Principi di funzionamento degli inverter collegati alla rete
I. Principi di funzionamento degli inverter collegati alla rete
Gli inverter collegati alla rete sono dispositivi che convertono la corrente continua (CC) in corrente alternata (CA) e sono ampiamente utilizzati nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica (PV). I principi di funzionamento coinvolgono diversi aspetti:
Processo di conversione dell'energia:Sotto la luce solare, i pannelli fotovoltaici generano elettricità in corrente continua (CC). Per gli inverter collegati alla rete di piccole e medie dimensioni, viene spesso utilizzata una struttura a due stadi, in cui l'uscita in CC dai pannelli fotovoltaici viene prima convertita attraverso un convertitore DC/DC per una conversione preliminare, e poi attraverso un convertitore DC/CA per produrre CA. Gli inverter di grandi dimensioni utilizzano tipicamente una struttura a un solo stadio per la conversione diretta. Durante l'operazione, l'inverter controlla il modulo inverter trifase rilevando la tensione e la corrente in CC, nonché la tensione e la corrente in CA della rete. Il sistema di controllo digitale genera segnali di pilotaggio PWM (Modulazione di Larghezza d'Impulso), facendo sì che l'inverter produca CA sincronizzato in frequenza e fase con la rete. Ad esempio, quando l'elettricità in CC proveniente dai pannelli fotovoltaici entra nell'inverter collegato alla rete, passa prima attraverso un rettificatore (se la struttura a due stadi include una funzione di rettifica), convertendo qualsiasi corrente alternata presente in corrente continua, e poi attraverso i componenti elettronici della sezione inverter per convertire la CC in CA, che è infine fornita ai carichi domestici o industriali o alimentata nella rete.
Componenti chiave e le loro funzioni:
Raddrizzatore: In alcune strutture, è responsabile della conversione da CA a CC, assicurando che l'ingresso alla parte successiva dell'inverter sia in corrente continua.
Inverter: Questo è il componente centrale, utilizza elementi elettronici (come dispositivi semiconduttori di potenza) per convertire la corrente continua in alternata.
Controllore: Controlla l'intero processo di conversione, compreso il monitoraggio delle tensioni e correnti in ingresso e in uscita, e regola i segnali di pilotaggio PWM in base a questi parametri per garantire che la corrente alternata in uscita rispetti gli standard richiesti.
Terminali di Uscita: Emette la corrente alternata convertita alla rete o al carico.
II. Relazione tra Inverter a Rete e Rete Elettrica
Trasmissione di Potenza e Interazione:La funzione principale dell'inverter a rete è convertire la corrente continua in corrente alternata e connettersi alla rete, abilitando la trasmissione di potenza. Può alimentare l'elettricità generata dal sistema fotovoltaico nella rete, soddisfacendo le esigenze di potenza degli altri utenti. In questo processo, la rete agisce come un grande centro di stoccaggio e distribuzione di energia, e l'inverter a rete serve da ponte che collega la potenza fotovoltaica distribuita a questo centro. Ad esempio, nei progetti fotovoltaici distribuiti, molte famiglie con sistemi fotovoltaici vendono l'eccesso di potenza alla rete tramite inverter a rete, realizzando un flusso di potenza bidirezionale—ricevendo e fornendo potenza alla rete.
Dalla prospettiva della rete, con l'integrazione di sempre più inverter collegati alla rete, le fonti di energia elettrica diventano più diverse. Tuttavia, ciò pone nuove esigenze in termini di stabilità della rete e qualità dell'energia.
Controllo e adattamento:Attualmente, gli inverter collegati alla rete operano principalmente in due modalità di controllo di base: il controllo della corrente e il controllo della tensione. Nella modalità di controllo della corrente, l'inverter mira a controllare la corrente di uscita e deve adattarsi ai cambiamenti nella tensione della rete e in altri parametri. Ad esempio, in reti deboli (alta impedenza, struttura debole, bassa resistenza alle correnti di impulso), l'inverter deve avere una forte capacità di adattamento a reti ad alta impedenza per evitare fenomeni di risonanza che potrebbero portare all'escalation di guasti. Gli inverter di diversi produttori utilizzano vari algoritmi e meccanismi di controllo per adattarsi ai cambiamenti della rete, come algoritmi di smorzamento attivo intelligente per affrontare i problemi di risonanza in reti deboli, e strategie come il controllo ripetitivo, i parametri PI dinamici, la soppressione armonica specifica e la compensazione del tempo morto.
Nella modalità di controllo della tensione, l'inverter mira al controllo della tensione, facendo sì che le caratteristiche esterne dell'inverter collegato alla rete si comportino come una sorgente di tensione controllata, in grado di fornire supporto per la tensione e la frequenza. Questo è particolarmente adatto per connessioni a rete ad alta penetrazione di energie rinnovabili, significando che l'inverter può, fino a un certo punto, regolare la tensione e la frequenza della rete per mantenere l'operatività stabile.
III. Gli Inverter Collegati alla Rete Possono Funzionare Senza la Rete?
In Circostanze Normali, l'Operazione non è Consentita:Secondo gli standard e le norme di sicurezza pertinenti, gli inverter collegati alla rete sono solitamente dotati di dispositivi anti-isolamento. Quando la tensione della rete è zero, l'inverter si fermerà. Questo perché, se l'inverter continua a funzionare durante un'interruzione di corrente, può rappresentare una minaccia per il personale di manutenzione. Ad esempio, se il sistema fotovoltaico continua a fornire energia alla rete attraverso l'inverter durante un'interruzione di corrente, può facilmente causare incidenti come shock elettrici. Pertanto, gli standard nazionali stabiliscono che gli inverter fotovoltaici collegati alla rete devono avere funzioni di rilevamento e controllo dell'isolamento e devono interrompere l'operazione quando la rete non è disponibile.
Operazioni con modifiche speciali:Teoricamente, senza modificare il software o l'hardware, un inverter off-grid potrebbe essere utilizzato per "simulare" una rete, facendo credere all'inverter fotovoltaico che la rete sia normale, consentendogli quindi di fornire energia a questa "rete". Tuttavia, questo metodo comporta rischi e non è conforme ai normali requisiti di sicurezza e regolamentari. Inoltre, se l'inverter a rete viene modificato per abilitare l'operazione off-grid, come in alcuni inverter ibridi a rete e off-grid, può passare alla modalità off-grid quando la rete è interrotta. Tuttavia, ciò non è più una funzione di un puro inverter a rete, ma piuttosto il risultato di un design e modifica speciali.
IV. Condizioni essenziali per l'operazione dell'inverter a rete
Condizioni tecniche:
Sincronizzazione della frequenza: La frequenza della rete è solitamente di 50Hz o 60Hz nella maggior parte delle regioni. La frequenza AC generata dall'inverter deve essere sincronizzata con questa. Questo è generalmente ottenuto attraverso tecnologie come i Circuiti a Loop Fase (PLL) per garantire che la frequenza AC dell'inverter corrisponda alla frequenza della rete, altrimenti non può funzionare normalmente.
Sincronizzazione della fase: Oltre alla sincronizzazione della frequenza, l'uscita AC dell'inverter deve essere sincronizzata in fase con la tensione della rete. La sincronizzazione della fase è ottenuta attraverso tecnologie di controllo correlate. Solo con la sincronizzazione della fase, l'energia prodotta dall'inverter può essere integrata senza problemi nella rete, evitando effetti negativi come fluttuazioni di potenza e riduzione della qualità del potenza.
Abbinamento della tensione: La tensione di uscita dell'inverter deve corrispondere alla tensione della rete nel punto di connessione. Anche se gli inverter sono solitamente progettati per adattarsi a diversi livelli di tensione, devono operare entro limiti sicuri. Se la tensione non corrisponde, può impedire la trasmissione normale dell'energia e persino danneggiare l'inverter o le apparecchiature della rete.
Limitazioni Armoniche: Durante la conversione da corrente continua a corrente alternata, l'inverter può generare armoniche che possono influire sulla rete, causando distorsioni di tensione e interferendo con il funzionamento normale di altre apparecchiature elettriche. Pertanto, gli inverter devono soddisfare determinati standard di limitazione armonica per garantire la qualità dell'energia. Ad esempio, la corrente di uscita dell'inverter non deve contenere una componente continua, e le armoniche di ordine superiore nella corrente di uscita dell'inverter devono essere ridotte al minimo per evitare di inquinare la rete.
Controllo della Potenza Reattiva: L'inverter deve essere in grado di controllare l'uscita di potenza reattiva per supportare la stabilità della tensione della rete. In reti con un'alta proporzione di energia rinnovabile, il controllo della potenza reattiva è particolarmente importante. Controllando la potenza reattiva, si può regolare il livello di tensione della rete, migliorando la stabilità e la qualità dell'energia.
Protezione dall'Effetto Isola: Quando la rete è interrotta, l'inverter deve disconnettersi rapidamente dalla rete per impedire che fornisca energia alla rete disconnessa, proteggendo così il personale di manutenzione. Questo è una delle funzioni di sicurezza essenziali degli inverter collegati alla rete.
Condizioni di Sicurezza:
Sicurezza elettrica: L'inverter e la sua installazione devono conformarsi agli standard di sicurezza elettrica pertinenti, inclusi l'isolamento, la protezione contro il sovraccarico e la protezione contro i cortocircuiti. Ad esempio, le prestazioni di isolamento elettrico dell'inverter devono essere buone per prevenire fughe di corrente; in caso di sovraccarico o cortocircuito, l'inverter dovrebbe attivare meccanismi di protezione per prevenire danni all'equipaggiamento e potenziali incendi.
Classe di protezione: L'inverter ha bisogno di una certa classe di protezione per resistere a fattori ambientali come polvere e umidità. Gli inverter esterni richiedono tipicamente una classe di protezione più elevata, ad esempio IP65. La classe di protezione assicura che l'inverter possa funzionare normalmente in diverse condizioni ambientali e prolunga la sua vita utile.
Regolamenti e standard:
Norme nazionali e settoriali: Gli inverter collegati alla rete devono conformarsi alle norme nazionali e settoriali, come ad esempio la norma cinese GB/T 37408 - 2019, che specifica i requisiti tecnici per gli inverter fotovoltaici collegati alla rete. Queste norme coprono diversi aspetti, inclusa la prestazione, la sicurezza e la qualità dell'energia, garantendo che gli inverter rispettino le regolamentazioni quando operano sulla rete.
Permessi e approvazioni: L'installazione e l'operatività degli inverter collegati alla rete possono richiedere permessi e approvazioni dal dipartimento dell'energia per assicurare che non abbiano effetti negativi sulla rete. Il dipartimento dell'energia esaminerà la posizione di installazione, la capacità e i parametri tecnici dell'inverter, e solo dopo l'approvazione l'inverter potrà essere connesso alla rete.
Fattori economici:
Ritorno sull'investimento (ROI): Gli utenti o le aziende che considerano gli inverter collegati alla rete valuteranno il ROI, compresi i costi di investimento iniziale, le spese operative e di manutenzione e le potenziali sovvenzioni politiche o i ricavi dalla vendita dell'energia elettrica. Se il ROI non è favorevole, ciò può influire sull'entusiasmo per gli inverter collegati alla rete. Ad esempio, se il costo iniziale dell'investimento è elevato e il prezzo di vendita dell'energia elettrica è basso senza sovvenzioni politiche sufficienti, gli investitori potrebbero essere scoraggiati.
Politiche di sovvenzione: Diverse regioni possono avere diverse politiche di sovvenzione, che possono influire sulla fattibilità economica dei progetti di inverter collegati alla rete. Alcune regioni offrono sovvenzioni per incoraggiare lo sviluppo delle energie rinnovabili, incluse sovvenzioni per l'acquisto di inverter e tariffe di rete, che aiutano a migliorare i benefici economici dei progetti di inverter collegati alla rete.
Compatibilità del sistema:
Compatibilità con la rete: L'inverter deve essere compatibile con il sistema di rete esistente, inclusa la struttura, la scala e le caratteristiche operative della rete. Diverse strutture di rete (ad esempio, sistemi elettrici TT, IT e TN) e scale (ad esempio, reti a bassa e alta tensione) hanno requisiti diversi per gli inverter, e l'inverter deve essere in grado di adattarsi a queste differenze per ottenere una connessione stabile alla rete.
Compatibilità con l'equipaggiamento: L'inverter deve essere ben abbinato all'equipaggiamento di generazione di energia collegato (ad esempio, pannelli solari, turbine eoliche) per ottenere un'efficiente conversione dell'energia. Ad esempio, la potenza e la tensione di uscita dei pannelli solari devono corrispondere ai requisiti di ingresso dell'inverter per garantire l'efficienza e le prestazioni dell'intero sistema di generazione.
Fattori ambientali:
Adattabilità Ambientale: L'inverter deve essere in grado di adattarsi alle condizioni ambientali del sito di installazione, come temperatura e umidità, per garantire un funzionamento stabile a lungo termine. Ad esempio, in ambienti a temperature elevate, le prestazioni di dissipazione del calore dell'inverter devono essere buone per prevenire danni dovuti al sovraccarico termico; in ambienti ad alta umidità, l'inverter deve avere proprietà resistenti all'umidità per evitare cortocircuiti interni.
Impatto Ambientale: Il design e il funzionamento dell'inverter devono considerare il suo impatto sull'ambiente, come rumore e interferenza elettromagnetica. Si dovrebbe fare ogni sforzo per minimizzare il rumore generato durante il funzionamento dell'inverter per evitare la contaminazione acustica, e l'interferenza elettromagnetica dovrebbe essere controllata per prevenire l'interferenza con altri dispositivi elettronici.
Operazione e Manutenzione:
Interfaccia utente: L'inverter dovrebbe fornire un'interfaccia utente intuitiva per il monitoraggio dello stato del sistema e l'esecuzione delle impostazioni necessarie. Ad esempio, gli utenti possono visualizzare i parametri operativi dell'inverter (ad esempio, tensione di ingresso/uscita, corrente, potenza) e le informazioni di allarme dei guasti attraverso l'interfaccia, ed eseguire le impostazioni di base (ad esempio, limiti di potenza, selezione della modalità di funzionamento).
Requisiti di manutenzione: La manutenzione dell'inverter deve considerare la facilità di manutenzione, i costi di manutenzione e i cicli di manutenzione. Un inverter facile da mantenere può ridurre i costi e la difficoltà della manutenzione, mentre un ciclo di manutenzione ragionevole può garantire un funzionamento stabile a lungo termine. Ad esempio, la struttura interna dell'inverter dovrebbe essere progettata per facilitare l'ispezione da parte del personale di manutenzione, e la durata e i costi di sostituzione dei suoi componenti dovrebbero essere ragionevoli.
V. Il ruolo della rete nell'operazione dell'inverter a rete
Fornitura di un riferimento per l'operazione:La tensione, la frequenza e altri parametri della rete forniscono uno standard di riferimento per il funzionamento degli inverter collegati alla rete. L'inverter deve regolare la propria uscita in base alla tensione e alla frequenza della rete per adattarsi a questi parametri. Ad esempio, l'inverter utilizza tecnologie come il PLL per sincronizzare la frequenza e la fase della sua uscita AC con la rete e per adattare la tensione, garantendo un'integrazione liscia dell'energia nella rete. Senza i riferimenti forniti dalla rete, l'inverter non sarebbe in grado di regolare accuratamente la propria uscita e la connessione normale alla rete non sarebbe possibile.
Abilitazione della trasmissione e distribuzione dell'energia:La rete fornisce una piattaforma per la trasmissione e la distribuzione dell'energia dagli inverter collegati alla rete. Dopo che l'inverter ha alimentato l'energia AC generata dal sistema fotovoltaico nella rete, la rete può trasmettere questa energia dove è necessaria, raggiungendo una distribuzione diffusa. Ciò permette all'energia fotovoltaica di integrarsi nel più ampio sistema energetico, fornendo elettricità a un maggior numero di utenti. La scala e la struttura della rete influenzano anche i metodi di connessione e i requisiti operativi dell'inverter. Ad esempio, in reti di diversi livelli di tensione (ad esempio, reti a bassa e alta tensione), l'inverter deve soddisfare gli standard di accesso e i requisiti tecnici corrispondenti per garantire una trasmissione sicura ed efficiente dell'energia.
Garantire l'operazione stabile:Nella rete, numerosi dispositivi di generazione e consumo di energia sono interconnessi, formando un grande sistema energetico. Questo sistema ha una certa stabilità e inerzia, che aiuta a stabilizzare l'operazione degli inversori collegati alla rete. Ad esempio, quando la potenza di uscita di un sistema fotovoltaico fluttua, la rete può bilanciare queste fluttuazioni attraverso i propri meccanismi di regolazione (ad esempio, regolando la potenza di uscita di altri dispositivi di generazione), riducendo così l'impatto sull'inversore. Inoltre, la rete fornisce protezione contro i cortocircuiti e altre funzionalità di sicurezza. Se si verifica un guasto di cortocircuito all'uscita dell'inversore, i dispositivi di protezione della rete agiranno per impedire l'escalation del guasto, proteggendo l'inversore e altre apparecchiature.
