Prinsip Operasi Inverter Tersambung ke Grid
I. Prinsip Operasi Inverter Tersambung ke Grid
Inverter tersambung ke grid adalah peranti yang menukar arus terus (DC) kepada arus ulang-alik (AC) dan digunakan secara meluas dalam sistem penjanaan tenaga fotovoltaik (PV) solar. Prinsip operasi melibatkan beberapa aspek:
Proses Pengubahsuaian Tenaga:Di bawah cahaya matahari, panel PV menghasilkan elektrik DC. Untuk inverter tersambung ke grid bersaiz kecil dan sederhana, struktur dua tahap sering digunakan, di mana output DC dari panel PV pertama-tama ditukar melalui pengubahsuaian DC/DC untuk pengubahsuaian awal, dan kemudian melalui pengubahsuaian DC/AC untuk menghasilkan AC. Inverter besar biasanya menggunakan struktur satu tahap untuk pengubahsuaian langsung. Semasa operasi, inverter mengawal modul inverter tiga fasa dengan mendeteksi voltan DC, arus, dan voltan serta arus AC grid. Sistem kawalan digital menghasilkan isyarat pemanduan PWM (Pulse Width Modulation), membuat inverter menghasilkan AC yang diselaraskan frekuensi dan fasa dengan grid. Sebagai contoh, apabila elektrik DC dari panel PV memasuki inverter tersambung ke grid, ia terlebih dahulu melalui rectifier (jika struktur dua tahap termasuk fungsi rektifikasi), mengubah sebarang AC yang wujud menjadi DC, dan kemudian melalui komponen elektronik bahagian inverter untuk mengubah DC menjadi AC, yang akhirnya disuplai kepada beban rumah tangga atau industri atau disalurkan ke dalam grid.
Komponen Utama dan Fungsi Mereka:
Rectifier: Dalam beberapa struktur, ia bertanggung jawab untuk menukar AC ke DC, memastikan bahawa input ke bahagian inverter seterusnya adalah DC.
Inverter: Ini adalah komponen utama, menggunakan elemen-elemen elektronik (seperti peranti semikonduktor kuasa) untuk menukar DC ke AC.
Pengawal: Ia mengawal seluruh proses penukaran, termasuk memantau voltan dan arus input dan output, serta menyesuaikan isyarat penggerak PWM berdasarkan parameter ini untuk memastikan AC output memenuhi piawaian yang diperlukan.
Terminal Output: Ia mengeluarkan AC yang telah ditukar ke grid atau beban.
II. Hubungan Antara Inverter Sambungan Grid dan Grid
Penghantaran Kuasa dan Interaksi:Fungsi utama inverter sambungan grid adalah untuk menukar DC kepada AC dan menyambungkan ke grid, membolehkan penghantaran kuasa. Ia boleh memberi tenaga yang dihasilkan oleh sistem PV ke dalam grid, memenuhi keperluan tenaga pengguna lain. Dalam proses ini, grid bertindak sebagai pusat penyimpanan dan pengagihan tenaga yang besar, dan inverter sambungan grid berfungsi sebagai jambatan yang menghubungkan tenaga PV teragih ke pusat ini. Sebagai contoh, dalam projek PV teragih, banyak rumah tangga dengan sistem PV menjual tenaga berlebihan ke grid melalui inverter sambungan grid, mencapai aliran kuasa dua hala—menerima dan memberi tenaga ke grid.
Dari sudut pandang grid, semakin banyak inverter yang terhubung ke grid diintegrasikan, sumber tenaga grid menjadi lebih beragam. Namun, ini juga menempatkan tuntutan baru pada stabilitas grid dan kualitas tenaga.
Kawalan dan Penyesuaian:Saat ini, inverter yang terhubung ke grid kebanyakannya beroperasi dalam dua mod kawalan asas: kawalan arus dan kawalan voltan. Dalam mod kawalan arus, inverter bertujuan untuk mengawal arus keluaran dan harus menyesuaikan diri dengan perubahan voltan grid dan parameter lain. Sebagai contoh, dalam grid lemah (impedans tinggi, rangka kerja lemah, ketahanan rendah terhadap arus lonjakan), inverter perlu memiliki adaptabilitas yang kuat terhadap grid impedans tinggi untuk menghindari fenomena resonansi yang dapat menyebabkan eskalasi kesalahan. Inverter dari produsen yang berbeda menggunakan berbagai algoritma dan mekanisme kawalan untuk menyesuaikan diri dengan perubahan grid, seperti algoritma penekanan redaman aktif cerdas untuk mengatasi masalah resonansi dalam grid lemah, dan strategi seperti kawalan berulang, parameter PI dinamis, penekanan harmonik tertentu, dan kompensasi waktu mati.
Dalam mod kawalan voltan, inverter bertujuan untuk mengawal voltan, membuat ciri-ciri luaran inverter yang terhubung ke grid berperilaku sebagai sumber voltan yang dikontrol, mampu memberikan sokongan untuk voltan dan frekuensi. Ini sangat sesuai untuk penghubungan grid energi terbaharu dengan penetrasi tinggi, artinya inverter dapat, sampai taraf tertentu, mengatur voltan dan frekuensi grid untuk menjaga operasi stabil.
III. Adakah Inverter Sambungan Grid Boleh Beroperasi Tanpa Grid?
Dalam Keadaan Biasa, Operasi Tidak Dibenarkan:Menurut piawaian dan peraturan keselamatan yang berkaitan, inverter sambungan grid biasanya dilengkapi dengan peranti anti-pulau. Apabila voltan grid adalah sifar, inverter akan berhenti beroperasi. Ini kerana jika inverter terus beroperasi semasa pemadaman elektrik, ia mungkin membawa ancaman keselamatan kepada pekerja penyelenggaraan. Sebagai contoh, jika sistem PV terus menyediakan tenaga ke grid melalui inverter semasa pemadaman, ia boleh mudah menyebabkan kejutan elektrik dan insiden keselamatan lain. Oleh itu, piawaian nasional menetapkan bahawa inverter sambungan grid PV mesti mempunyai fungsi pengesanan dan kawalan pulau, dan mereka mesti berhenti beroperasi apabila grid tidak tersedia.
Operasi di Bawah Modifikasi Khas:Secara teori, tanpa mengubah perisian atau perkakasan, inverter luar grid boleh digunakan untuk "mensimulasikan" grid, membuat inverter PV percaya bahawa grid itu normal, dengan demikian membolehkannya menyediakan kuasa kepada "grid" ini. Walau bagaimanapun, kaedah ini membawa risiko dan tidak mematuhi keperluan keselamatan dan peraturan yang biasa. Selain itu, jika inverter grid-tied dimodifikasi untuk membolehkan operasi luar grid, seperti dalam beberapa inverter hibrid grid-tied dan luar grid, ia boleh beralih ke mod luar grid apabila grid turun. Namun, ini bukan lagi fungsi inverter grid-tied murni tetapi hasil daripada reka bentuk dan modifikasi khas.
IV. Syarat Penting untuk Operasi Inverter Grid-Tied
Syarat Teknikal:
Penyerentakan Frekuensi: Frekuensi grid biasanya 50Hz atau 60Hz di kebanyakan kawasan. Keluaran frekuensi AC yang dikeluarkan oleh inverter mesti diserentakkan dengan ini. Ini biasanya dicapai melalui teknologi seperti Phase-Locked Loops (PLLs) untuk memastikan frekuensi AC inverter sepadan dengan frekuensi grid, jika tidak, ia tidak dapat beroperasi secara normal.
Penyerentakan Fasa: Selain penyerentakan frekuensi, keluaran AC inverter juga mesti diserentakkan dalam fasa dengan voltan grid. Penyerentakan fasa dicapai melalui teknologi kawalan berkaitan. Hanya dengan penyerentakan fasa, tenaga keluaran inverter boleh diintegrasikan dengan lancar ke dalam grid tanpa menyebabkan kesan buruk seperti fluktuasi kuasa dan penurunan kualiti kuasa.
Pencocokan Voltan: Voltan keluaran inverter mesti sepadan dengan voltan grid pada titik sambungan. Walaupun inverter biasanya direka untuk menyesuaikan diri dengan tahap voltan yang berbeza, ia mesti memastikan operasi dalam had selamat. Jika voltan tidak sepadan, ia mungkin menghalang transmisi kuasa yang normal dan bahkan merosakkan inverter atau peralatan grid.
Had Batasan Harmonik: Semasa penukaran DC ke AC, inverter mungkin menghasilkan harmonik yang boleh mempengaruhi grid, seperti menyebabkan distorsi voltan dan mempengaruhi operasi normal peralatan elektrik lain. Oleh itu, inverter mesti memenuhi piawaian batasan harmonik tertentu untuk memastikan kualiti kuasa. Sebagai contoh, arus output inverter tidak sepatutnya mengandungi komponen DC, dan harmonik tingkat tinggi dalam arus output inverter mesti diminimumkan untuk mengelakkan pencemaran grid.
Kawalan Kuasa Reaktif: Inverter mesti dapat mengawal output kuasa reaktif untuk menyokong kestabilan voltan grid. Dalam grid dengan peratusan tenaga boleh diperbaharui yang tinggi, kawalan kuasa reaktif sangat penting. Dengan mengawal kuasa reaktif, tahap voltan grid boleh diatur, meningkatkan kestabilan grid dan kualiti kuasa.
Perlindungan Efek Pemisahan Pulau: Apabila grid mati, inverter mesti cepat putus dari grid untuk mengelakkan ia daripada mensuplai kuasa kepada grid yang terputus, dengan itu melindungi pekerja pembaikan. Ini adalah salah satu fungsi keselamatan penting inverter yang tersambung ke grid.
Syarat Keselamatan:
Keselamatan Elektrik: Inverter dan pemasangannya mesti mematuhi piawaian keselamatan elektrik yang berkaitan, termasuk pengasingan, perlindungan beban berlebihan, dan perlindungan litar pendek. Sebagai contoh, prestasi pengasingan elektrik inverter mesti baik untuk mengelakkan kebocoran; dalam keadaan beban berlebihan atau litar pendek, inverter harus mengaktifkan mekanisme perlindungan untuk mencegah kerosakan peralatan dan potensi kebakaran.
Rating Perlindungan: Inverter memerlukan rating perlindungan tertentu untuk menolak faktor-faktor persekitaran seperti debu dan kelembapan. Inverter luar biasanya memerlukan rating perlindungan yang lebih tinggi, seperti IP65. Rating perlindungan memastikan bahawa inverter dapat beroperasi secara normal di bawah keadaan persekitaran yang berbeza dan memperpanjang tempoh hidupnya.
Peraturan dan Piawaian:
Standard Nasional dan Industri: Inverter yang terhubung ke grid harus mematuhi standard nasional dan industri, seperti standard China GB/T 37408 - 2019, yang menentukan persyaratan teknis untuk inverter tenaga surya yang terhubung ke grid. Standard ini mencakup berbagai aspek termasuk kinerja, keselamatan, dan kualitas daya, memastikan bahwa inverter memenuhi peraturan saat beroperasi di grid.
Permit dan Persetujuan: Pemasangan dan operasi inverter yang terhubung ke grid mungkin memerlukan permit dan persetujuan dari departemen tenaga listrik untuk memastikan bahwa mereka tidak mempengaruhi negatif grid. Departemen tenaga listrik akan meninjau lokasi pemasangan inverter, kapasitas, dan parameter teknis, dan hanya setelah disetujui, inverter dapat terhubung ke grid.
Faktor Ekonomi:
Pulangan Pelaburan (ROI): Pengguna atau syarikat yang mempertimbangkan inverter berhubung grid akan menilai ROI, termasuk kos pelaburan awal, perbelanjaan operasi dan penyelenggaraan, serta subsidi dasar atau pendapatan daripada penjualan elektrik. Jika ROI tidak menguntungkan, ia mungkin akan mempengaruhi semangat untuk inverter berhubung grid. Sebagai contoh, jika kos pelaburan awal tinggi dan harga jualan elektrik rendah tanpa dasar subsidi yang mencukupi, pelabur mungkin akan terhalang.
Dasar Subsidi: Beberapa kawasan mungkin mempunyai dasar subsidi yang berbeza, yang boleh mempengaruhi kebolehjadian ekonomi projek inverter berhubung grid. Sesetengah kawasan menawarkan subsidi untuk mendorong pembangunan tenaga boleh diperbaharui, termasuk subsidi untuk pembelian inverter dan tarif pengisian, yang membantu meningkatkan manfaat ekonomi projek inverter berhubung grid.
Keserasian Sistem:
Keserasian Grid: Penukar arus mesti sesuai dengan sistem grid sedia ada, termasuk struktur, skala, dan ciri-ciri operasi grid. Struktur grid yang berbeza (contohnya, sistem kuasa TT, IT, dan TN) dan skala (contohnya, grid voltan rendah dan voltan tinggi) mempunyai keperluan yang berbeza untuk penukar arus, dan penukar arus mesti dapat menyesuaikan diri dengan perbezaan ini untuk mencapai sambungan grid yang stabil.
Keserasian Peralatan: Penukar arus mesti sesuai dengan peralatan penjanaan kuasa yang disambungkan (contohnya, panel suria, turbin angin) untuk mencapai pengubahsuaian kuasa yang efisien. Sebagai contoh, kuasa output dan voltan panel suria mesti sesuai dengan keperluan input penukar arus untuk memastikan kecekapan dan prestasi seluruh sistem penjanaan.
Faktor Persekitaran:
Kesesuaian dengan Lingkungan: Inverter mesti dapat menyesuaikan diri dengan keadaan lingkungan di tapak pemasangan, seperti suhu dan kelembapan, untuk memastikan operasi stabil jangka panjang. Sebagai contoh, dalam persekitaran suhu tinggi, prestasi pemecahan haba inverter mesti baik untuk mengelakkan kerosakan akibat terlalu panas; dalam persekitaran kelembapan tinggi, inverter mesti mempunyai sifat tahan lembap untuk mengelakkan pendek litar dalaman.
Impak terhadap Lingkungan: Reka bentuk dan operasi inverter mesti mempertimbangkan impaknya terhadap lingkungan, seperti bunyi dan gangguan elektromagnetik. Usaha harus dilakukan untuk mengurangkan bunyi yang dihasilkan semasa operasi inverter untuk mengelakkan pencemaran bunyi, dan gangguan elektromagnetik harus dikawal untuk mengelakkan gangguan dengan peranti elektronik lain.
Operasi dan Pemeliharaan:
Antara Muka Pengguna: Penukar seharusnya menyediakan antara muka pengguna yang intuitif untuk memantau status sistem dan melakukan tetapan yang diperlukan. Sebagai contoh, pengguna boleh melihat parameter operasi penukar (misalnya, voltan masukan/keluaran, arus, kuasa) dan maklumat isyarat gangguan melalui antara muka, dan melakukan tetapan asas (misalnya, had kuasa, pemilihan mod operasi).
Keperluan Pemeliharaan: Pemeliharaan penukar harus mempertimbangkan kemudahan pemeliharaan, kos pemeliharaan, dan siklus pemeliharaan. Penukar yang mudah dipelihara dapat mengurangi kos dan kesukaran pemeliharaan, sementara siklus pemeliharaan yang wajar dapat memastikan operasi stabil jangka panjang. Sebagai contoh, struktur dalaman penukar harus dirancang untuk memudahkan pemeriksaan oleh petugas pemeliharaan, dan usia pakai serta kos penggantian komponennya harus wajar.
V. Peranan Grid dalam Operasi Penukar Terhubung ke Grid
Memberikan Rujukan untuk Operasi: Voltan, frekuensi, dan parameter lain grid memberikan standard rujukan untuk operasi inverter yang terhubung ke grid. Inverter perlu menyesuaikan outputnya berdasarkan voltan dan frekuensi grid untuk mengikuti parameter tersebut. Sebagai contoh, inverter menggunakan teknologi seperti PLL untuk mensinkronkan frekuensi dan fasa output AC-nya dengan grid dan mengikuti voltan, memastikan integrasi lancar tenaga ke dalam grid. Tanpa grid menyediakan rujukan ini, inverter tidak akan dapat menyesuaikan outputnya dengan tepat, dan hubungan normal ke grid tidak mungkin dilakukan.
Mengaktifkan Penghantaran dan Penyebaran Tenaga: Grid menyediakan platform untuk penghantaran dan penyebaran tenaga dari inverter yang terhubung ke grid. Setelah inverter memberi tenaga AC yang dihasilkan oleh sistem PV ke grid, grid dapat menghantar tenaga ini ke tempat yang diperlukan, mencapai penyebaran yang luas. Ini membolehkan tenaga PV terintegrasi ke dalam sistem tenaga yang lebih luas, menyediakan elektrik kepada lebih banyak pengguna. Skala dan struktur grid juga mempengaruhi cara koneksi inverter dan keperluan operasional. Sebagai contoh, dalam grid dengan tahap voltan yang berbeza (misalnya, grid rendah voltan dan grid tinggi voltan), inverter harus memenuhi standard akses dan keperluan teknikal yang sesuai untuk memastikan penghantaran tenaga yang selamat dan cekap.
Memastikan Operasi yang Stabil:Dalam grid, banyak peranti penghasilan dan penggunaan elektrik saling berhubungan, membentuk sistem kuasa yang besar. Sistem ini mempunyai tahap kestabilan dan inersia tertentu, yang membantu menstabilkan operasi inverter yang terhubung dengan grid. Sebagai contoh, apabila keluaran kuasa sistem PV berfluktuasi, grid boleh menyeimbangkan fluktuasi tersebut melalui mekanisme pengawasan sendiri (contohnya, mengubah keluaran kuasa peranti penghasilan lain), seterusnya mengurangkan kesan kepada inverter. Selain itu, grid menyediakan perlindungan laluan pendek dan ciri-ciri keselamatan lain. Jika terdapat ralat laluan pendek pada output inverter, peranti perlindungan grid akan bertindak untuk mencegah ralat tersebut meningkat, melindungi inverter dan peralatan lain.
