Principles de fonctionnement des onduleurs connectés au réseau

I. اصول عملیاتی مبدل‌های شبکه‌ای

مبدل‌های شبکه‌ای دستگاه‌هایی هستند که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کنند و به طور گسترده در سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک خورشیدی استفاده می‌شوند. اصول عملیاتی شامل چند جنبه است:

فرآیند تبدیل انرژی:در زیر نور خورشید، پانل‌های فتوولتائیک برق DC تولید می‌کنند. برای مبدل‌های شبکه‌ای کوچک و متوسط، ساختار دو مرحله‌ای معمولاً استفاده می‌شود که در آن، خروجی DC از پانل‌های فتوولتائیک ابتدا از طریق یک مبدل DC/DC برای تبدیل اولیه و سپس از طریق یک مبدل DC/AC برای تولید AC تبدیل می‌شود. مبدل‌های بزرگ معمولاً از یک ساختار یک مرحله‌ای برای تبدیل مستقیم استفاده می‌کنند. در حین عملیات، مبدل با شناسایی ولتاژ DC، جریان و ولتاژ و جریان AC شبکه، ماژول مبدل سه‌فاز را کنترل می‌کند. سیستم کنترل دیجیتال سیگنال‌های محرک PWM (پالس عرض مدولاسیون) تولید می‌کند که مبدل را قادر می‌سازد AC تولید شده با فرکانس و فاز شبکه هماهنگ شود. به عنوان مثال، وقتی برق DC از پانل‌های فتوولتائیک وارد مبدل شبکه‌ای می‌شود، ابتدا از طریق یک مستطیل‌ساز (اگر ساختار دو مرحله‌ای شامل عملیات مستطیل‌سازی باشد) می‌گذرد که هر AC موجود را به DC تبدیل می‌کند و سپس از طریق المان‌های الکترونیکی بخش مبدل به AC تبدیل می‌شود که در نهایت به بارهای خانگی یا صنعتی یا به شبکه تغذیه می‌شود.

اجزای کلیدی و توابع آنها:

• رباتریکتر: در برخی ساختارها، مسئول تبدیل AC به DC است و اطمینان می‌دهد که ورودی بخش بعدی (انورتر) DC باشد.

• انورتر: این جزء کلیدی است که با استفاده از عناصر الکترونیکی (مانند دستگاه‌های نیمه‌رسانا) DC را به AC تبدیل می‌کند.

• کنترلر: این دستگاه کل فرآیند تبدیل را کنترل می‌کند، از جمله نظارت بر ولتاژ و جریان‌های ورودی و خروجی و تنظیم سیگنال‌های پیوسته (PWM) بر اساس این پارامترها به منظور اطمینان از آنکه ولتاژ خروجی AC به استانداردهای مورد نیاز مطابقت داشته باشد.

• ترمینال خروجی: این بخش ولتاژ AC تبدیل شده را به شبکه یا بار منتقل می‌کند.

II. رابطه بین مبدل‌های متصل به شبکه و شبکه

انتقال توان و تعامل:وظیفه اصلی یک مبدل متصل به شبکه تبدیل DC به AC و اتصال به شبکه برای انتقال توان است. این مبدل می‌تواند برق تولید شده توسط سیستم PV را به شبکه منتقل کند و نیازهای توانی سایر کاربران را برآورده کند. در این فرآیند، شبکه به عنوان یک مرکز ذخیره‌سازی و توزیع انرژی بزرگ عمل می‌کند و مبدل متصل به شبکه به عنوان پلی عمل می‌کند که انرژی تولید شده توسط PV را به این مرکز متصل می‌کند. به عنوان مثال، در پروژه‌های PV توزیع شده، بسیاری از خانوارهای دارای سیستم‌های PV برق اضافی خود را از طریق مبدل‌های متصل به شبکه به شبکه می‌فروشند و جریان دوطرفه توان—دریافت و تأمین توان به شبکه—را امکان‌پذیر می‌سازند.

از دیدگاه شبکه، با ادغام بیشتر مبدل‌های متصل به شبکه، منابع انرژی شبکه متنوع‌تر می‌شوند. اما این امر نیز تقاضاهای جدیدی را برای پایداری شبکه و کیفیت توان ایجاد می‌کند.

کنترل و سازگاری:در حال حاضر، مبدل‌های متصل به شبکه عمدتاً در دو حالت کنترل اساسی عمل می‌کنند: کنترل جریان و کنترل ولتاژ. در حالت کنترل جریان، مبدل هدف کنترل جریان خروجی را دارد و باید به تغییرات ولتاژ شبکه و پارامترهای دیگر سازگار شود. به عنوان مثال، در شبکه‌های ضعیف (مقاومت بالا، چارچوب ضعیف، مقاومت کم در برابر جریان‌های فشاری)، مبدل باید توانایی سازگاری قوی با شبکه‌های با مقاومت بالا را داشته باشد تا از پدیده‌های رزونانسی که می‌توانند به افزایش خطاهای شبکه منجر شوند، پرهیز کند. مبدل‌های مختلف سازنده‌ها از الگوریتم‌ها و مکانیزم‌های کنترل متفاوتی برای سازگاری با تغییرات شبکه استفاده می‌کنند، مانند الگوریتم‌های سرکوب دمپینگ هوشمند برای رسیدگی به مشکلات رزونانسی در شبکه‌های ضعیف و استراتژی‌هایی مانند کنترل تکراری، پارامترهای PI پویا، سرکوب هارمونیک‌های خاص و جبران زمان مرگ.

در حالت کنترل ولتاژ، مبدل هدف کنترل ولتاژ را دارد و ویژگی‌های خارجی مبدل متصل به شبکه را به منبع ولتاژ کنترل‌شده تبدیل می‌کند که قادر به ارائه پشتیبانی برای ولتاژ و فرکانس است. این حالت به خصوص برای اتصالات انرژی‌های تجدیدپذیر با نفوذ بالا مناسب است، به این معنی که مبدل می‌تواند تا حدودی ولتاژ و فرکانس شبکه را تنظیم کند تا عملکرد پایدار را حفظ کند.

III. آیا مبدل‌های شبکه‌ای می‌توانند بدون شبکه کار کنند؟

در شرایط عادی، عملیات مجاز نیست:بر اساس استانداردها و مقررات ایمنی مربوطه، مبدل‌های شبکه‌ای معمولاً با دستگاه‌های جلوگیری از جزیره‌سازی تجهیز می‌شوند. هنگامی که ولتاژ شبکه صفر است، مبدل متوقف می‌شود. این امر به این دلیل است که اگر مبدل در حین قطع برق ادامه دهد، ممکن است تهدیدی برای کارکنان نگهداری و تعمیرات باشد. به عنوان مثال، اگر سیستم فتوولتائیک ادامه دهد تغذیه شبکه را از طریق مبدل در زمان قطع برق، می‌تواند به راحتی باعث شوک الکتریکی و حوادث ایمنی دیگر شود. بنابراین، استانداردهای ملی مقرر می‌کنند که مبدل‌های شبکه‌ای فتوولتائیک باید دارای قابلیت تشخیص و کنترل جزیره‌سازی باشند و باید در غیاب شبکه متوقف شوند.

عملیات تحت تغییرات ویژه:تئوریکا، بدون تغییر در نرم‌افزار یا سخت‌افزار، می‌توان از یک واروننده خارج شبکه برای "شبیه‌سازی" یک شبکه استفاده کرد تا واروننده PV باور داشته باشد که شبکه به طور عادی عمل می‌کند و اجازه بدهد توان را به این "شبکه" تأمین کند. با این حال، این روش ریسک‌ها را دارد و با مقررات ایمنی و قانونی معمول همخوانی ندارد. علاوه بر این، اگر واروننده متصل به شبکه به گونه‌ای تغییر یابد تا بتواند در حالت خارج از شبکه عمل کند، مانند برخی از واروننده‌های هیبریدی متصل به شبکه و خارج از شبکه، می‌تواند به حالت خارج از شبکه تغییر کند وقتی شبکه خاموش شود. این دیگر عملکرد یک واروننده خالص متصل به شبکه نیست بلکه نتیجه طراحی و تغییرات ویژه است.

IV. شرایط ضروری برای عملکرد واروننده متصل به شبکه

شرایط فنی:

• هماهنگی فرکانس: فرکانس شبکه معمولاً در بیشتر مناطق ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز است. خروجی فرکانس جریان متناوب توسط وارونه‌کننده باید با این فرکانس هماهنگ شود. این کار معمولاً از طریق تکنولوژی‌هایی مانند حلقه‌های فاز-بسته (PLLs) انجام می‌شود تا مطمئن شود که فرکانس جریان متناوب وارونه‌کننده با فرکانس شبکه مطابقت داشته باشد، در غیر این صورت نمی‌تواند به طور عادی عمل کند.

• هماهنگی فاز: به علاوه هماهنگی فرکانس، خروجی جریان متناوب وارونه‌کننده باید در فاز با ولتاژ شبکه هماهنگ شود. هماهنگی فاز از طریق تکنولوژی‌های کنترل مربوطه انجام می‌شود. تنها با هماهنگی فاز می‌توان انرژی خروجی وارونه‌کننده را به صورت صاف و بدون ایجاد اثرات منفی مانند نوسانات قدرت و کاهش کیفیت قدرت به شبکه ادغام کرد.

• تطابق ولتاژ: خروجی ولتاژ وارونه‌کننده باید با ولتاژ شبکه در نقطه اتصال مطابقت داشته باشد. اگرچه وارونه‌کننده‌ها معمولاً برای سازگاری با سطوح مختلف ولتاژ طراحی شده‌اند، اما باید مطمئن شود که در حدود ایمنی عمل می‌کنند. اگر ولتاژ مطابقت نداشته باشد، ممکن است انتقال عادی قدرت را مسدود کند و حتی وارونه‌کننده یا تجهیزات شبکه را آسیب برساند.

• محدودیت‌های هارمونیک: در حین تبدیل DC به AC، مبدل ممکن است هارمونیک‌ها را تولید کند که می‌تواند بر شبکه تأثیر بگذارد، مانند ایجاد تحریف ولتاژ و تأثیر بر عملکرد طبیعی دیگر تجهیزات الکتریکی. بنابراین، مبدل‌ها باید به معیارهای خاص محدودیت هارمونیک پایبند باشند تا کیفیت برق را تضمین کنند. به عنوان مثال، جریان خروجی مبدل نباید شامل مؤلفه DC باشد و هارمونیک‌های مرتبه بالا در جریان خروجی مبدل باید به حداقل رسید تا از آلودگی شبکه جلوگیری شود.

• کنترل قدرت واکنشی: مبدل باید قادر به کنترل خروجی قدرت واکنشی باشد تا پایداری ولتاژ شبکه را حمایت کند. در شبکه‌هایی با نسبت بالای انرژی‌های تجدیدپذیر، کنترل قدرت واکنشی بسیار مهم است. با کنترل قدرت واکنشی، سطح ولتاژ شبکه تنظیم می‌شود و پایداری و کیفیت برق افزایش می‌یابد.

• حفاظت از اثر جزیره‌ای: وقتی شبکه خاموش می‌شود، مبدل باید سریعاً از شبکه جدا شود تا جلوی تأمین برق به شبکه جدا شده را بگیرد و بدین طریق نیروی فنی را محافظت کند. این یکی از توابع ایمنی ضروری مبدل‌های شبکه‌ای است.

شرایط ایمنی:

• امنیت الکتریکی: ویرایشگر و نصب آن باید با استانداردهای امنیتی الکتریکی مربوطه، از جمله عایق‌بندی، محافظت در برابر بار زیاد و کوتاه شدن مدار، مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال، عملکرد عایق‌بندی الکتریکی ویرایشگر باید خوب باشد تا جلوی نشتی را بگیرد؛ در صورت بار زیاد یا کوتاه شدن مدار، ویرایشگر باید مکانیزم‌های محافظ را فعال کند تا از آسیب دیدن تجهیزات و احتمال آتش‌سوزی جلوگیری کند.

• درجه حفاظت: ویرایشگر به یک درجه حفاظت مشخص نیاز دارد تا در برابر عوامل محیطی مانند گرد و غبار و رطوبت مقاوم باشد. ویرایشگرهای خارجی معمولاً به یک درجه حفاظت بالاتر، مانند IP65، نیاز دارند. درجه حفاظت اطمینان می‌دهد که ویرایشگر تحت شرایط محیطی مختلف به طور طبیعی عمل کند و عمر مفید آن را افزایش می‌دهد.

مقررات و استانداردها:

• استانداردهای ملی و صنعتی: دستگاه‌های تبدیل‌کننده شبکه‌ای باید با استانداردهای ملی و صنعتی مطابقت داشته باشند، مانند استاندارد چینی GB/T 37408 - 2019 که نیازمندی‌های فنی برای تبدیل‌کننده‌های شبکه‌ای خورشیدی را مشخص می‌کند. این استانداردها جنبه‌های متعددی از جمله عملکرد، ایمنی و کیفیت انرژی را پوشش می‌دهند و اطمینان می‌دهند که تبدیل‌کننده‌ها در هنگام عملیات در شبکه با مقررات سازگار باشند.

• مجوزها و تأییدها: نصب و عملیات تبدیل‌کننده‌های شبکه‌ای ممکن است نیاز به مجوزها و تأییدهایی از بخش برق داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که آنها به شبکه آسیب نمی‌رسانند. بخش برق محل نصب، ظرفیت و پارامترهای فنی تبدیل‌کننده را بررسی می‌کند و تنها پس از تأیید، تبدیل‌کننده می‌تواند به شبکه متصل شود.

عوامل اقتصادی:

• بازدهی سرمایه‌گذاری (ROI): کاربران یا شرکت‌هایی که در حال بررسی وارسی‌کننده‌های شبکه‌ای هستند، بازدهی سرمایه‌گذاری را ارزیابی می‌کنند، که شامل هزینه‌های اولیه سرمایه‌گذاری، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری، و پاداش‌های سیاستی یا درآمد حاصل از فروش برق است. اگر بازدهی سرمایه‌گذاری مطلوب نباشد، ممکن است علاقه به وارسی‌کننده‌های شبکه‌ای کاهش یابد. به عنوان مثال، اگر هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بالا باشد و قیمت فروش برق پایین باشد بدون وجود سیاست‌های پاداش کافی، سرمایه‌گذاران ممکن است دلسرد شوند.

• سیاست‌های پاداش: مناطق مختلف ممکن است سیاست‌های پاداش متفاوتی داشته باشند که می‌تواند بر امکانات اقتصادی پروژه‌های وارسی‌کننده‌های شبکه‌ای تأثیر بگذارد. برخی مناطق پاداش‌هایی ارائه می‌دهند تا توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر را تشویق کنند، از جمله پاداش‌های خرید وارسی‌کننده و تعرفه‌های خرید برق، که به بهبود مزایای اقتصادی پروژه‌های وارسی‌کننده‌های شبکه‌ای کمک می‌کنند.

سازگاری سیستم:

• سازگاری با شبکه: اینورتر باید با سیستم شبکه موجود، از جمله ساختار، مقیاس و مشخصات عملیاتی شبکه سازگار باشد. ساختارهای مختلف شبکه (مانند سیستمهای قدرت TT، IT و TN) و مقیاسها (مانند شبکه‌های کم فشار و بالا فشار) نیازهای متفاوتی برای اینورترها دارند و اینورتر باید قادر به تطبیق با این تفاوت‌ها برای اتصال پایدار به شبکه باشد.

• سازگاری با تجهیزات: اینورتر باید با تجهیزات تولید انرژی متصل شده (مانند پانل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی) سازگار باشد تا تبدیل انرژی به صورت کارآمد صورت گیرد. به عنوان مثال، توان خروجی و ولتاژ پانل‌های خورشیدی باید با نیازهای ورودی اینورتر مطابقت داشته باشد تا کارایی و عملکرد کلی سیستم تولیدی تضمین شود.

عوامل محیطی:

• توانایی تطبیق با محیط: مبدل باید قادر به تطبیق با شرایط محیطی مکان نصب باشد، مانند دما و رطوبت، برای اطمینان از عملکرد پایدار بلندمدت. به عنوان مثال، در محیط‌های با دمای بالا، عملکرد تبدیل حرارت مبدل باید خوب باشد تا از آسیب ناشی از گرم شدن بیش از حد جلوگیری کند؛ در محیط‌های با رطوبت بالا، مبدل باید خصوصیات مقاوم در برابر رطوبت داشته باشد تا از کوتاه شدن مدار داخلی جلوگیری کند.

• تأثیر محیطی: طراحی و عملکرد مبدل باید تأثیر آن بر محیط را در نظر بگیرد، مانند سر و صدای تولید شده و تداخل الکترومغناطیسی. باید تلاش کرد تا سر و صدا تولید شده در حین عملکرد مبدل به حداقل برسد تا آلودگی صوتی را جلوگیری کند و تداخل الکترومغناطیسی کنترل شود تا از تداخل با دستگاه‌های الکترونیکی دیگر جلوگیری کند.

عملیات و نگهداری:

• رابط کاربری: اینورتر باید رابط کاربری مستقیم و ساده‌ای برای نظارت بر وضعیت سیستم و انجام تنظیمات لازم فراهم کند. به عنوان مثال، کاربران می‌توانند پارامترهای عملیاتی اینورتر (مانند ولتاژ ورودی/خروجی، جریان، توان) و اطلاعات هشدار خطا را از طریق رابط مشاهده کنند و تنظیمات پایه (مانند محدوده توان، انتخاب حالت عملکرد) را انجام دهند.

• نیازهای نگهداری: نگهداری اینورتر باید شامل راحتی نگهداری، هزینه‌های نگهداری و دوره‌های نگهداری باشد. یک اینورتر که نگهداری آن آسان است می‌تواند هزینه‌ها و دشواری‌های نگهداری را کاهش دهد، در حالی که یک دوره نگهداری مناسب می‌تواند عملکرد پایدار بلندمدت را تضمین کند. به عنوان مثال، ساختار داخلی اینورتر باید به گونه‌ای طراحی شده باشد که اجازه بازرسی توسط پرسنل نگهداری را فراهم کند و عمر مفید و هزینه تعویض قطعات آن منطقی باشد.

V. نقش شبکه در عملکرد اینورتر متصل به شبکه

ارائه مرجع برای عملیات:ولتاژ، فرکانس و پارامترهای دیگر شبکه مرجع استانداردی برای عملیات وارتباط‌دهنده‌های شبکه ارائه می‌دهند. وارتباط‌دهنده باید خروجی خود را بر اساس ولتاژ و فرکانس شبکه تنظیم کند تا با این پارامترها همخوانی داشته باشد. به عنوان مثال، وارتباط‌دهنده از فناوری‌هایی مانند PLL برای همگام‌سازی فرکانس و فاز خروجی AC خود با شبکه و همچنین تطبیق ولتاژ استفاده می‌کند، که این امر ادغام صاف انرژی در شبکه را تضمین می‌کند. بدون ارائه این مراجع توسط شبکه، وارتباط‌دهنده قادر به تنظیم دقیق خروجی خود نخواهد بود و اتصال عادی به شبکه ممکن نخواهد بود.

فراهم کردن انتقال و توزیع انرژی:شبکه یک پلتفرم برای انتقال و توزیع انرژی از وارتباط‌دهنده‌های شبکه ارائه می‌دهد. پس از اینکه وارتباط‌دهنده انرژی AC تولید شده توسط سیستم فتوولتائیک را به شبکه منتقل می‌کند، شبکه می‌تواند این انرژی را به جاهایی که نیاز دارند منتقل کند و توزیع گسترده‌ای را فراهم کند. این امر به ادغام انرژی فتوولتائیک در سیستم برق گسترده‌تر کمک می‌کند و برق را به تعداد بیشتری از کاربران ارائه می‌دهد. مقیاس و ساختار شبکه نیز روشهای اتصال و الزامات عملیاتی وارتباط‌دهنده را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عنوان مثال، در شبکه‌های با ولتاژ مختلف (مانند شبکه‌های ولتاژ پایین و بالا)، وارتباط‌دهنده باید به استانداردهای و الزامات فنی مربوطه تطابق دهد تا انتقال ایمن و موثر انرژی تضمین شود.

تامین عملکرد پایدار:در شبکه، تعداد زیادی دستگاه تولید و مصرف برق به هم متصل شده‌اند که یک سیستم قدرت بزرگ را تشکیل می‌دهند. این سیستم دارای درجه‌ای از پایداری و لختی است که به پایداری عملکرد انوvertisers متصل به شبکه کمک می‌کند. برای مثال، وقتی خروجی برق یک سیستم خورشیدی نوسان می‌کند، شبکه می‌تواند این نوسانات را از طریق مکانیزم‌های تنظیم خود (مانند تنظیم خروجی برق دستگاه‌های تولید دیگر) متعادل کند، بنابراین تأثیر آن بر روی inverter کاهش می‌یابد. علاوه بر این، شبکه محافظت کوتاه مداری و ویژگی‌های ایمنی دیگری را فراهم می‌کند. اگر خطای کوتاه مداری در خروجی inverter رخ دهد، دستگاه‌های محافظ شبکه عمل می‌کنند تا از افزایش خطا جلوگیری کنند و inverter و تجهیزات دیگر را محافظت کنند.