Yhdistettyjen inversioiden toimintaperiaatteet
I. Verkkojännitelaitteiden toimintaperiaatteet
Verkkojännitelaitteet ovat laitteita, jotka muuntavat suoraa virtaa (DC) vaihtovirtaksi (AC) ja ne ovat yleisesti käytössä aurinkopaneelijärjestelmissä. Toimintaperiaatteissa on useita näkökohtia:
Energianmuuntoprosessi:Auringonvalossa aurinkopaneelit tuottavat suoraa virtaa (DC). Pienille ja keskisuureille verkkojännitelaitteille on usein käytössä kaksivaiheinen rakenne, jossa DC-virta muunnetaan ensin DC/DC-muuntimella esimuunnoksessa, ja sitten DC/AC-muuntimella AC-virraksi. Suuret muuntimet käyttävät yleensä yksivaiheista rakennetta suoraan muuntamista varten. Toiminnassa muuntin hallitsee kolmivaiheisen muuntimomodulin toimintaa havaitsemalla DC-jännitettä, virtaa sekä verkon AC-jännitettä ja virtaa. Digitaalinen ohjausjärjestelmä luo PWM (Pulse Width Modulation) -ajastinsignaalit, jotka tekevät muuntimesta tuottavan AC-virran, joka on synkronoitu verkon taajuuden ja vaiheen kanssa. Esimerkiksi kun aurinkopaneelien tuottama DC-virta tulee verkkojännitelaitteen sisään, se kulkee ensin suodattimella (jos kaksivaiheinen rakenne sisältää suodatusfunktion), joka muuntaa mahdollisen AC:n DC:ksi, ja sitten muuntimen elektronisilla komponenteilla DC muutetaan AC:ksi, joka lopulta toimitetaan kotitalouksille tai teollisuudelle tai syötetään verkkoon.
Avainkomponentit ja niiden toiminta:
Suodatin: Jotkut rakenteissa se on vastuussa vaihtovirtan muuntamisesta suoravirraksi, varmistaen, että seuraavan inverterin osan syöte on suoravirta.
Inverteri: Tämä on ydinosa, joka käyttää sähköisiä komponentteja (kuten tehoohjaimia) muuttaakseen suoravirran vaihtovirraksi.
Ohjain: Se ohjaa koko muuntoprosessia, mukaan lukien syöte- ja ulostevolttien ja -virtojen valvonta sekä PWM-ajosignaalien säätö näiden parametrien perusteella varmistaakseen, että ulostuloon saatu vaihtovirta täyttää vaaditut standardit.
Ulostulopisteen: Se tuottaa muunnetun vaihtovirran verkkoon tai kuormaan.
II. Verkkoyhdistettyjen invertterien ja sähköverkon välinen suhde
Energian siirto ja vuorovaikutus:Verkkoyhdistetyn invertterin päärakenteena on muuttaa jännitevaihtoja (DC) vaihtovirraksi (AC) ja yhdistää se sähköverkkoon, mahdollistaen energian siirron. Se voi tuoda aurinkopaneelijärjestelmän tuottaman sähköverkkoon, täyttäen muiden käyttäjien sähkötarpeet. Tässä prosessissa sähköverkko toimii suurena energiavarastona ja jakelukeskuksena, ja verkkoyhdistetty inverterti toimii siltaana, joka yhdistää hajautettua aurinkovoiman tähän keskuksen. Esimerkiksi hajautetuissa aurinkohankkeissa monet kotitaloudet, joilla on aurinkopaneelijärjestelmä, myyvät ylijäämäänsä sähköverkkoon verkkoyhdistetyillä inverttereillä, saavuttamalla kaksisuuntaisen energian virtauksen—sekä vastaanottamalla että tarjoamalla sähköä sähköverkosta.
Verkon näkökulmasta ottaen, kun yhä useampi verkkoyhdistetty invertertteri integroituu, sähkön lähteet monipuolistuvat. Tämä asettaa kuitenkin uusia vaatimuksia verkon vakautukseen ja sähkölaatuun.
Ohjaus ja sopeutuminen:Tällä hetkellä verkkoyhdistetyillä inverterteillä on pääasiassa kaksi perustapaa ohjaukseen: virtaohjaus ja jänniteohjaus. Virtaohjaustilassa inverterin tavoitteena on hallita ulos virtaa, ja se täytyy sopeutua muutoksiin verkon jännitteessä ja muissa parametreissa. Esimerkiksi heikoissa verkoissa (korkea impedanssi, heikko rakenne, alhainen syöttövirtasuuriin vastustuskyky), inverterin on oltava kykenevä sopeutumaan korkeaimpedanssisiin verkkoihin välttääkseen resonanssitiloja, jotka voivat johtaa virheiden lisääntymiseen. Eri valmistajien inverterit käyttävät erilaisia algoritmeja ja ohjausmekanismeja sopeutuakseen verkon muutoksiin, kuten älykästä aktiivista vaimennusta heikossa verkkossa, toistokontrollia, dynaamisia PI-parametreja, tietyille harmonisille komponenteille suunnattuja vaimennusalgoritmeja ja kuolemaajan kompensointia.
Jänniteohjaustilassa inverterin tavoitteena on jänniteohjaus, mikä tekee verkkoyhdistetyn inverterin ulkoisista ominaisuuksista kontrolloituun jännitelähteeseen, joka voi tarjota tukea jännite- ja taajuuden säätelyssä. Tämä on erityisen sopiva korkean penetratioprosentin uusiutuvan energian verkkoyhdisteille, eli inverteri voi osittain säätää verkon jännitettä ja taajuutta ylläpitääkseen vakauden toiminnassa.
III. Voivatko verkkoyhdistetyt inverterit toimia ilman sähköverkkoa?
Normaalien olosuhteiden alaisena toiminta ei ole sallittua:Relevanttien standardien ja turvallisuusmääräysten mukaan verkkoyhdistetyillä invertereillä on yleensä saaristovalvonta-laitteita. Kun verkkojännite on nolla, inverteri lopettaa toimintansa. Tämä johtuu siitä, että jos inverteri jatkaa toimintaa sähkökatkoksen aikana, se voi aiheuttaa turvallisuusriskin huoltohenkilöstölle. Esimerkiksi, jos aurinkosähköjärjestelmä jatkaa sähkön tuotantoa ja tarjoamista verkossa inverterin kautta sähkökatkoksen aikana, se voi helposti aiheuttaa sähköiskut ja muut turvallisuustapahtumat. Siksi kansalliset standardit määrittelevät, että PV-verkkoyhdistetyillä invertereillä on oltava saaristodetektio- ja valvontatoiminnot, ja ne on lopetettava toimintansa, kun verkko ei ole käytettävissä.
Toiminta erityisillä muutoksilla:Teoreettisesti verkon ulkopuolista invertertintä voitaisiin käyttää "simuloimaan" sähköverkkoa, jolloin aurinkopaneelin inverterti uskoo, että verkko on normaali, mikä mahdollistaa sen toiminnan tämän "verkon" kanssa. Tämä menetelmä kuitenkin sisältää riskejä eikä ole yhteensopiva tavallisten turvallisuus- ja sääntelyvaatimusten kanssa. Lisäksi, jos verkkoyhdistetty inverterti on muokattu toimimaan verkon ulkopuolella, kuten joissakin hybridi-verkkoyhdistetty- ja verkon ulkopuoliset invertertit, se voi siirtyä verkon ulkopuoliseen tilaan, kun verkko on pois päältä. Tämä ei kuitenkaan ole enää puhtaan verkkoyhdistetyn inverterin ominaisuus, vaan se on erityisen suunnittelun ja muokkauksen tulos.
IV. Verkkoyhdistetyn inverterin toiminnan olennaiset edellytykset
Tekniset edellytykset:
Taajuuden synkronointi: Verkon taajuus on yleensä 50 Hz tai 60 Hz useimmissa alueissa. Inverterin AC-taajuuden on oltava synkronoitu tämän kanssa. Tämä saavutetaan yleensä teknologioilla, kuten vaihekiintolaitteilla (PLL), varmistaaksemme, että inverterin AC-taajuus vastaa verkon taajuutta, muuten se ei voi toimia normaalisti.
Vaiheen synkronointi: Lisäksi taajuuden synkronoinnin lisäksi inverterin AC-ulostulo on myös synkronoitava vaiheessa verkon jännitteen kanssa. Vaiheen synkronointi saavutetaan liittyvillä ohjausteknologioilla. Vain vaiheen synkronoinnin avulla inverterin tuotettu energia voidaan säännöllisesti integroida verkkoon ilman haitallisia vaikutuksia, kuten tehoepätasaisuuksia ja heikentynyttä tehonlaatua.
Jännitteen sovittaminen: Inverterin ulostulon jännite on oltava sama kuin verkon jännite yhdistyspisteessä. Vaikka inverterit on yleensä suunniteltu sopeutumaan eri jännitetasoille, sen on varmistettava toiminta turvallisissa rajoissa. Jos jännitteet eivät vastaa, se voi estää normaalin tehonsiirron ja jopa vahingoittaa inverteriä tai verkon laitteita.
Harmoniset rajoitukset: Virtaamisessa DC:stä AC:ksi inverterti voi tuottaa harmonisia, jotka voivat vaikuttaa sähköverkkoon, kuten aiheuttaa jänniteväännöksiä ja vaikuttaa muiden sähkölaitteiden normaaliin toimintaan. Siksi invertertit on täytettävä tietyt harmoniset rajoitukset varmistaakseen sähkön laadun. Esimerkiksi inverterin ulostulovirta ei saa sisältää suoravirtacomponenttia, ja inverterin ulostulovirran korkeammat harmoniset on minimoitava välttääksesi sähköverkon saastumisen.
Reaktiivisen tehon ohjaus: Inverterti on kykenevä ohjaamaan reaktiivisen tehon ulostuloa tukemaan sähköverkon jännitevakautta. Sähköverkoissa, joissa uusiutuvaa energiaa on paljon, reaktiivisen tehon ohjaus on erityisen tärkeää. Reaktiivisen tehon avulla voidaan säännellä sähköverkon jänniteluokkaa, mikä parantaa sähköverkon vakautta ja sähkön laatua.
Saaristoeffektin suojaus: Kun sähköverkko on pois käytöstä, inverterti on kykenevä erottautumaan nopeasti sähköverkosta estääkseen sen toimittamasta sähköä yhteydestä poistetulle sähköverkolle, siten suojellen huoltohenkilöstöä. Tämä on yksi verkkoyhdistettyjen invertertien olennaisimmista turvallisuustoiminnoista.
Turvallisuusehdot:
Sähköinen turvallisuus: Inversio ja sen asennus on oltava sopusoinnussa asianmukaisen sähköisen turvallisuuden kanssa, mukaan lukien eristys, ylilataussuoja ja lyhytkiertosuoja. Esimerkiksi inversioiden sähköiset eristysohjelmat on oltava hyvät sähkövuodon estämiseksi; ylilatauksen tai lyhytkierroksen tapauksessa inverterin tulisi aktivoida suojamekanismeitä varten, jotta laitteen vahingoittaminen ja mahdolliset tulipalot voidaan estää.
Suojaluokitus: Inversio tarvitsee tietyt suojaluokitukset vastustaakseen ympäristötekijöitä, kuten pölyä ja kosteutta. Ulkoiset inversiot vaativat yleensä korkeampaa suojaluokitusta, kuten IP65. Suojaluokitus varmistaa, että inverteri voi toimia normaalisti eri ympäristöolosuhteissa ja pidentää sen käyttöikää.
Säännökset ja standardit:
Kansalliset ja alakohtaiset standardit: Verkkoon kytkettyjen inversioiden on noudatettava kansallisia ja alaan liittyviä standardeja, kuten Kiinan GB/T 37408 - 2019 -standardi, joka määrittelee aurinkopaneelien verkkoon kytkettyjen inversioiden tekniset vaatimukset. Nämä standardit kattavat monia näkökohtia, mukaan lukien suorituskyky, turvallisuus ja sähkölaatu, varmistaen, että inversiot täyttävät säännöksiä verkossa toimittaessaan.
Luvat ja hyväksynnät: Verkkoon kytkettyjen inversioiden asentamiselle ja toiminnalle saattaa edellyttää luvia ja hyväksyntejä sähkövirastolta, jotta ne eivät vaikuttaisi haitallisesti verkkoon. Sähkövirasto tarkistaa inversioiden asennussijainnin, kapasiteetin ja tekniset parametrit, ja vasta sen jälkeen, kun hyväksyntä on annettu, inversio voidaan yhdistää verkkoon.
Taloudelliset tekijät:
Investointin tuotto (ROI): Käyttäjät tai yritykset, jotka harkitsevat verkon yhdistettyjen invertertien käyttöä, arvioivat ROI:n, mukaan lukien alkuperäiset investointikustannukset, toimintakustannukset ja huollon kustannukset sekä mahdolliset tukipolitiikat tai sähkön myynnistä saatavat tulot. Jos ROI ei ole suotuisa, se voi vaikuttaa intohimoiseen suhtautumiseen verkon yhdistettyihin inverterteihin. Esimerkiksi, jos alkuperäiset investointikustannukset ovat korkeat ja sähkön myyntihinta on alhainen ilman riittäviä tuki-politiikkoja, sijoittajat saattavat joutua syrjään.
Tukipolitiikat: Eri alueilla on erilaisia tukipolitiikkoja, jotka voivat vaikuttaa verkon yhdistettyjen invertertien projektien taloudelliseen kannattavuuteen. Jotkut alueet tarjoavat tukia uusiutuvan energian kehittämisen tukemiseksi, mukaan lukien tukia invertertien ostamiselle ja sähkön tuontitariffeille, mikä auttaa parantamaan verkon yhdistettyjen invertertien projektien taloudellisia etuja.
Järjestelmän yhteensopivuus:
Verkon yhteensopivuus: Inversioituksen on oltava yhteensopiva olemassa olevan sähköverkon kanssa, mukaan lukien verkon rakenne, koko ja toiminnalliset ominaisuudet. Eri verkkojärjestelmät (esim. TT-, IT- ja TN-järjestelmät) ja eri kokoluokat (esim. alijännite- ja ylijänniteverkot) vaativat erilaisia inversioitimiä, ja inversioitimen on pystyttävä sopeutumaan näihin eroihin saavuttaakseen vakavan verkko-kytkennän.
Laitteiden yhteensopivuus: Inversioituksen on oltava hyvin yhteensopiva kytkettyjen sähköntuotantolaitteiden (esim. aurinkopaneelit, tuuliturbiinit) kanssa tehokkaan sähkömuunnoksen saavuttamiseksi. Esimerkiksi aurinkopaneelien tulovirta ja jännite on vastattava inversioitimen syöttövaatimuksia, jotta koko tuotantojärjestelmän tehokkuus ja suorituskyky voidaan taata.
Ympäristötekijät:
Ympäristösopeutuvuus: Inversio laitteiden on pystyttävä sopeutumaan asennussijan ympäristöolosuhteisiin, kuten lämpötilaan ja kosteusasteeseen, jotta voidaan taata pitkäaikainen vakaa toiminta. Esimerkiksi korkean lämpötilan olosuhteissa inversio laitteen lämmönvienti on oltava hyvä, jotta se ei vaurioitu lämpökuormasta; korkean kosteuden olosuhteissa inversio laite on oltava kosteuskestävä, jotta voidaan välttää sisäisten piirien lyhyys.
Ympäristövaikutukset: Inversio laitteen suunnittelu ja toiminta on otettava huomioon sen vaikutukset ympäristöön, kuten melu ja sähkömagneettinen häiriö. On pyrittävä minimoihin inversio laitteen toiminnassa aiheutuvan melun, jotta voidaan välttää melusaaste, ja sähkömagneettiset häiriöt on kontrolloitava, jotta voidaan välttää häiriö muille elektronisille laitteille.
Toiminta ja huolto:
Käyttöliittymä: Inversioinnin tulisi tarjota intuitiivinen käyttöliittymä järjestelmän tilan seurantaan ja välttämättömien asetusten suorittamiseen. Esimerkiksi käyttäjät voivat tarkastella inversioiden toimintaparametreja (esim. syöttö/ulostulojännite, virta, teho) ja virheilmoituksia käyttöliittymän kautta, ja suorittaa perusasetuksia (esim. tehrajat, toimintatavan valinta).
Ylläpidon vaatimukset: Inversioiden ylläpito on otettava huomioon ylläpidon helpottaminen, ylläpidon kustannukset ja ylläpidon ajankohdat. Helppokäyttöinen inversio voi vähentää ylläpidon kustannuksia ja vaikeutta, kun taas järkevä ylläpitoajankohta varmistaa pitkäaikaisen vakauden. Esimerkiksi inversioiden sisäinen rakenne tulisi suunnitella siten, että siihen pääsee helposti tutustumalla, ja sen komponenttien elinkaari ja korvauskustannukset tulisi olla kohtuullisia.
V. Sähköverkon rooli verkkoyhdistettyjen inversioiden toiminnassa
Toiminnan viitearvot:Verkon jännite, taajuus ja muut parametrit tarjoavat viitestandardin verkkoyhdistettyjen käännöslaitteiden toimintaan. Käännöslaitteella on säädettävä sen tuotanto näiden parametrien mukaan. Esimerkiksi käännös laite käyttää PLL:n kaltaisia tekniikoita synkronoimaan sen tuottaman vaihtovirtasignaalin taajuuden ja vaiheen verkon kanssa ja sopeutuakseen jännitteeseen, mikä takaa sähkön sujuvan integroinnin verkkoon. Ilman verkon tarjoamia viitearvoja käännös laite ei pysty tarkasti säätämään tuotantoaan, eikä normaali verkkoyhteys olisi mahdollinen.
Sähköntuotannon ja jakelun mahdollistaminen:Verkko tarjoaa alustan verkkoyhdistettyjen käännöslaitteiden tuottaman sähkön siirtämiselle ja jakelulle. Kun käännös laite syöttää aurinkopaneelijärjestelmän tuottaman vaihtosähköverkkoon, verkko voi siirtää tämän sähkövoiman sinne, missä sitä tarvitaan, saavuttaen laajamittaisen jakelun. Tämä mahdollistaa aurinkovoiman integroitumisen laajempaan sähköjärjestelmään, tarjoten sähköä useammalle käyttäjälle. Verkon koko ja rakenne vaikuttavat myös käännöslaitteen yhdistymistapaan ja toimintavaatimuksiin. Esimerkiksi eri jännitetasoisissa verkoissa (esimerkiksi alijännis- ja ylijännisverkoissa) käännös laite täytyy vastata vastaaviin pääsyn standardeihin ja teknisiin vaatimuksiin, jotta voidaan varmistaa turvallinen ja tehokas sähköntuotannon siirto.
Vakaan toiminnan takaaminen:Verkossa on yhdistetty monia sähköntuotanto- ja kulutuslaitteita, muodostamassa suuren sähköjärjestelmän. Tämä järjestelmä omaa tiettyä vakautta ja inertiatta, mikä auttaa vakaistamaan verkkoon kytkettyjen kääntömuuntimien toimintaa. Esimerkiksi, kun aurinkopaneelijärjestelmän tuotantovirta vaihtelee, verkkoon voidaan tasapainottaa nämä vaihtelut omilla säätömekanismeilla (esim. muiden tuotantolaitteiden tuotannon säätäminen), mikä vähentää vaikutusta kääntömuuntimiin. Lisäksi verkkoon sisältyy lyhyyskuormasuojitus ja muut turvatoimet. Jos kääntömuuntimen ulosmenossa tapahtuu lyhyyskuormavirhe, verkon suojauslaitteet toimivat estääkseen virheen laajentumisen, suojellen kääntömuuntimia ja muita laitteita.
