Radni principi mrežno povezanih invertera

I. Osnovni principi rada mrežnih invertera

Mrežni inverteri su uređaji koji pretvaraju struju pravog toka (DC) u struju izmjenjivog toka (AC) i široko se koriste u sustavima proizvodnje solarnih fotovoltaičkih (PV) energija. Osnovni principi rada uključuju nekoliko aspekata:

Proces pretvorbe energije:Pod djelovanjem sunčeve svjetlosti, PV paneli generiraju električnu energiju pravog toka (DC). Za male i srednje veličine mrežne invertere, često se koristi dvostupanjasta struktura, gdje je DC izlaz iz PV panela najprije konvertiran kroz DC/DC pretvarač za prednju konverziju, a zatim kroz DC/AC pretvarač kako bi se proizvela AC. Veliki inverteri obično koriste jednostupanjastu strukturu za direktnu konverziju. Tijekom rada, inverter kontrolira modul tri faze invertera otkrivajući DC napon, struja te mrežni AC napon i struja. Digitalni sustav upravljanja generira PWM (Pulse Width Modulation) signale pogona, omogućujući inverteru da proizvede AC koja je sinhronizirana u frekvenciji i fazi s mrežom. Na primjer, kada DC struja iz PV panela stigne do mrežnog invertera, najprije prolazi kroz rektifikator (ako dvostupanjasta struktura uključuje funkciju rektifikacije), pretvarajući bilo kakvu postojeću AC u DC, a zatim kroz elektroničke komponente inverter dijela kako bi se DC pretvorila u AC, koja je na kraju isporučena kućanstvima ili industrijskim opterećenjima ili isporučena u mrežu.

Ključni komponenti i njihove funkcije:

• Rectifier: U nekim strukturama odgovoran je za pretvaranje izmjenjivog toka u jednosmjerni tok kako bi se osiguralo da je ulaz u sljedeći inverter dio jednosmjerni tok.

• Inverter: Ovo je ključna komponenta koja koristi elektroničke elemente (poput poluprovodnih uređaja) za pretvaranje jednosmjernog toka u izmjenjivi tok.

• • Kontroler: Kontrolira cijeli proces pretvorbe, uključujući nadgledanje ulaznih i izlaznih napona i struja, te prilagođavanje PWM upravljačkih signala na temelju tih parametara kako bi se osiguralo da izlazni AC ispunjava potrebne standarde.

  • Izlazni terminal: Izlazi pretvoreni AC na mrežu ili opterećenje.

  II. Odnos između invertora povezanih s mrežom i mreže

  Prijenos snage i interakcija:Primarna funkcija invertora povezanog s mrežom je pretvorba DC u AC i povezivanje s mrežom, omogućujući prijenos snage. Može slati električnu energiju generiranu PV sustavom u mrežu, zadovoljavajući potrebe drugih korisnika. U ovom procesu, mreža djeluje kao veliki centar za pohranjivanje i distribuciju energije, a invertor povezan s mrežom služi kao most koji povezuje distribuiranu PV snagu s tim centrom. Na primjer, u distribuiranim PV projektima, mnoge kućanstva s PV sustavima prodaju prekomjernu energiju mreži putem invertora povezanih s mrežom, ostvarujući dvosmjerni prijenos snage—primanje i dostavljanje snage mreži.

  S perspektive mreže, s uključivanjem više invertora povezanih s mrežom, izvori struje postaju raznolikiji. Međutim, to stavlja i nove zahtjeve na stabilnost mreže i kvalitetu struje.

  Kontrola i prilagodba:Trenutno, invertori povezani s mrežom uglavnom rade u dvije osnovne kontrolne modalitete: kontrola struje i kontrola napona. U modu kontrole struje, inverter pokušava kontrolirati izlaznu struju i mora se prilagoditi promjenama napona mreže i drugih parametara. Na primjer, u slabi mreži (visok impedancija, slaba struktura, niska otpornost na talasne struje), inverter treba imati jaku sposobnost prilagođavanja visokim impedancijama kako bi se spriječili rezonančni pojave koje mogu dovesti do eskalacije grešaka. Različiti proizvođači invertora koriste različite algoritme i mehanizme kontrole da se prilagode promjenama u mreži, poput inteligentnih algoritama aktivne demping supresije za rješavanje problema rezonancije u slabim mrežama, te strategije kao što su repetitivna kontrola, dinamički PI parametri, specifična supresija harmonika i kompenzacija vremena smrti.

  U modu kontrole napona, inverter cilja na kontrolu napona, čime se vanjske karakteristike invertora povezanog s mrežom ponašaju kao kontrolirani izvor napona, sposoban pružanje podrške za napon i frekvenciju. To je posebno prikladno za veće penetracije obnovljivih izvora energije u mrežu, što znači da inverter može, do neke mjere, regulirati napon i frekvenciju mreže kako bi se održala stabilna operacija.

  III. Mogu li mrežno povezani inverteri raditi bez mreže?

  U normalnim okolnostima, rad nije dozvoljen:Prema relevantnim standardima i propisima o sigurnosti, mrežno povezani inverteri obično su opremljeni uređajima za sprječavanje izoliranja. Kada je napon mreže nula, inverter će prestati s radom. To je zato što bi nastavak rada invertera tijekom ispadanja struje mogao predstavljati sigurnosnu prijetnju održavnim osobljima. Na primjer, ako fotovoltački sustav nastavi snabdijevati mrežu električnom energijom kroz inverter tijekom ispadanja struje, to lako može uzrokovati električne udarce i druge sigurnosne incidente. Stoga nacionalni standardi propisuju da fotovoltački mrežno povezani inverteri moraju imati funkcije za otkrivanje i kontrolu izoliranja, te da moraju prestati s radom kada mreža nije dostupna.

  Operacija pod posebnim modifikacijama:Teorijski, bez mijenjanja softvera ili hardvera, mrežni inverter se može koristiti za "simuliranje" mreže, čime se fotovoltački inverter uvjerava da je mreža normalna, omogućujući mu da snabdevuju ovu "mrežu" strujom. Međutim, ovaj postupak nosi rizike i ne odgovara običnim sigurnosnim i regulativnim zahtjevima. Također, ako se mrežni inverter mijenja kako bi omogućio rad izvan mreže, poput nekih hibridnih mrežno povezanih i izvanmrežnih invertera, može preći u način rada izvan mreže kada mreža padne. To više nije funkcija čistog mrežnog invertora, već rezultat posebnog dizajna i modifikacije.

  IV. Bitni uvjeti za rad mrežnog invertora

  Tehnički uvjeti:

  • Sinhronizacija frekvencije: Frekvencija mreže obično iznosi 50 Hz ili 60 Hz u većini regija. AC frekvencija koju inverter proizvodi mora biti sinhronizirana s tom frekvencijom. To se obično postiže korištenjem tehnologija poput faza zaključanih petlji (PLLs) kako bi se osiguralo da se AC frekvencija invertora podudara s frekvencijom mreže, inače ne može normalno raditi.

  • Sinhronizacija faze: Osim sinhronizacije frekvencije, AC izlaz invertora mora biti sinhroniziran i po fazi s napetosti mreže. Sinhronizacija faze postiže se kroz odgovarajuće kontrolne tehnologije. Samo s sinhronizacijom faze može se energija koju inverter proizvodi gladko integrirati u mrežu bez uzrokanja negativnih efekata poput fluktuacija snage i smanjene kvalitete snage.

  • Podudaranje napetosti: Izlazna napetost invertora mora se podudarati s napetosti mreže na točki spoja. Iako su invertori obično dizajnirani da se prilagode različitim nivoima napetosti, mora se osigurati da rade unutar sigurnih granica. Ako napetosti ne podudaraju, to može spriječiti normalnu prenosu snage i čak oštetiti inverter ili opremu mreže.

  • Ograničenja harmonika: Tijekom pretvorbe strujanja iz jednosmjernog u izmjenično, inverter može generirati harmonike, što može utjecati na mrežu, na primjer, uzrokujući distorziju napona i ometajući normalnu radnju drugih električnih uređaja. Stoga inverteri moraju ispunjavati određena ograničenja na harmonike kako bi se osigurala kvaliteta energije. Na primjer, izlazni struja invertera ne smije sadržavati DC komponentu, a visokoredne harmonike u izlaznoj struji invertera moraju biti svedene na minimum kako bi se spriječilo zagađenje mreže.

  • Kontrola reaktivne snage: Inverter mora biti sposoban kontrolirati izlaznu reaktivnu snagu kako bi podržao stabilnost napona u mreži. U mrežama s visokim udjelom obnovljivih izvora energije, kontrola reaktivne snage je posebno važna. Kroz kontrolu reaktivne snage može se regulirati nivo napona u mreži, poboljšavajući stabilnost mreže i kvalitetu energije.

  • Zaštita od efekta otoka: Kada mreža pada, inverter mora brzo odvojiti se od mreže kako bi se spriječilo da opskrbljuje odvojenu mrežu, time zaštitivši održavatelje. Ovo je jedna od ključnih sigurnosnih funkcija inverterskih sustava povezanih s mrežom.

  Sigurnosni uvjeti:

  • Električna sigurnost: Inverzor i njegova instalacija moraju biti u skladu s relevantnim električnim standardima sigurnosti, uključujući izolaciju, zaštitu od preopterećenja i zaštitu od krajnjeg spoja. Na primjer, električne izolacijske performanse inverzora moraju biti dobre kako bi se spriječilo curenje; u slučaju preopterećenja ili krajnog spoja, inverzor treba aktivirati mehanizme zaštite kako bi se spriječila oštećenja opreme i potencijalni požari.

  • Stopa zaštite: Inverzoru je potrebna određena stopa zaštite kako bi otupio okružajne faktore poput prašine i vlage. Vanjski inverzori tipično zahtijevaju višu stopu zaštite, na primjer IP65. Stopa zaštite osigurava da inverzor može normalno raditi u različitim okružajnim uvjetima i proširuje njegov životni vijek.

  Propisi i standardi:

  • Državni i industrijski standardi: Inverzori spojeni na mrežu moraju biti u skladu s državnim i industrijskim standardima, poput kineskog standarda GB/T 37408 - 2019, koji definira tehničke zahtjeve za inverzore spojene na mrežu za fotovoltaiku. Ovi standardi pokrivaju mnoge aspekte, uključujući performanse, sigurnost i kvalitetu struje, osiguravajući da inverzori zadovoljavaju propise prilikom rada na mreži.

  • Dozvole i odobrenja: Instalacija i rad inverzora spojenih na mrežu može zahtijevati dozvole i odobrenja od strane elektrane kako bi se osiguralo da ne utječu negativno na mrežu. Elektrana će pregledati lokaciju instalacije inverzora, kapacitet i tehničke parametre, te tek nakon odobrenja inverzor može biti spojen na mrežu.

  Ekonomski faktori:

  • Povrat investicije (ROI): Korisnici ili tvrtke koje razmatraju povezivanje na mrežu invertora procijenit će ROI, uključujući početne troškove investicija, operativne i održavanje, te potencijalne političke subvencije ili prihod od prodaje struje. Ako ROI nije povoljan, to može utjecati na entuzijazam za povezivanje na mrežu invertora. Na primjer, ako su početni troškovi visoki, a cijena prodaje struje niska bez dovoljnih subvencijskih politika, ulagači mogu biti odvraćeni.

  • Subvencijske politike: Različite regije mogu imati različite subvencijske politike, što može utjecati na ekonomsku isplativost projekata povezivanja na mrežu invertora. Neki područja nude subvencije kako bi potaknuli razvoj obnovljivih izvora energije, uključujući subvencije za kupnju invertora i tarife za prodaju struje, što pomaže u poboljšanju ekonomskih koristi projekata povezivanja na mrežu invertora.

  Kompatibilnost sustava:

  • Kompatibilnost s mrežom: Inverter mora biti kompatibilan s postojećim mrežnim sustavom, uključujući strukturu, veličinu i operativne karakteristike mreže. Različite mrežne strukture (npr. TT, IT i TN električni sustavi) i različite veličine (npr. niskonaponske i visokonaponske mreže) imaju različite zahtjeve za invertere, a inverter mora moći prilagoditi se tim razlikama kako bi se postigla stabilna mrežna veza.

  • Kompatibilnost opreme: Inverter mora dobro odgovarati povezanoj opremi za proizvodnju energije (npr. solarnim panelima, vjetroelektranicama) kako bi se postigla učinkovita pretvorba energije. Na primjer, izlazna snaga i napona solarnih panela moraju odgovarati ulaznim zahtjevima invertora kako bi se osigurala učinkovitost i performanse cijelog sustava proizvodnje.

  Faktori okruženja:

  • Prilagodljivost okolišu: Inverter mora biti u stanju prilagoditi se uvjetima okoliša na mjestu instalacije, poput temperature i vlažnosti, kako bi osigurao dugotrajnu stabilnu radnju. Na primjer, u visokotemperaturnim okruženjima, performanse toplinske disipacije invertora moraju biti dobre kako bi se spriječila oštećenja od previsoke temperature; u okruženjima s visokom vlažnošću, inverter mora imati svojstva otpornosti na vlagu kako bi se izbjegli kraci struja unutar šema.

  • Uticaj na okoliš: Dizajn i rad invertora moraju uzeti u obzir njegov uticaj na okoliš, poput buke i elektromagnetske interferencije. Trebalo bi se potrudit da se smanji buka generirana tokom rada invertora kako bi se izbjegla bučna zagađenja, a elektromagnetska interferencija treba biti kontrolirana kako bi se spriječilo mešanje s drugim elektroničkim uređajima.

  Operacija i održavanje:

  • Korisnički sučelje: Inverzor bi trebao pružiti intuitivno korisničko sučelje za praćenje statusa sustava i izvođenje potrebnih postavki. Na primjer, korisnici mogu pregledavati operativne parametre inverzora (npr. ulazni/izlazni napon, struja, snaga) i informacije o upozorenjima na greške putem sučelja, te obavljati osnovne postavke (npr. ograničenja snage, odabir načina rada).

  • Zahtjevi za održavanjem: Održavanje inverzora mora uzeti u obzir lakoću održavanja, troškove održavanja i cikluse održavanja. Inverzor koji je lako održavati može smanjiti troškove i težinu održavanja, dok razuman ciklus održavanja može osigurati dugotrajnu stabilnu operaciju. Na primjer, unutarnja struktura inverzora trebala bi biti dizajnirana kako bi olakšala inspekciju održavatelja, a vijek trajanja i troškovi zamjene njegovih komponenti trebali bi biti razumni.

  V. Uloga mreže u radu inverzora povezanog s mrežom

  Osiguranje referentnih vrijednosti za operaciju:Napon, frekvencija i drugi parametri mreže pružaju referentni standard za rad invertora spojenih na mrežu. Inverter mora prilagoditi svoj izlaz na temelju napona i frekvencije mreže kako bi se podudarao s tim parametrima. Na primjer, inverter koristi tehnologije poput PLL-a (Phase-Locked Loop) kako bi sinhronizirao frekvenciju i fazu svog izlaznog AC-a s mrežom i podudario napon, osiguravajući gladku integraciju struje u mrežu. Bez mreže koja pruža ove reference, inverter ne bi mogao točno prilagoditi svoj izlaz, a normalna poveznica s mrežom ne bi bila moguća.

  Omogućavanje prijenosa i distribucije energije:Mreža pruža platformu za prijenos i distribuciju energije od invertora spojenih na mrežu. Nakon što inverter unese AC struju generiranu fotovoltaičnim sustavom u mrežu, mreža može prijenositi tu energiju tamo gdje je potrebna, ostvarujući široku distribuciju. To omogućuje integraciju fotovoltaične energije u širi energetski sustav, pružajući električnu energiju većem broju korisnika. Veličina i struktura mreže također utječu na metode povezivanja i operativne zahtjeve invertora. Na primjer, u različitim naponskim razine mreže (npr. niskonaponske i visokonaponske mreže), inverter mora zadovoljavati odgovarajuće pristupne standarde i tehničke zahtjeve kako bi se osigurali sigurni i učinkoviti prijenos energije.

  Osiguranje stabilnog rada:U mreži su povezani mnogi uređaji za proizvodnju i potrošnju električne energije, formirajući veliki energetski sustav. Taj sustav ima određeni stupanj stabilnosti i inercije, što pomaže u stabilizaciji rada invertora spojenih na mrežu. Na primjer, kada se izlazna snaga PV sustava mijenja, mreža može balansirati te fluktuacije putem svojih mehanizama regulacije (npr. prilagođavanjem izlazne snage drugih proizvodnih uređaja), smanjujući utjecaj na inverter. Također, mreža pruža zaštitu od kratkog spoja i druge sigurnosne značajke. Ako dođe do greške kratkog spoja na izlazu invertora, zaštitni uređaji mreže će djelovati kako bi spriječili eskalaciju greške, štitići inverter i ostalo opremu.