اصول عمل انوверترهای شبکه‌ای

I. اصول عمل 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 خورشیدی فتوولتائیک (PV) استفاده می‌شوند. اصول عمل شامل چندین جنبه است:

فرآیند تبدیل انرژی:در زیر نور خورشید، پانل‌های PV برق DC تولید می‌کنند. برای مبدل‌های شبکه‌ای کوچک و متوسط، اغلب ساختار دو مرحله‌ای استفاده می‌شود که در آن جریان DC خروجی از پانل‌های PV ابتدا از طریق یک مبدل DC/DC برای تبدیل اولیه عبور می‌کند و سپس از طریق یک مبدل DC/AC برای تولید AC عبور می‌کند. مبدل‌های بزرگ معمولاً از یک ساختار یک مرحله‌ای برای تبدیل مستقیم استفاده می‌کنند. در حین عملکرد، مبدل با شناسایی ولتاژ DC، جریان و ولتاژ و جریان AC شبکه، ماژول مبدل سه‌فاز را کنترل می‌کند. سیستم کنترل دیجیتال سیگنال‌های محرک PWM (مدولاسیون عرض پالس) تولید می‌کند که مبدل را قادر می‌سازد تا AC تولید کند که در فرکانس و فاز با شبکه همزمان شده است. به عنوان مثال، وقتی برق DC از پانل‌های PV وارد مبدل شبکه‌ای می‌شود، ابتدا از طریق یک مستقیم‌ساز (اگر ساختار دو مرحله‌ای شامل تابع مستقیم‌سازی باشد) عبور می‌کند، هر AC موجود را به DC تبدیل می‌کند و سپس از طریق المان‌های الکترونیکی بخش مبدل تبدیل DC به AC را انجام می‌دهد که در نهایت به بارهای خانگی یا صنعتی تأمین می‌شود یا به شبکه منتقل می‌شود.

اجزای کلیدی و عملکرد آنها:

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

• انورتر: این جزء اصلی است که با استفاده از المان‌های 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 جریان ورودی و خروجی و تنظیم سیگنال‌های محرک PWM بر اساس این پارامترها تا اطمینان حاصل شود که خروجی AC به استانداردهای مورد نیاز مطابقت دارد.

• پایانه خروجی: این دستگاه AC تبدیل‌شده را به شبکه یا بار منتقل می‌کند.

II. رابطه بین وارتوگرهای متصل به شبکه و شبکه

انتقال انرژی و تعامل:وظیفه اصلی یک وارتوگر متصل به شبکه تبدیل DC به AC و اتصال به شبکه است، که انتقال انرژی را ممکن می‌سازد. این دستگاه می‌تواند برق تولید شده توسط سیستم PV را به شبکه منتقل کند و نیازهای انرژی سایر کاربران را برآورده کند. در این فرآیند، شبکه به عنوان یک مرکز ذخیره‌سازی و توزیع انرژی بزرگ عمل می‌کند و وارتوگر متصل به شبکه به عنوان پلی عمل می‌کند که انرژی PV توزیع‌شده را به این مرکز متصل می‌کند. به عنوان مثال، در پروژه‌های PV توزیع‌شده، بسیاری از خانوارهایی که سیستم PV دارند، برق اضافه خود را از طریق وارتوگرهای متصل به شبکه به شبکه می‌فروشند و جریان دوطرفه برق—هم دریافت و هم تأمین برق به شبکه—را انجام می‌دهند.

از دیدگاه شبکه، با افزایش تعداد وارس‌های متصل به شبکه، منابع انرژی شبکه متنوع‌تر می‌شوند. این امر نیز تقاضاهای جدیدی را بر پایداری شبکه و کیفیت برق می‌نهد.

کنترل و سازگاری:در حال حاضر، وارس‌های متصل به شبکه عمدتاً در دو حالت کنترل اساسی عمل می‌کنند: کنترل جریان و کنترل ولتاژ. در حالت کنترل جریان، وارس 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 به جریان‌های فشار)، وارس باید قابلیت سازگاری قوی با شبکه‌های با مقاومت بالا داشته باشد تا از پدیده‌های هماهنگی که می‌تواند منجر به افزایش خطاهایی شود جلوگیری کند. وارس‌های مختلف سازنده‌ها از الگوریتم‌ها و مکانیزم‌های کنترلی متفاوتی برای سازگاری با تغییرات شبکه استفاده می‌کنند، مانند الگوریتم‌های میرایی فعال هوشمند برای رسیدگی به مشکلات هماهنگی در شبکه‌های ضعیف، و استراتژی‌هایی مانند کنترل تکراری، پارامترهای PI پویا، مهار هارمونیک‌های خاص و جبران زمان مرگ.

در حالت کنترل ولتاژ، وارس هدف کنترل ولتاژ را دارد و ویژگی‌های خارجی وارس متصل به شبکه را به منبع ولتاژ کنترل شده تبدیل می‌کند که قادر به ارائه پشتیبانی برای ولتاژ و فرکانس است. این حالت به ویژه برای اتصال‌های انرژی‌های تجدیدپذیر با نفوذ بالا مناسب است، یعنی وارس می‌تواند تا حدی 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 مرتبط، مبدل‌های شبکه‌ای معمولاً با دستگاه‌های ضد جزیره‌ای تجهیز شده‌اند. هنگامی که ولتاژ شبکه صفر است، مبدل متوقف می‌شود. این امر به این دلیل است که اگر مبدل در حالت قطع برق ادامه دهد، ممکن است تهدید ایمنی برای کارکنان نگهداری و تعمیرات ایجاد کند. به عنوان مثال، اگر سیستم خورشیدی از طریق مبدل به شبکه در زمان قطع برق انرژی تحویل دهد، می‌تواند به راحتی منجر به شوک الکتریکی و حوادث ایمنی دیگر شود. بنابراین، استانداردهای ملی مقرر می‌کنند که مبدل‌های شبکه‌ای خورشیدی باید توانایی تشخیص و کنترل جزیره‌ای داشته باشند و در صورت عدم وجود شبکه باید متوقف شوند.

عملیات با تغییرات خاص:در نظریه، بدون تغییر در نرم‌افزار یا سخت‌افزار، می‌توان از یک وارونگر خارج شبکه برای "شبیه‌سازی" شبکه استفاده کرد تا وارونگر فتوولتائیک به این باور برسد که شبکه طبیعی است و بنابراین به این "شبکه" توان بدهد. اما این روش دارای ریسک‌هاست و با الزامات امنیتی و قانونی عادی همخوانی ندارد. علاوه بر این، اگر وارونگر متصل به شبکه برای امکان عملکرد خارج از شبکه، مانند برخی از وارونگرهای هیبریدی متصل به شبکه و خارج از شبکه، تغییر یابد، می‌تواند به حالت خارج از شبکه تغییر کند وقتی که شبکه خاموش شود. این دیگر عملکرد یک وارونگر صرف متصل به شبکه نیست بلکه نتیجه طراحی و تغییر خاص است.

IV. شرایط ضروری برای عملکرد وارونگر متصل به شبکه

شرایط فنی:

• همگام‌سازی فرکانس: فرکانس شبکه معمولاً در بیشتر مناطق ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز است. خروجی جریان متناوب توسط مبدل باید با این فرکانس همگام شود. این کار معمولاً از طریق تکنولوژی‌هایی مانند حلقه‌های قفل‌فاز (PLLs) انجام می‌شود تا فرکانس جریان متناوب مبدل با فرکانس شبکه مطابقت داشته باشد، در غیر این صورت نمی‌تواند به طور عادی عمل کند.

• همگام‌سازی فاز: به علاوه همگام‌سازی فرکانس، خروجی جریان متناوب مبدل باید از نظر فاز نیز با ولتاژ شبکه همگام شود. همگام‌سازی فاز از طریق تکنولوژی‌های کنترل مربوطه انجام می‌شود. تنها با همگام‌سازی فاز، انرژی خروجی مبدل می‌تواند به صورت روان به شبکه ادغام شود و باعث ایجاد اثرات نامطلوبی مانند نوسانات توان و کاهش کیفیت توان نشود.

• تطابق ولتاژ: خروجی ولتاژ مبدل باید با ولتاژ شبکه در نقطه اتصال مطابقت داشته باشد. اگرچه مبدل‌ها معمولاً برای سازگاری با سطوح مختلف ولتاژ طراحی شده‌اند، اما باید تضمین کنند که در حدود ایمن عمل می‌کنند. اگر ولتاژ مطابقت نداشته باشد، ممکن است انتقال عادی توان را مسدود کند و حتی مبدل یا تجهیزات شبکه را آسیب برساند.

• محدودیت‌های هارمونیک: در حین تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب، انورتر ممکن است هارمونیک‌هایی ایجاد کند که می‌تواند بر شبکه تأثیر بگذارد، مانند ایجاد تحریف ولتاژ و تأثیر بر عملکرد نرمال تجهیزات الکتریکی دیگر. بنابراین، انورترها باید به معیارهای خاصی در مورد محدودیت هارمونیک پایبند باشند تا کیفیت برق را تضمین کنند. به عنوان مثال، جریان خروجی انورتر نباید مؤلفه‌ای مستقیم داشته باشد و هارمونیک‌های مرتبه بالا در جریان خروجی انورتر باید به حداقل رسید تا از آلودگی شبکه جلوگیری شود.

• کنترل قدرت واکنشی: انورتر باید قادر به کنترل خروجی قدرت واکنشی باشد تا پایداری ولتاژ شبکه را حمایت کند. در شبکه‌هایی که سهم زیادی از انرژی‌های تجدیدپذیر دارند، کنترل قدرت واکنشی به ویژه مهم است. با کنترل قدرت واکنشی، سطح ولتاژ شبکه تنظیم می‌شود و پایداری و کیفیت برق افزایش می‌یابد.

• حفاظت از اثر جزیره‌ای: هنگامی که شبکه خاموش می‌شود، انورتر باید سریعاً از شبکه جدا شود تا از تأمین برق به شبکه جدا شده جلوگیری کند و بدین طریق نیروی خدماتی را محافظت کند. این یکی از عملکردهای ایمنی ضروری انورترهای متصل به شبکه است.

شرایط ایمنی:

• امنیت برق: مبدل و نصب آن باید با استانداردهای امنیت برق مربوطه، از جمله عایق‌بندی، محافظت در برابر بار زیاد و محافظت در برابر کوتاه شدن مدار، سازگار باشد. به عنوان مثال، عملکرد عایق‌بندی الکتریکی مبدل باید خوب باشد تا رسانش جلوگیری شود؛ در صورت بار زیاد یا کوتاه شدن مدار، مبدل باید مکانیزم‌های محافظ فعال شوند تا از خسارت به تجهیزات و خطر آتش‌سوزی جلوگیری شود.

• سطح محافظت: مبدل نیاز به یک سطح محافظت خاص دارد تا عوامل محیطی مانند غبار و رطوبت را مقاومت کند. مبدل‌های بیرونی معمولاً نیاز به سطح محافظت بالاتری دارند، مانند IP65. سطح محافظت اطمینان می‌دهد که مبدل بتواند تحت شرایط محیطی مختلف به طور طبیعی کار 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 را پوشش می‌دهند، از جمله عملکرد، ایمنی و کیفیت انرژی، و اطمینان می‌دهند که تبدیل‌کننده‌ها در هنگام عملکرد در شبکه با مقررات مطابقت دارند.

• مجوزها و تأییدها: نصب و عملکرد تبدیل‌کننده‌های شبکه‌ای ممکن است نیاز به مجوزها و تأییدهایی از سوی بخش برق داشته باشد تا مطمئن شود که آنها تأثیر منفی بر شبکه ندارند. بخش برق موقعیت نصب، ظرفیت و پارامترهای فنی تبدیل‌کننده را بررسی می‌کند و تنها پس از تأیید می‌توان تبدیل‌کننده را به شبکه متصل کرد.

عوامل اقتصادی:

• بازدهی سرمایه‌گذاری (ROI): کاربران یا شرکت‌هایی که مبدل‌های شبکه‌ای را در نظر می‌گیرند، بازدهی سرمایه‌گذاری را ارزیابی می‌کنند، این ارزیابی شامل هزینه‌های اولیه سرمایه‌گذاری، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری و همچنین پولیسی‌های تشویقی یا درآمد حاصل از فروش برق است. اگر بازدهی سرمایه‌گذاری مطلوب نباشد، می‌تواند بر انگیزه برای استفاده از مبدل‌های شبکه‌ای تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، اگر هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بالا باشد و قیمت فروش برق پایین باشد بدون داشتن پولیسی‌های تشویقی کافی، سرمایه‌گذاران ممکن است منصرف شوند.

• پولیسی‌های تشویقی: منطقه‌های مختلف ممکن است پولیسی‌های تشویقی متفاوتی داشته باشند که می‌توانند بر امکانات اقتصادی پروژه‌های مبدل شبکه‌ای تأثیر بگذارند. برخی مناطق تشویقی‌هایی برای توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر ارائه می‌دهند، از جمله تشویقی‌های خرید مبدل‌ها و تعرفه‌های فروش برق که به بهبود منافع اقتصادی پروژه‌های مبدل شبکه‌ای کمک می‌کنند.

سازگاری سیستم:

• سازگاری با شبکه: اینورتر باید با سیستم شبکه موجود، از جمله ساختار، مقیاس و ویژگی‌های عملکردی شبکه سازگار باشد. ساختارهای مختلف شبکه (مانند سیستم‌های تغذیه الکتریکی TT، IT و TN) و مقیاس‌های مختلف (مانند شبکه‌های کم فشار و زیاد فشار) نیازهای متفاوتی برای اینورتر دارند و اینورتر باید بتواند به این تفاوت‌ها تطبیق یابد تا اتصال پایدار به شبکه را تأمین کند.

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

عوامل محیطی:

• سازگاری با محیط: اینورتر باید قادر به سازگاری با شرایط محیطی مکان نصب باشد، مانند دما و رطوبت، تا عملکرد پایدار بلندمدت را تضمین کند. برای مثال، در محیط‌های با دمای بالا، عملکرد تبدیل حرارتی اینورتر باید خوب باشد تا آسیب‌پذیری ناشی از گرم شدن زیاد را جلوگیری کند؛ در محیط‌های با رطوبت بالا، اینورتر باید دارای ویژگی مقاومت در برابر رطوبت باشد تا از کوتاه شدن مدار داخلی جلوگیری کند.

• تأثیرات محیطی: طراحی و عملکرد اینورتر باید تأثیرات محیطی آن را در نظر بگیرد، مانند صدا و تداخل الکترومغناطیسی. باید تلاش شود تا صدای تولید شده در حین عملکرد اینورتر به حداقل رسیده تا آلودگی صوتی جلوگیری شود و تداخل الکترومغناطیسی کنترل شود تا تداخل با دستگاه‌های الکترونیکی دیگر را جلوگیری کند.

عملیات و نگهداری:

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

• نیازهای نگهداری: نگهداری مبدل باید شامل سهولت نگهداری، هزینه‌های نگهداری و دوره‌های نگهداری باشد. یک مبدل که نگهداری آن آسان است می‌تواند هزینه‌ها و دشواری نگهداری را کاهش دهد و دوره نگهداری مناسب می‌تواند عملکرد پایدار بلندمدت را تضمین کند. به عنوان مثال، ساختار داخلی مبدل باید طوری طراحی شود که بررسی توسط پرسنل نگهداری آسان باشد و عمر مفید و هزینه تعویض قطعات آن منطقی باشد.

V. نقش شبکه در عملکرد مبدل متصل به شبکه

ارائه مرجع برای عملیات:ولتاژ، فرکانس و پارامترهای دیگر شبکه مرجع استانداردی برای عملیات ترانسفورماتورهای متصل به شبکه ارائه می‌دهند. ترانسفورماتور باید خروجی خود را بر اساس ولتاژ و فرکانس شبکه تنظیم کند تا با این پارامترها همخوانی داشته باشد. به عنوان مثال، ترانسفورماتور از فناوری‌هایی مانند PLL برای همگام‌سازی فرکانس و فاز خروجی AC خود با شبکه و همچنین تطبیق ولتاژ استفاده می‌کند، به طوری که ترکیب نرم‌افزاری برق در شبکه صورت گیرد. بدون ارائه این مراجع توسط شبکه، ترانسفورماتور قادر به تنظیم دقیق خروجی خود نخواهد بود و اتصال عادی به شبکه امکان‌پذیر نخواهد بود.

اجازه دادن به انتقال و توزیع انرژی:شبکه یک پلتفرم برای انتقال و توزیع انرژی از ترانسفورماتورهای متصل به شبکه ارائه می‌دهد. پس از تغذیه انرژی AC تولید شده توسط سیستم PV به شبکه، شبکه می‌تواند این انرژی را به جاهایی که نیاز دارند منتقل کند و توزیع گسترده‌ای را محقق کند. این امر به انرژی PV اجازه می‌دهد تا در سیستم برق گسترده‌تری یکپارچه شود و برق به کاربران بیشتری ارائه دهد. مقیاس و ساختار شبکه نیز روشهای اتصال و نیازهای عملیاتی ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عنوان مثال، در شبکه‌های ولتاژ مختلف (مانند شبکه‌های ولتاژ پایین و بالا)، ترانسفورماتور باید به استانداردهای ورودی و نیازهای فنی مربوطه مطابقت داشته باشد تا انتقال برق ایمن و کارآمد باشد.

تحقيق عمل پایدار:در شبکه، تعداد زیادی دستگاه تولید و مصرف برق به هم متصل شده‌اند که یک سیستم بزرگ برق را تشکیل می‌دهند. این سیستم دارای یک درجه معین از پایداری و اینرسی است که به پایداری عملکرد وارونگرهای متصل به شبکه کمک می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که توان خروجی یک سیستم فتوولتائیک نوسان می‌کند، شبکه می‌تواند این نوسانات را از طریق مکانیزم‌های تنظیم خود (مانند تنظیم توان خروجی دستگاه‌های تولید دیگر) متعادل کند، بنابراین تأثیر بر وارونگر کاهش می‌یابد. علاوه بر این، شبکه محافظت‌های خوردگی کوتاه و ویژگی‌های ایمنی دیگری را فراهم می‌کند. اگر خطای خوردگی کوتاه در خروجی وارونگر رخ دهد، دستگاه‌های محافظ شبکه عمل می‌کنند تا از افزایش خطا جلوگیری کنند و وارونگر و تجهیزات دیگر را محافظت کنند.