Hálózathoz csatlakoztatott inverterek működési elvei
I. A hálózathoz csatlakoztatott inverterek működési elvei
A hálózathoz csatlakoztatott inverterek olyan eszközök, amelyek áramot (DC) váltanáramra (AC) alakítanak, és széles körben használják napenergia fotovoltaikus (PV) termelőrendszerben. A működési elvek több aspektust is magukban foglalnak:
Energiaátalakítási folyamat:A napsugár alatt a PV panelekből DC áram keletkezik. Kisebb és közepes méretű hálózathoz csatlakoztatott inverterek esetén gyakran kétstádiumos szerkezetet használnak, ahol a PV panelekből származó DC áram először egy DC/DC konvertorn keresztül halad előzetes átalakításra, majd egy DC/AC konvertorn keresztül AC árammá alakul. A nagyobb inverterek tipikusan egyetlen stádiumos szerkezetet használnak közvetlen átalakításhoz. A működés során az inverter a DC feszültség, áram, valamint a hálózati AC feszültség és áram érzékelésével irányítja a háromfázisú inverter modult. A digitális irányító rendszer PWM (Pulse Width Modulation) meghajtó jeleket generál, így az inverter AC áramot termel, amely frekvenciában és fázisban szinkronizált a hálózattal. Például, amikor a PV panelekből származó DC áram a hálózathoz csatlakoztatott inverterbe kerül, először egy diód (ha a kétstádiumos szerkezet tartalmaz rectifikációs funkciót), amely bármilyen létező AC áramot DC árammá alakít, majd az inverter részének elektronikus komponensein keresztül DC árammá alakul, ami végül otthoni vagy ipari terhelésekre, vagy a hálózatba kerül.
Kulcsfontosságú komponensek és funkcióik:
Rectifier: Egyes szerkezetekben felelős az AC áram DC áramra történő konvertálásáért, garantálva, hogy a következő inverter rész beviteli jelét DC legyen.
Inverter: Ez a központi komponens, amely elektronikus elemeket (mint például a teljesítményes szemilettek) használ a DC áram AC áramra történő konvertálásához.
Vezérlő: A teljes átalakítási folyamatot irányítja, beleértve a bemeneti és kimeneti feszültségek és áramok figyelését, valamint a PWM vezérlőjellel történő beállítást ezek alapján, hogy biztosítsa, a kimeneti AC megfeleljen a szükséges normáknak.
Kimeneti vég: A konvertált AC-t a hálózatra vagy a terhelésre adja ki.
II. A hálózathoz kapcsolt inverter és a hálózat közötti kapcsolat
Energiaszállítás és interakció:A hálózathoz kapcsolt inverter fő feladata, hogy a DC-t AC-ra alakítva csatlakoztassa a hálózathoz, lehetővé téve az energiaszállítást. A napelempark által generált elektromos energiát a hálózatra tudja továbbítani, más felhasználók energiaigényeinek megfelelően. Ebben a folyamatban a hálózat nagy energia tároló és elosztó központként működik, míg a hálózathoz kapcsolt inverter a szóban forgó decentralizált napelemparkok és ezen központ közötti híd. Például a decentralizált napelemparkokban sok háztartás a hálózathoz kapcsolt inverterrel eladja a felesleges energiát a hálózatnak, így kétirányú energiaszállítást valósítanak meg – mind a hálózattól, mind a hálózatra.
A hálózat szempontjából, ahogy egyre több hálózatra csatlakozó inverter integrálódik, a hálózati energia forrásai egyre sokfélebbé válnak. Ez azonban új követelményeket támaszt a hálózati stabilitásra és az energia minőségére.
Irányítás és alkalmazkodás:Jelenleg a hálózatra csatlakozó inverterek két alapvető irányítási módban működnek: áramerősség-irányítás és feszültség-irányítás. Az áramerősség-irányítás módban az inverter célja, hogy az kimeneti áramerősség ellenőrzése legyen, és alkalmazkodnia kell a hálózati feszültség és más paraméterek változásaihoz. Például, gyenge hálózatokban (magas impedanciával, gyenge keretrendszerrel, alacsony tűzésellenséggel) az inverternek erős alkalmazkodó képessége kellene, hogy elkerülje a rezgési jelenségeket, amelyek hibák növekedését okozhatják. Különböző gyártók inverterei különböző algoritmusokat és irányítási mechanizmusokat használnak a hálózati változásokhoz való alkalmazkodáshoz, például intelligens aktív dämping szuppressziós algoritmusokat a gyenge hálózatok rezgési problémáinak kezelésére, és ismétlődő irányítást, dinamikus PI paramétereket, specifikus harmonikus szuppressziót és halott idő kompenzálást.
A feszültség-irányítás módban az inverter célja, hogy a feszültség-irányítást végzesse, és a hálózatra csatlakozó inverter külső jellemvonásai egy irányított feszültségforrásként viselkedjenek, amely képes támogatni a feszültséget és a frekvenciát. Ez különösen alkalmas a magas beépülési arányú megújuló energiaforrások hálózatra csatlakoztatására, ami azt jelenti, hogy az inverter bizonyos mértékig szabályozhatja a hálózat feszültségét és frekvenciáját, hogy stabil működést biztosítsa.
III. Működhetnek a hálózathoz csatlakoztatott inverterek a hálózat nélkül?
Normál körülmények között a működés nem engedélyezett:Az adott szabványok és biztonsági előírások szerint a hálózathoz csatlakoztatott inverterek általában szigetelő eszközökkel vannak felszerelve. Ha a hálózati feszültség nulla, az inverter leáll. Ez azért történik, mert ha az inverter továbbra is működne szünet idején, ez veszélyt jelenthetne a karbantartási személyzet számára. Például, ha a napelempark továbbra is energiát szolgáltat a hálózatnak az inverteren keresztül a szünet idején, könnyen elektromos sokkolást és egyéb biztonsági eseményeket okozhat. Ezért a nemzeti szabványok előírják, hogy a fotovoltaikus hálózathoz csatlakoztatott invertereknek szigetelő észlelési és vezérlő funkcióval kell rendelkezniük, és le kell állniuk, amikor a hálózat nem elérhető.
Működés különleges módosításokkal:Elméletileg, szoftver vagy hardver módosítása nélkül, egy hálózattól független invertert használhatunk arra, hogy "szimulálja" a hálózatot, így a napenergia inverter úgy véli, hogy a hálózat normális, és ezzel áramot tud szolgáltatni ennek a "hálózatnak". Azonban ez a módszer kockázatokkal jár, és nem felel meg a normál biztonsági és szabályozási követelményeknek. Ezenkívül, ha a hálózathoz kapcsolt inverteret módosítják off-grid működésre, például néhány hibrid hálózathoz kapcsolt és hálózattól független inverter esetében, akkor a hálózat leállásakor off-grid üzemmódba léphet. Ez azonban már nem a tiszta hálózathoz kapcsolt inverter funkciója, hanem speciális tervezés és módosítás eredménye.
IV. A hálózathoz kapcsolt inverter működéséhez szükséges alapvető feltételek
Technikai feltételek:
Frekvencia-szinkronizáció: A hálózat frekvenciája legtöbbször 50 Hz vagy 60 Hz. Az inverter által kibocsátott AC frekvencia szinkronizálva kell lennie ezzel. Ez általában olyan technológiák segítségével érhető el, mint a fázis-zárt hurkok (PLL), amelyek biztosítják, hogy az inverter AC frekvenciája egyezzen a hálózat frekvenciájával, egyébként nem tud normálisan működni.
Fázis-szinkronizáció: A frekvencia-szinkronizáció mellett az inverter AC kimenetenek fázisszinkronizálva kell lennie a hálózat feszültségével. A fázis-szinkronizációt kapcsolódó irányítási technológiák segítségével érik el. Csak a fázis-szinkronizációval lehet az inverter kimeneti energiát simán integrálni a hálózatba, anélkül, hogy negatív hatásokat okozna, például teljesítmény-fluktuációkat és csökkenő teljesítményminőséget.
Feszültség-megfeleltetés: Az inverter kimeneti feszültsége meg kell egyezzen a hálózat feszültségével a csatlakozási ponton. Bár az inverterek általában kialakítva vannak, hogy különböző feszültségi szintekhez alkalmazkodjanak, biztonságos határok között kell működjenek. Ha a feszültség nem egyezik, akadályozhatja a normális energiaátvitelt, sőt, károsíthatja az invertert vagy a hálózati berendezéseket is.
Harmonikus korlátozások: A DC-t AC-ra konvertáló folyamat során az inverter harmonikus jeleket generálhat, amelyek hatással lehetnek a hálózatra, például feszültség torzítást okozhatnak és más elektromos berendezések normál működését befolyásolhatják. Ezért az invertereknek bizonyos harmonikus korlátozásokat kell teljesíteniük, hogy garantálják a villamosenergia minőségét. Például az inverter kimeneti áramában nem szabad, hogy legyen egyirányú komponens, és a magasrendű harmonikus jelek minimalizálása szükséges a hálózat szennyezésének elkerülése érdekében.
Reaktív teljesítmény-ellenőrzés: Az inverternek képesnek kell lennie a reaktív teljesítmény kimenetének ellenőrzésére, hogy támogassa a hálózat feszültség-stabilitását. A megújuló energiát nagy arányban használó hálózatokban a reaktív teljesítmény-ellenőrzés különösen fontos. A reaktív teljesítmény ellenőrzésével a hálózat feszültségi szintje szabályozható, ami a hálózat stabilitását és a villamosenergia minőségét javítja.
Szigetelődési hatás védelme: Amikor a hálózat leáll, az inverternek gyorsan le kell választania a hálózattól, hogy megakadályozza, hogy a leválasztott hálózatnak villamosenergiát szolgáltasson, így védve a karbantartási személyzetet. Ez a hálózathoz csatlakoztatott inverterek egyik alapvető biztonsági funkciója.
Biztonsági feltételek:
Elektromos biztonság: A szabályozó és a telepítése megfelelőnek kell lennie a vonatkozó elektromos biztonsági szabványoknak, beleértve az izolációt, a túltöltési védelmet és a rövidzárlatvédelmet. Például a szabályozó elektromos izolációs teljesítménye jónak kell lennie, hogy elkerülje a lecsapást; túltöltés vagy rövidzárlat esetén a szabályozó védő mechanizmusokat kell aktiválnia, hogy megelőzze a berendezések károsodását és a potenciális tűzkitörést.
Védelem: A szabályozónak bizonyos védelmi osztályra van szüksége, hogy ellenálljon környezeti tényezőknek, mint a por és a pára. A külső szabályozóknak általában magasabb védelmi osztályra van szükségük, például IP65. A védelmi osztály garantálja, hogy a szabályozó normálisan működik különböző környezeti feltételek között, és meghosszabbítja élettartamát.
Szabályzatok és szabványok:
Nemzeti és ipari normák: A hálózathoz csatlakoztatott invertereknek meg kell felelniük a nemzeti és iparág-specifikus normáknak, mint például Kínának a GB/T 37408 - 2019 szabványának, amely előírja a napelemparkcsatlakoztatott inverterek technikai követelményeit. Ezek a szabványok több területet is lefednek, beleértve a teljesítményt, a biztonságot és az energia minőségét, garantálva, hogy az inverterek megfelelnek a szabályozásoknak, amikor a hálózaton működnek.
Engedélyek és jóváhagyások: A hálózathoz csatlakoztatott inverterek telepítése és működtetése engedélyeket és jóváhagyásokat igényelhet a villamosenergia szolgáltatótól, hogy biztosítsák, hogy ezek nem ártanak a hálózatnak. A villamosenergia szolgáltató felülvizsgálja az inverter telepítési helyét, kapacitását és technikai paramétereit, és csak a jóváhagyás után lehet az invertert a hálózathoz csatlakoztatni.
Gazdasági tényezők:
Térbeli visszatérülés (ROI): A hálózathoz csatlakoztatott inverzorok felvételére gondolkodó felhasználók vagy cégek kiértékelik az ROI-t, beleértve a kezdeti befektetési költségeket, a működési és karbantartási költségeket, valamint a potenciális támogatási politikákat vagy az áram eladásából származó bevételt. Ha az ROI nem kedvező, ez befolyásolhatja a hálózathoz csatlakoztatott inverzorok felvételi rajongatékát. Például, ha a kezdeti befektetési költség magas, és az áram eladási ára alacsony, anélkül, hogy elegendő támogatási politikák lennének, a befektetőket ez visszaszoríthatja.
Támogatási politikák: Különböző régiókban különböző támogatási politikák lehetnek, amelyek befolyásolhatják a hálózathoz csatlakoztatott inverzorprojekt ekonomikai megvalósíthatóságát. Néhány régió támogatást nyújt a megújuló energiák fejlesztésének ösztönzésére, beleértve az inverzorok vásárlásának és a beáramlási díjaknak a támogatását, ami segít javítani a hálózathoz csatlakoztatott inverzorprojekt ekonomikai előnyeit.
Rendszer kompatibilitása:
Rács kompatibilitása: A szekvenciális átalakító kompatibilisnek kell lennie a meglévő hálózati rendszerrel, beleértve a hálózat szerkezetét, méretét és működési jellemzőit. Különböző hálózati szerkezetek (pl. TT, IT és TN energiarendszerek) és méretek (pl. alacsony- és magasfeszültségű hálózatok) különböző követelményekkel bírnak a szekvenciális átalakítókra, és a szekvenciális átalakítónak képesnek kell lennie alkalmazkodni ezekre a különbségekre, hogy stabil hálózati kapcsolatot lehessen elérni.
Berendezések kompatibilitása: A szekvenciális átalakítónak jól kell egyeznie a csatlakoztatott energia-termelő berendezésekkel (pl. napelemparkok, szélturbínák), hogy hatékony energiaátalakítást lehessen elérni. Például a napelemparkok kimeneti teljesítménye és feszültsége meg kell feleljen a szekvenciális átalakító bemeneti követelményeinek, hogy biztosíthassuk a teljes generációs rendszer hatékonyságát és teljesítményét.
Környezeti tényezők:
Környezeti alkalmazkodás: A invertálónak képesnek kell lennie arra, hogy alkalmazkodjon a telepítési hely környezeti feltételeihez, például a hőmérséklet és a páratartalom szintjéhez, hogy hosszú távú stabil működést biztosítsa. Például magas hőmérsékletű környezetben a invertáló hűtési teljesítménye jól kell, hogy legyen, hogy elkerülje a túlmelegedést okozta károkat; magas páratartalommal rendelkező környezetben a invertálónak szilárdságának kell bírnia, hogy elkerülje a belső áramkörök rövidzártatását.
Környezeti hatás: Az invertáló tervezése és működése figyelembe kell vennie a környezetre gyakorolt hatásokat, például a zaj és az elektromágneses interferencia szintjét. Törekedni kell a zaj minimalizálására az invertáló működése során, hogy elkerülje a zajszennyezést, és az elektromágneses interferenciát is kontrollálni kell, hogy elkerülje más elektronikus eszközök zavarását.
Működés és karbantartás:
Felhasználói felület: A szabályozó egy intuitív felhasználói felületet kell, hogy biztosítson a rendszer állapotának figyelésére és a szükséges beállítások végzésére. Például a felhasználók a felületen keresztül megtekinthetik a szabályozó működési paramétereit (pl. bemeneti/kimeneti feszültség, áram, teljesítmény) és hibajelzési információkat, valamint alapbeállításokat végezhetnek (pl. teljesítménykorlátok, működési mód kiválasztása).
Karbantartási követelmények: A szabályozó karbantartásának könnyűnek, olcsónak és időben meghatározott ciklusok szerintinek kell lennie. Egy könnyen karbantartott szabályozó csökkentheti a karbantartási költségeket és nehézségeket, míg egy ésszerű karbantartási ciklus hosszú távú stabil működést biztosíthat. Például a szabályozó belső szerkezete olyan módon kell, hogy tervezve legyen, hogy megkönnyítse a karbantartó személyzet számára a vizsgálatot, és annak összetevőinek élettartama és cseréjének költségei ésszerűek legyenek.
V. A hálózat szerepe a hálózathoz kapcsolódó szabályozó működésében
Működési referenciát nyújtás:A hálózat feszültsége, frekvenciája és egyéb paraméterei alapvetően referenciastandartot adnak a hálózathoz csatlakoztatott inverterek működéséhez. Az inverternek a hálózat feszültségére és frekvenciájára kell igazítania kimenetét, hogy ezekkel a paraméterekkel megegyezzen. Például az inverter PLL technológiát használ, hogy kimeneti AC-jának frekvenciáját és fázisát a hálózattal szinkronizálja, és a feszültséget illeszkedjen, így biztosítva a zökkenőmentes energiabevitelt a hálózatba. Ha a hálózat nem adná ezt a referenciát, az inverter nem tudná pontosan igazítani kimenetét, és a normál hálózati csatlakozás nem lenne lehetséges.
Energiahordozás és elosztás lehetővé tétele:A hálózat platformot biztosít a hálózathoz csatlakoztatott inverterek által előállított energia hordozásához és elosztásához. Miután az inverter a napelempark által generált AC-t átadja a hálózatnak, a hálózat továbbíthatja ezt az energiát oda, ahol szükség van rá, elérve egy széles körben történő elosztást. Ez lehetővé teszi, hogy a napenergia integrálódjon a szélesebb energiaszolgáltatási rendszerbe, és több felhasználónak is elektromosságot biztosítson. A hálózat mérete és struktúrája befolyásolja az inverter csatlakozási módszereit és működési követelményeit is. Például különböző feszültségű hálózatokban (pl. alacsony- és magasfeszültségű hálózatokban) az inverternek meg kell felelnie a megfelelő bejelentkezési normáknak és technikai követelményeknek, hogy biztonságos és hatékony energiahordozást biztosítsa.
Stabil működés biztosítása:A hálózatban számos energia-termelő és -fogyasztó eszköz van összekapcsolva, amelyek egy nagy energiaszerkezetet alkotnak. Ez a rendszer bizonyos mértékű stabilitást és inerciát mutat, ami segít a hálózathoz csatlakoztatott inverterek stabil működésében. Például, ha egy napelempályarendszer kimeneti ereje ingadozik, a hálózat ezeket az ingadozásokat saját szabályozási mechanizmusai révén (pl. más termelőeszközök kimeneti erejének beállítása) kiegyensúlyozhatja, így csökkentve az inverterre gyakorolt hatást. Emellett a hálózat rövidzárlatvédelmet és más biztonsági funkciókat is biztosít. Ha például a inverter kimenetén rövidzárlat történik, a hálózat védelmi eszközei fellépnek, hogy megakadályozzák a hiba további terjedését, és védjék a invertert és más berendezéseket.
