang für den nachfolgenden Inverter Teil Gleichstrom ist.
Inverter: Dies ist die Kernkomponente, die elektronische Elemente (wie leistungshalbleiterbauelemente) verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln.
Regler: Er steuert den gesamten Umwandlungsprozess, einschließlich der Überwachung von Eingangs- und Ausgangsspannungen und -strömen, und passt die PWM-Ansteuersignale basierend auf diesen Parametern an, um sicherzustellen, dass die ausgegebene Wechselspannung den erforderlichen Standards entspricht.
Ausgangsbuchse: Sie gibt die umgewandelte Wechselspannung ins Netz oder an die Last ab.
II. Beziehung zwischen Netzverbundenen Inverter und dem Stromnetz
Energieübertragung und Interaktion:Die Hauptfunktion eines netzverbundenen Inverters besteht darin, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und mit dem Stromnetz zu verbinden, um die Energieübertragung zu ermöglichen. Er kann den durch das PV-System erzeugten Strom ins Netz einspeisen und so den Energiebedarf anderer Nutzer decken. Dabei dient das Netz als großes Energiespeicher- und Verteilzentrum, und der netzverbundene Inverter fungiert als Brücke, die die dezentrale PV-Energie mit diesem Zentrum verbindet. Zum Beispiel speisen viele Haushalte mit PV-Systemen im Rahmen dezentraler PV-Projekte über netzverbundene Inverter überschüssigen Strom ins Netz ein, wodurch eine bidirektionale Energieflussrichtung erreicht wird – sowohl Empfang als auch Einspeisung von Energie ins Netz.
Aus Sicht des Stromnetzes wird die Quelle der Netzleistung mit der Integration von mehr Netzverbundenen Wechselrichtern vielfältiger. Dies stellt jedoch neue Anforderungen an die Netzstabilität und die Leistungsgüte.
Steuerung und Anpassung:Derzeit betreiben netzverbundene Wechselrichter hauptsächlich zwei grundlegende Steuerungsmodi: Stromsteuerung und Spannungssteuerung. Im Modus der Stromsteuerung zielt der Wechselrichter darauf ab, den Ausgangsstrom zu steuern und muss sich an Änderungen der Netzspannung und anderer Parameter anpassen. Zum Beispiel müssen in schwachen Netzen (hohe Impedanz, schwaches Gerüst, geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Störimpulsen) Wechselrichter eine starke Anpassungsfähigkeit an Hochimpedanznetze aufweisen, um Resonanzphänomene zu vermeiden, die zu Fehlereinschränkungen führen könnten. Verschiedene Hersteller verwenden verschiedene Algorithmen und Steuermechanismen, um sich an Netzänderungen anzupassen, wie intelligente aktive Dämpfungssuppressionsalgorithmen, um Resonanzprobleme in schwachen Netzen zu lösen, sowie Strategien wie repetitive Steuerung, dynamische PI-Parameter, spezifische harmonische Unterdrückung und Totzeitkompensation.
Im Modus der Spannungssteuerung zielt der Wechselrichter auf die Spannungssteuerung, wodurch die externen Eigenschaften des netzverbundenen Wechselrichters als kontrollierte Spannungsquelle fungieren, die Unterstützung für Spannung und Frequenz bieten kann. Dies ist besonders geeignet für die Netzintegration erneuerbarer Energien mit hoher Penetration, was bedeutet, dass der Wechselrichter die Netzspannung und -frequenz in gewissem Maße regulieren kann, um ein stabiles Betriebssystem aufrechtzuerhalten.
III. Können Netzverbundene Inverter ohne Netz betrieben werden?
Unter normalen Umständen ist der Betrieb nicht erlaubt:Gemäß relevanten Normen und Sicherheitsvorschriften sind netzverbundene Inverter in der Regel mit Anti-Islanding-Geräten ausgestattet. Wenn die Netzespannung Null ist, stoppt der Inverter seine Arbeit. Dies liegt daran, dass das Fortführen des Betriebs des Inverters während eines Stromausfalls ein Sicherheitsrisiko für Wartungspersonal darstellen kann. Zum Beispiel, wenn das PV-System während eines Stromausfalls weiterhin über den Inverter Energie ins Netz einspeist, kann dies leicht zu elektrischen Schlägen und anderen Sicherheitsvorfallen führen. Daher legen nationale Standards fest, dass PV-Netzverbund-Inverter Islanding-Erkennungs- und -Steuereinrichtungen haben müssen und sie bei Nichtverfügbarkeit des Netzes arretiert werden müssen.
Betrieb unter speziellen Modifikationen:Theoretisch könnte ein Off-Grid-Inverter ohne Modifikation der Software oder Hardware verwendet werden, um ein "Netz" zu simulieren, sodass der PV-Inverter glaubt, dass das Netz normal ist und somit an dieses "Netz" Strom liefern kann. Diese Methode birgt jedoch Risiken und entspricht nicht den üblichen Sicherheits- und regulatorischen Anforderungen. Zudem, wenn ein Netzverbundinverter so modifiziert wird, dass er im Off-Grid-Betrieb arbeiten kann, wie in einigen hybriden Netz- und Off-Grid-Invertern, kann er in den Off-Grid-Modus wechseln, wenn das Netz ausfällt. Dies ist jedoch nicht mehr eine Funktion eines reinen Netzverbundinverters, sondern das Ergebnis einer speziellen Konstruktion und Modifikation.
IV. Wesentliche Bedingungen für den Betrieb von Netzverbundinvertern
Technische Bedingungen:
Frequenzsynchronisation: Die Netzfrequenz beträgt in den meisten Regionen 50 Hz oder 60 Hz. Die von dem Inverter ausgegebene Wechselstromfrequenz muss mit dieser synchronisiert sein. Dies wird in der Regel durch Technologien wie Phasenregelschleifen (PLLs) erreicht, um sicherzustellen, dass die Wechselstromfrequenz des Inverters mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Andernfalls kann er nicht normal arbeiten.
Phasensynchronisation: Neben der Frequenzsynchronisation muss auch die Wechselstromausgabe des Inverters in Phase mit der Netzspannung synchronisiert sein. Die Phasensynchronisation wird durch entsprechende Steuerungstechnologien erreicht. Nur mit Phasensynchronisation kann die Ausgangsenergie des Inverters nahtlos in das Netz integriert werden, ohne negative Auswirkungen wie Leistungsfluktuationen und eine Verringerung der Leistungsgüte zu verursachen.
Spannungsanpassung: Die Ausgangsspannung des Inverters muss an der Anschlussstelle mit der Netzspannung übereinstimmen. Obwohl Inverter in der Regel so konzipiert sind, dass sie sich an verschiedene Spannungspegel anpassen können, muss sichergestellt sein, dass sie innerhalb sicherer Grenzen arbeiten. Wenn die Spannung nicht übereinstimmt, kann dies die normale Energieübertragung verhindern und sogar den Inverter oder Netzgeräte beschädigen.
Harmonische Begrenzungen: Während der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom kann der Inverter Harmonische erzeugen, die das Netz beeinflussen können, wie zum Beispiel durch Spannungsverzerrung und Beeinträchtigung des normalen Betriebs anderer elektrischer Geräte. Daher müssen Inverter bestimmten harmonischen Begrenzungen entsprechen, um die Qualität der Stromversorgung zu gewährleisten. So darf der Ausgangsstrom des Inverters beispielsweise keine Gleichstromkomponente enthalten, und höhere Harmonische im Ausgangsstrom des Inverters müssen minimiert werden, um eine Verunreinigung des Netzes zu vermeiden.
Blindleistungskontrolle: Der Inverter muss in der Lage sein, die Blindleistungsausgabe zu steuern, um die Spannungsstabilität des Netzes zu unterstützen. In Netzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien ist die Kontrolle der Blindleistung besonders wichtig. Durch die Steuerung der Blindleistung kann das Spannungsniveau des Netzes reguliert werden, was die Stabilität und die Qualität der Stromversorgung verbessert.
Isolierungsphänomen-Schutz: Wenn das Netz ausfällt, muss der Inverter sich schnell vom Netz trennen, um zu verhindern, dass er dem getrennten Netz Energie zuführt, und so das Wartungspersonal schützt. Dies ist eine der wesentlichen Sicherheitsfunktionen von Netzeinspeiseinvertern.
Sicherheitsvorschriften:
Elektrische Sicherheit: Der Inverter und seine Installation müssen den relevanten elektrischen Sicherheitsstandards entsprechen, einschließlich Isolierung, Überlastschutz und Kurzschluss-Schutz. Zum Beispiel muss die elektrische Isolierleistung des Inverters gut sein, um Lecks zu verhindern; im Falle von Überlast oder Kurzschluss sollte der Inverter Schutzmechanismen aktivieren, um Geräteschäden und potenzielle Brände zu verhindern.
Schutzklasse: Der Inverter benötigt eine bestimmte Schutzklasse, um Umweltfaktoren wie Staub und Feuchtigkeit standzuhalten. Outdoor-Inverter erfordern in der Regel eine höhere Schutzklasse, wie z.B. IP65. Die Schutzklasse stellt sicher, dass der Inverter unter verschiedenen Umgebungsbedingungen normal arbeiten kann und seine Lebensdauer verlängert.
Vorschriften und Normen:
Nationale und branchenbezogene Standards: Netzgekoppelte Inverter müssen den nationalen und branchenbezogenen Standards entsprechen, wie zum Beispiel dem chinesischen Standard GB/T 37408 - 2019, der technische Anforderungen an PV-Netzgekoppelte Inverter festlegt. Diese Standards umfassen mehrere Aspekte, einschließlich Leistung, Sicherheit und Netzqualität, und stellen sicher, dass die Inverter den Vorschriften entsprechen, wenn sie im Netz betrieben werden.
Genehmigungen und Zulassungen: Die Installation und der Betrieb von Netzgekoppelten Invertern können Genehmigungen und Zulassungen des Energieversorgers erfordern, um sicherzustellen, dass sie das Netz nicht negativ beeinflussen. Der Energieversorger prüft den Installationsort, die Kapazität und die technischen Parameter des Inverters, und erst nach der Genehmigung kann der Inverter an das Netz angeschlossen werden.
Wirtschaftliche Faktoren:
Rendite (ROI): Benutzer oder Unternehmen, die netzgekoppelte Inverter in Betracht ziehen, werden die Rendite einschätzen, einschließlich der anfänglichen Investitionskosten, Betriebs- und Wartungskosten sowie potenzieller Fördermittel oder Einnahmen aus dem Verkauf von Strom. Wenn die Rendite nicht günstig ist, kann dies die Begeisterung für netzgekoppelte Inverter beeinträchtigen. Zum Beispiel, wenn die anfänglichen Investitionskosten hoch und der Verkaufspreis des Stroms niedrig ist und es keine ausreichenden Förderprogramme gibt, könnten Investoren abgeschreckt werden.
Förderprogramme: Verschiedene Regionen haben unterschiedliche Förderprogramme, die die wirtschaftliche Machbarkeit von Projekten mit netzgekoppelten Invertern beeinflussen können. Einige Regionen bieten Fördermittel an, um die Entwicklung erneuerbarer Energien zu fördern, einschließlich Zuschüssen für den Kauf von Invertern und Einspeisevergütungen, die dazu beitragen, die wirtschaftlichen Vorteile von Projekten mit netzgekoppelten Invertern zu verbessern.
Systemkompatibilität:
Netzkompatibilität: Der Wechselrichter muss mit dem bestehenden Netzwerksystem kompatibel sein, einschließlich der Struktur, Skalierung und Betriebsmerkmale des Netzes. Verschiedene Netzstrukturen (z.B. TT-, IT- und TN-Systeme) und Skalierungen (z.B. Niederspannungs- und Hochspannungsnetze) haben unterschiedliche Anforderungen an Wechselrichter, und der Wechselrichter muss in der Lage sein, sich an diese Unterschiede anzupassen, um eine stabile Netzverbindung zu gewährleisten.
Gerätekompatibilität: Der Wechselrichter muss gut mit den angeschlossenen Energieerzeugungsanlagen (z.B. Solarzellen, Windkraftanlagen) übereinstimmen, um eine effiziente Energieumwandlung zu erreichen. Beispielsweise müssen die Ausgangsleistung und Spannung von Solarzellen den Eingangsanforderungen des Wechselrichters entsprechen, um die Effizienz und Leistung des gesamten Erzeugungssystems sicherzustellen.
Umweltfaktoren:
Umweltanpassung: Der Inverter muss in der Lage sein, sich an die Umweltbedingungen des Installationsorts, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, anzupassen, um eine langfristig stabile Funktion zu gewährleisten. Beispielsweise muss der Inverter in Hochtemperaturumgebungen über eine gute Wärmeabfuhr verfügen, um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden; in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit muss der Inverter feuchtebeständig sein, um Kurzschlüsse in den internen Schaltkreisen zu verhindern.
Umweltauswirkungen: Die Konstruktion und das Betreiben des Inverters müssen seine Auswirkungen auf die Umwelt berücksichtigen, wie Lärm und elektromagnetische Störungen. Bemühungen sollten unternommen werden, den während des Betriebs erzeugten Lärm zu minimieren, um Lärmbelastung zu vermeiden, und elektromagnetische Störungen sollten kontrolliert werden, um Interferenzen mit anderen elektronischen Geräten zu verhindern.
Betrieb und Wartung:
Benutzeroberfläche: Der Wechselrichter sollte eine intuitive Benutzeroberfläche zur Verfügung stellen, um den Systemstatus zu überwachen und notwendige Einstellungen vorzunehmen. Beispielsweise können Benutzer über die Oberfläche die Betriebsparameter des Wechselrichters (z.B. Eingangs-/Ausgangsspannung, Strom, Leistung) und Fehlermeldungen einsehen und grundlegende Einstellungen vornehmen (z.B. Leistungslimits, Auswahl des Betriebsmodus).
Wartungsanforderungen: Die Wartung des Wechselrichters muss die Erleichterung der Wartung, die Wartungskosten und die Wartungszyklen berücksichtigen. Ein leicht wartbarer Wechselrichter kann die Wartungskosten und -schwierigkeiten reduzieren, während ein angemessener Wartungszyklus die langfristige stabile Funktion sicherstellen kann. Beispielsweise sollte die interne Struktur des Wechselrichters so gestaltet sein, dass sie die Inspektion durch Wartungspersonal erleichtert, und die Lebensdauer sowie die Ersatzkosten seiner Komponenten sollten angemessen sein.
V. Die Rolle des Netzes bei der Betriebsweise eines Netzverbundenen Wechselrichters
Bereitstellung von Referenzwerten für den Betrieb:Die Spannung, Frequenz und andere Parameter des Stromnetzes bieten eine Referenznorm für den Betrieb von Netzverbundenen Invertern. Der Inverter muss seine Ausgabe anhand der Netzspannung und -frequenz anpassen, um diese Parameter zu matchen. Zum Beispiel verwendet der Inverter Technologien wie PLL, um die Frequenz und Phase seiner AC-Ausgabe mit dem Netz zu synchronisieren und die Spannung anzupassen, um eine reibungslose Integration der Energie ins Netz zu gewährleisten. Ohne diese Referenzwerte, die das Netz bereitstellt, wäre es für den Inverter nicht möglich, seine Ausgabe präzise anzupassen, und ein normaler Netzanschluss würde nicht möglich sein.
Ermöglichung der Energieübertragung und -verteilung:Das Stromnetz bietet eine Plattform für die Übertragung und Verteilung von Energie von Netzverbundenen Invertern. Nachdem der Inverter die von der PV-Anlage erzeugte AC-Energie ins Netz einspeist, kann das Netz diese Energie dorthin übertragen, wo sie benötigt wird, und eine weit verbreitete Verteilung ermöglichen. Dies ermöglicht es, PV-Energie in das größere Energiesystem zu integrieren und mehr Nutzern Strom zur Verfügung zu stellen. Die Größe und Struktur des Netzes beeinflussen auch die Anschlussmethoden und Betriebsanforderungen des Inverters. Beispielsweise muss der Inverter in verschiedenen Spannungsebenen (z.B. Niederspannungs- und Hochspannungsnetzen) den entsprechenden Anschlussstandards und technischen Anforderungen entsprechen, um eine sichere und effiziente Energieübertragung zu gewährleisten.
Sichere Betriebsstabilität:Im Netz sind zahlreiche Geräte zur Stromerzeugung und -verbrauch vernetzt, was ein großes Stromsystem bildet. Dieses System verfügt über eine gewisse Stabilität und Trägheit, die dazu beiträgt, den Betrieb von Netzeinspeiseinvertern zu stabilisieren. Zum Beispiel, wenn die Ausgangsleistung eines PV-Systems schwankt, kann das Netz diese Schwankungen durch eigene Regulierungsmechanismen (z.B. Anpassung der Leistung anderer Erzeugungsgeräte) ausgleichen, wodurch der Einfluss auf den Inverter reduziert wird. Darüber hinaus bietet das Netz Kurzschluss-Schutz und andere Sicherheitsfunktionen. Wenn es zu einem Kurzschluss an der Ausgangsseite des Inverters kommt, werden die Schutzvorrichtungen des Netzes aktiviert, um die Auswirkungen des Fehlers zu minimieren und den Inverter sowie andere Geräte zu schützen.
