그리드 연결 인버터의 작동 원칙
I. 그리드 연결 인버터의 작동 원리
그리드 연결 인버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치로, 태양광 발전 시스템에서 널리 사용됩니다. 작동 원리는 여러 가지 측면을 포함합니다:
에너지 변환 과정:태양광 패널은 햇빛을 받아 DC 전기를 생성합니다. 소형 및 중형 그리드 연결 인버터는 종종 두 단계 구조를 사용하여, 태양광 패널로부터 생성된 DC 출력이 먼저 DC/DC 컨버터를 통해 초기 변환되고, 그 다음 DC/AC 컨버터를 통해 AC를 생성합니다. 대형 인버터는 일반적으로 단일 단계 구조를 사용하여 직접 변환합니다. 작동 중에 인버터는 DC 전압, 전류, 그리고 그리드 AC 전압과 전류를 감지하여 3상 인버터 모듈을 제어합니다. 디지털 제어 시스템은 PWM(Pulse Width Modulation) 드라이브 신호를 생성하여 인버터가 그리드와 주파수와 위상이 동기화된 AC를 생성하도록 합니다. 예를 들어, 태양광 패널로부터 생성된 DC 전기가 그리드 연결 인버터에 들어오면, 먼저 정류기(두 단계 구조가 정류 기능을 포함하는 경우)를 통과하여 존재하는 AC를 DC로 변환하고, 그 다음 인버터 섹션의 전자 부품을 통해 DC를 AC로 변환하여 최종적으로 가정이나 산업용 부하 또는 그리드에 공급됩니다.
주요 구성 요소 및 기능:
정류기: 일부 구조에서는 교류를 직류로 변환하여 후속 인버터 부분에 입력되는 전력이 직류가 되도록 합니다.
인버터: 이것은 핵심 구성 요소로, 전자 부품(예: 전력 반도체 소자)을 사용하여 직류를 교류로 변환합니다.
제어기: 입력 및 출력 전압과 전류를 모니터링하고 이러한 매개변수에 따라 PWM 구동 신호를 조정하여 출력 AC가 요구되는 기준을 충족하도록 전체 변환 과정을 제어합니다.
출력 단자: 변환된 AC를 그리드 또는 부하로 출력합니다.
주파수 동기화: 전력망의 주파수는 대부분의 지역에서 50Hz 또는 60Hz입니다. 인버터가 출력하는 교류 주파수는 이와 동기화되어야 합니다. 이는 일반적으로 위상 잠금 루프(PLL)와 같은 기술을 통해 인버터의 교류 주파수가 전력망 주파수와 일치하도록 보장됩니다. 그렇지 않으면 정상적으로 작동할 수 없습니다.
위상 동기화: 주파수 동기화 외에도 인버터의 교류 출력은 전력망 전압과 위상이 동기화되어야 합니다. 위상 동기화는 관련 제어 기술을 통해 이루어집니다. 위상 동기화가 이루어져야만 인버터의 출력 에너지가 전력망에 부드럽게 통합되어 전력 변동이나 전력 품질 저하 등의 부정적인 영향을 피할 수 있습니다.
전압 일치: 인버터의 출력 전압은 연결 지점에서 전력망 전압과 일치해야 합니다. 인버터는 일반적으로 다양한 전압 수준에 적응하도록 설계되지만, 안전한 범위 내에서 작동해야 합니다. 전압이 일치하지 않으면 정상적인 전력 전송이 방해받고, 심지어 인버터나 전력망 장비가 손상될 수도 있습니다.
조화 제한: 직류에서 교류로 변환하는 동안 인버터는 조화를 생성할 수 있으며, 이는 전력망에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 전압 왜곡을 일으키거나 다른 전기 장비의 정상적인 작동을 방해할 수 있습니다. 따라서 인버터는 전력 품질을 보장하기 위해 특정 조화 제한 기준을 충족해야 합니다. 예를 들어, 인버터의 출력 전류에는 직류 성분이 포함되어서는 안 되며, 인버터의 출력 전류 내 고차 조화는 최소화되어야 하며, 이를 통해 전력망을 오염시키지 않아야 합니다.
무효전력 제어: 인버터는 전력망 전압의 안정성을 지원하기 위해 무효전력 출력을 제어할 수 있어야 합니다. 재생 에너지 비율이 높은 전력망에서는 무효전력 제어가 특히 중요합니다. 무효전력을 제어함으로써 전력망의 전압 수준을 조절하여 전력망의 안정성과 전력 품질을 향상시킬 수 있습니다.
섬效应保护: 当电网断电时，逆变器必须迅速从电网断开，以防止其向断开的电网供电，从而保护维护人员。这是并网逆变器的基本安全功能之一。
안전 조건:
전기 안전: 인버터와 그 설치는 절연, 과부하 보호, 단락 보호를 포함한 관련 전기 안전 표준을 준수해야 합니다. 예를 들어, 인버터의 전기 절연 성능은 누전을 방지하기 위해 양호해야 하며, 과부하나 단락이 발생할 경우 인버터는 장비 손상과 잠재적인 화재를 방지하기 위해 보호 메커니즘을 활성화해야 합니다.
보호 등급: 인버터는 먼지와 습기와 같은 환경 요소에 저항하기 위한 일정한 보호 등급이 필요합니다. 야외 인버터는 일반적으로 IP65와 같은 더 높은 보호 등급이 필요합니다. 보호 등급은 인버터가 다양한 환경 조건에서 정상적으로 작동하고 수명을 연장할 수 있도록 보장합니다.
규정 및 표준:
국가 및 산업 표준: 그리드 연결 인버터는 중국의 GB/T 37408 - 2019 표준과 같이 성능, 안전성, 전력 품질 등 여러 측면을 포함하여 PV 그리드 연결 인버터의 기술 요구 사항을 규정하는 국가 및 산업 관련 표준을 준수해야 합니다. 이러한 표준은 인버터가 그리드에서 작동할 때 규정을 충족하도록 보장합니다.
허가 및 승인: 그리드 연결 인버터의 설치 및 운영은 전력 부서로부터 허가와 승인이 필요할 수 있으며, 이는 그리드에 부정적인 영향을 미치지 않도록 하는 것입니다. 전력 부서는 인버터의 설치 위치, 용량, 기술적 매개변수를 검토하고, 승인 후에만 인버터가 그리드에 연결될 수 있습니다.
경제적 요소:
투자 수익률 (ROI): 그리드 연결 인버터를 고려하는 사용자나 회사는 초기 투자 비용, 운영 및 유지보수 비용, 그리고 전기 판매로 얻을 수 있는 잠재적인 정책 보조금이나 수익을 포함하여 ROI를 평가합니다. 만약 ROI가 유리하지 않다면, 그리드 연결 인버터에 대한 열정이 감소할 수 있습니다. 예를 들어, 초기 투자 비용이 높고 전기 판매 가격이 낮으며 충분한 보조금 정책이 없는 경우, 투자자들은 주저할 수 있습니다.
보조금 정책: 다른 지역은 서로 다른 보조금 정책을 가지고 있으며, 이는 그리드 연결 인버터 프로젝트의 경제적 타당성에 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 지역에서는 재생 에너지 개발을 장려하기 위해 인버터 구입 보조금과 피드인 관세와 같은 보조금을 제공하며, 이를 통해 그리드 연결 인버터 프로젝트의 경제적 이익을 향상시킬 수 있습니다.
시스템 호환성:
그리드 호환성: 인버터는 기존 그리드 시스템과 호환되어야 합니다. 이에는 그리드의 구조, 규모 및 운영 특성이 포함됩니다. 서로 다른 그리드 구조 (예: TT, IT, TN 전력 시스템)와 규모 (예: 저전압 및 고전압 그리드)는 인버터에 대한 다양한 요구 사항을 가지며, 인버터는 이러한 차이를 적응하여 안정적인 그리드 연결을 달성해야 합니다.
장비 호환성: 인버터는 연결된 발전 장비 (예: 태양광 패널, 풍력 터빈)와 잘 맞아야 하며 효율적인 전력 변환을 달성해야 합니다. 예를 들어, 태양광 패널의 출력 전력 및 전압은 인버터의 입력 요구 사항과 일치해야 하며, 이를 통해 전체 발전 시스템의 효율성과 성능을 보장할 수 있습니다.
환경 요인:
환경 적응성: 인버터는 설치 장소의 환경 조건에 적응할 수 있어야 하며, 예를 들어 온도와 습도 등을 고려하여 장기적으로 안정적인 작동을 보장해야 합니다. 예를 들어, 높은 온도 환경에서는 인버터의 발열 성능이 좋아야 과열로 인한 손상을 방지할 수 있고, 높은 습도 환경에서는 인버터가 습기에 강해야 내부 회로 단락을 피할 수 있습니다.
환경 영향: 인버터의 설계와 운영은 소음과 전자기 간섭 등 환경에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 인버터 작동 중 발생하는 소음을 최소화하여 소음 오염을 방지하고, 전자기 간섭을 제어하여 다른 전자 기기와의 간섭을 방지해야 합니다.
운영 및 유지보수:
사용자 인터페이스: 인버터는 시스템 상태를 모니터링하고 필요한 설정을 수행할 수 있는 직관적인 사용자 인터페이스를 제공해야 합니다. 예를 들어, 사용자는 인터페이스를 통해 인버터의 작동 매개변수(예: 입력/출력 전압, 전류, 전력) 및 고장 알람 정보를 확인하고 기본 설정(예: 전력 제한, 작동 모드 선택)을 수행할 수 있습니다.
유지 관리 요구사항: 인버터의 유지 관리는 유지 관리의 용이성, 유지 관리 비용, 그리고 유지 관리 주기를 고려해야 합니다. 유지 관리가 쉬운 인버터는 유지 관리 비용과 난이도를 줄일 수 있으며, 합리적인 유지 관리 주기는 장기적으로 안정적인 작동을 보장합니다. 예를 들어, 인버터의 내부 구조는 유지 관리 인원이 점검하기 쉽게 설계되어야 하며, 부품의 수명과 교체 비용은 합리적이어야 합니다.
V. 그리드 연결형 인버터 작동에서의 그리드 역할
운영을 위한 참조 제공:그리드의 전압, 주파수 및 기타 매개변수는 그리드 연결 인버터의 운영에 대한 참조 표준을 제공합니다. 인버터는 그리드의 전압과 주파수를 기반으로 이러한 매개변수와 일치하도록 출력을 조정해야 합니다. 예를 들어, 인버터는 PLL과 같은 기술을 사용하여 출력 AC의 주파수와 위상이 그리드와 동기화되도록 하며, 전압을 일치시켜 전력이 그리드에 부드럽게 통합되도록 합니다. 그리드가 이러한 참조를 제공하지 않으면 인버터는 출력을 정확하게 조정할 수 없으며, 일반적인 그리드 연결은 불가능해집니다.
전력 송배전 가능:그리드는 그리드 연결 인버터로부터 생성된 전력을 송배전하는 플랫폼을 제공합니다. 인버터가 태양광 시스템에서 생성된 교류 전력을 그리드에 공급한 후, 그리드는 이 전력을 필요한 곳으로 전송하여 광범위한 분산을 실현합니다. 이를 통해 태양광 전력이 더 넓은 전력 시스템에 통합되어 더 많은 사용자에게 전기를 제공할 수 있습니다. 그리드의 규모와 구조는 인버터의 연결 방법과 운영 요구 사항에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 다양한 전압 수준의 그리드(예: 저전압 및 고전압 그리드)에서는 인버터가 해당 접근 표준과 기술 요구 사항을 충족하여 안전하고 효율적인 전력 송전을 보장해야 합니다.
안정적인 운영 보장:그리드에서는 수많은 발전 및 소비 장치가 상호 연결되어 큰 전력 시스템을 형성합니다. 이 시스템은 일정한 안정성과 관성을 가지고 있어, 그리드 연계 인버터의 운영을 안정화하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 태양광 시스템의 출력 전력이 변동할 때, 그리드는 자체 조절 메커니즘(예: 다른 발전 장치의 출력 전력 조정)을 통해 이러한 변동을 균형 잡아 인버터에 미치는 영향을 줄입니다. 또한, 그리드는 단락 보호 및 기타 안전 기능을 제공합니다. 인버터 출력에서 단락 고장이 발생하면, 그리드의 보호 장치가 작동하여 고장이 확산되는 것을 방지하고 인버터와 다른 장비를 보호합니다.
II. 그리드 연결 인버터와 그리드 간의 관계
전력 전송 및 상호작용:그리드 연결 인버터의 주요 기능은 DC를 AC로 변환하고 그리드에 연결하여 전력 전송을 가능하게 하는 것입니다. 이는 PV 시스템에서 생성된 전력을 그리드로 공급하여 다른 사용자의 전력 요구를 충족시킵니다. 이 과정에서 그리드는 큰 에너지 저장 및 분배 센터 역할을 하며, 그리드 연결 인버터는 분산형 PV 전력을 이 센터와 연결하는 다리 역할을 합니다. 예를 들어, 분산형 PV 프로젝트에서 많은 가정이 PV 시스템을 통해 남는 전력을 그리드에 판매하여 양방향 전력 흐름—그리드로부터 전력을 수령하고 그리드에 전력을 공급함—을 실현합니다.
그리드의 관점에서 볼 때, 더 많은 그리드 연결 인버터가 통합되면서 전력 공급원이 다양해집니다. 그러나 이는 그리드 안정성과 전력 품질에 새로운 요구사항을 제기합니다.
제어 및 적응:현재, 그리드 연결 인버터는 주로 두 가지 기본 제어 모드인 전류 제어와 전압 제어를 사용하고 있습니다. 전류 제어 모드에서는 인버터가 출력 전류를 제어하려고 하며, 그리드 전압 및 기타 매개변수의 변화에 적응해야 합니다. 예를 들어, 약한 그리드 (높은 임피던스, 약한 구조, 서지 전류에 대한 저항력이 낮음)에서는 인버터가 고임피던스 그리드에 강한 적응성을 가져야 하며, 공진 현상을 피하고 장애 확산을 방지해야 합니다. 다양한 제조사의 인버터는 그리드 변화에 적응하기 위해 다양한 알고리즘과 제어 메커니즘을 사용하며, 예를 들어 약한 그리드에서의 공진 문제를 해결하기 위한 지능형 활성 감쇠 억제 알고리즘, 반복 제어, 동적 PI 매개변수, 특정 고조파 억제, 그리고 데드타임 보상 등의 전략을 사용합니다.
전압 제어 모드에서는 인버터가 전압 제어를 목표로 하며, 그리드 연결 인버터의 외부 특성이 제어된 전압 소스처럼 행동하여 전압 및 주파수 지원을 제공할 수 있습니다. 이것은 특히 재생 가능 에너지의 고도화 그리드 연결에 적합하며, 인버터가 일정 정도로 그리드의 전압과 주파수를 조절하여 안정적인 작동을 유지할 수 있다는 의미입니다.
III. 그리드 연결 인버터가 그리드 없이 작동할 수 있나?
일반적인 상황에서는 작동이 허용되지 않습니다:관련 표준 및 안전 규정에 따르면, 그리드 연결 인버터는 일반적으로 반도시화 장치를 장착하고 있습니다. 그리드 전압이 0일 때, 인버터는 작동을 중단합니다. 이는 전력 공급이 중단된 상태에서 인버터가 계속 작동하면 유지 보수 인원에게 안전 위협을 초래할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 전력 공급이 중단된 상태에서 광발전 시스템이 인버터를 통해 그리드에 계속 전력을 공급하면 전기 충격 등 안전 사고가 발생하기 쉽습니다. 따라서 국가 표준은 PV 그리드 연결 인버터가 도서화 감지 및 제어 기능을 갖추어야 하며, 그리드가 사용 불가능할 때 작동을 중단해야 함을 명시하고 있습니다.
특별한 수정 하의 작동:이론적으로 소프트웨어나 하드웨어를 수정하지 않고 오프그리드 인버터를 사용하여 그리드를 "시뮬레이션"할 수 있습니다. 이렇게 하면 PV 인버터가 그리드가 정상이라고 믿게 되어 이 "그리드"에 전력을 공급하게 됩니다. 그러나 이 방법은 위험을 수반하며 일반적인 안전 및 규제 요구사항을 준수하지 않습니다. 또한 그리드 연결형 인버터가 오프그리드 작동을 가능하게 하는 방식으로 수정되는 경우, 예를 들어 일부 하이브리드 그리드 연계 및 오프그리드 인버터에서는 그리드가 중단될 때 오프그리드 모드로 전환할 수 있습니다. 그러나 이것은 순수한 그리드 연결형 인버터의 기능이 아니라 특별한 설계 및 수정의 결과입니다.
IV. 그리드 연결형 인버터 작동의 필수 조건
기술적 조건:
