Werkingsprincipes van grid-gekoppelde omvormers
I. Werkingsprincipes van netwerkverbonden omvormers
Netwerkverbonden omvormers zijn apparaten die gelijkstroom (DC) omzetten naar wisselstroom (AC) en worden breed gebruikt in zonnepanelen (PV) energieopwekkingssystemen. De werkingsprincipes omvatten verschillende aspecten:
Energieconversieproces: Onder zonlicht genereren PV-panelen gelijkstroom (DC). Voor kleine en middelgrote netwerkverbonden omvormers wordt vaak een twee-stapsstructuur gebruikt, waarbij de DC-output van de PV-panelen eerst wordt omgezet via een DC/DC-converter voor een voorlopige conversie, en vervolgens via een DC/AC-converter om AC te produceren. Grote omvormers gebruiken meestal een een-stapsstructuur voor directe conversie. Tijdens het werken controleert de omvormer het driefase omvormermodul door de detectie van DC-spanning, stroom en netwerk AC-spanning en stroom. Het digitale besturingssysteem genereert PWM (Pulse Width Modulation) aandrijfsignalen, waardoor de omvormer AC produceert dat synchroon is in frequentie en fase met het netwerk. Bijvoorbeeld, wanneer de DC-stroom van de PV-panelen het netwerkverbonden omvormer binnenkomt, gaat deze eerst door een rectifier (als de twee-stapsstructuur een rechtfunctie bevat), die eventuele aanwezige AC omzet naar DC, en vervolgens door de elektronische componenten van het omvormer gedeelte om DC om te zetten naar AC, dat uiteindelijk wordt geleverd aan huishoudelijke of industriële belastingen of wordt ingevoerd in het netwerk.
Belangrijke componenten en hun functies:
Gelijkrichter: In sommige structuren is het verantwoordelijk voor het omzetten van wisselstroom naar gelijkstroom, waardoor wordt gewaarborgd dat de invoer voor het volgende invertergedeelte gelijkstroom is.
Inverter: Dit is het kerncomponent, dat gebruik maakt van elektronische elementen (zoals krachtig halvegeleiderapparatuur) om gelijkstroom om te zetten in wisselstroom.
Regelaar: Hij controleert het hele conversieproces, inclusief het monitoren van de ingangs- en uitgangsspanningen en -stromen, en past de PWM-aanstuursignalen aan op basis van deze parameters om ervoor te zorgen dat de uitgangs AC voldoet aan de vereiste normen.
Uitgangsterminal: Het geeft de geconverteerde AC uit naar het net of de belasting.
II. Relatie tussen netwerkverbonden omvormers en het net
Energieoverdracht en interactie:De primaire functie van een netwerkverbonden omvormer is DC om te zetten in AC en te verbinden met het net, waardoor energieoverdracht mogelijk wordt. Het kan de elektriciteit die door het PV-systeem wordt opgewekt, aan het net toevoeren en zo voldoen aan de energiebehoeften van andere gebruikers. Tijdens dit proces fungeert het net als een groot energieopslag- en distributiecentrum, en de netwerkverbonden omvormer dient als brug tussen gedistribueerde PV-energie en dit centrum. Bijvoorbeeld, in gedistribueerde PV-projecten verkopen veel huishoudens met PV-systemen overtollige energie aan het net via netwerkverbonden omvormers, waardoor er bidirectionele energiestroom tot stand komt – zowel ontvangen als leveren van energie aan het net.
Vanuit het perspectief van het netwerk, neemt de diversiteit van energiebronnen toe naarmate er meer netwerkverbonden omvormers worden geïntegreerd. Dit stelt echter ook nieuwe eisen aan de stabiliteit en kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening.
Regeling en Aanpassing:Huidigelijk opereren netwerkverbonden omvormers voornamelijk in twee basisregelmodi: stroomregeling en spanningregeling. In de stroomregelmodus probeert de omvormer de uitvoerstroom te regelen en moet zich aanpassen aan veranderingen in de netwerkspanning en andere parameters. Bijvoorbeeld, in zwakke netwerken (hoog impedantie, zwak raamwerk, lage weerstand tegen stroompieken) moet de omvormer een sterke aanpassingsvermogen hebben aan hoog-impedantie-netwerken om resonantieverschijnselen te voorkomen die kunnen leiden tot foutescalatie. Verschillende fabrikanten gebruiken verschillende algoritmen en regelmechanismen om zich aan te passen aan netwerkveranderingen, zoals intelligente actieve dempingssuppressiealgoritmen om resonantieproblemen in zwakke netwerken te behandelen, en strategieën zoals herhaalde regeling, dynamische PI-parameters, specifieke harmonische onderdrukking en dead-time compensatie.
In de spanningregelmodus richt de omvormer zich op spanningregeling, waardoor de externe kenmerken van de netwerkverbonden omvormer zich gedragen als een gecontroleerde spanningbron, in staat om ondersteuning te bieden voor spanning en frequentie. Dit is bijzonder geschikt voor aansluitingen met hoge penetratie van hernieuwbare energie, wat betekent dat de omvormer de spanning en frequentie van het netwerk tot op zekere hoogte kan reguleren om stabiel functioneren te waarborgen.
III. Kunnen grid-verbonden omvormers werken zonder het net?
Onder normale omstandigheden is werking niet toegestaan:Volgens relevante normen en veiligheidsvoorschriften zijn grid-verbonden omvormers meestal uitgerust met anti-eilandapparatuur. Wanneer de netspanning nul is, stopt de omvormer met werken. Dit komt omdat als de omvormer tijdens een stroomonderbreking blijft werken, dit een veiligheidsrisico kan vormen voor onderhoudspersoneel. Bijvoorbeeld, als het PV-systeem tijdens een stroomonderbreking door de omvormer voortdurend energie blijft leveren aan het net, kan dit gemakkelijk leiden tot elektrische schokken en andere veiligheidsincidenten. Daarom bepalen nationale normen dat PV-grid-verbonden omvormers over eilanddetectie- en controlefuncties moeten beschikken en moeten stoppen met werken wanneer het net niet beschikbaar is.
Bewerking onder speciale modificaties:Theoretisch zou een off-grid inverter zonder software- of hardwaremodificaties kunnen worden gebruikt om een "grid" te "simuleren", waardoor de PV-inverter gelooft dat het grid normaal is, zodat deze stroom kan leveren aan dit "grid". Deze methode brengt echter risico's met zich mee en voldoet niet aan normale veiligheids- en regelgevingsvereisten. Bovendien, als de grid-verbonden inverter wordt gewijzigd om off-grid operatie mogelijk te maken, zoals bij sommige hybride grid-tied en off-grid inverters, kan deze overschakelen naar off-grid modus wanneer het grid uitvalt. Dit is echter niet langer een functie van een pure grid-verbonden inverter, maar het resultaat van speciale ontwerp en modificatie.
IV. Essentiële voorwaarden voor de werking van een grid-verbonden inverter
Technische voorwaarden:
Frequentie-synchronisatie: De netfrequentie is meestal 50 Hz of 60 Hz in de meeste regio's. De AC-frequentie die door de omvormer wordt uitgevoerd, moet worden gesynchroniseerd met deze frequentie. Dit wordt meestal bereikt door middel van technologieën zoals Phase-Locked Loops (PLLs) om ervoor te zorgen dat de AC-frequentie van de omvormer overeenkomt met de netfrequentie, anders kan het niet normaal functioneren.
Fase-synchronisatie: Naast frequentie-synchronisatie moet de AC-uitvoer van de omvormer ook op fase worden gesynchroniseerd met de netspanning. Fase-synchronisatie wordt bereikt door middel van gerelateerde controletechnologieën. Alleen met fase-synchronisatie kan de energie-uitvoer van de omvormer soepel worden geïntegreerd in het net zonder nadelige effecten zoals vermogensschommelingen en een afname van de kwaliteit van de stroom.
Spanningsmatch: De uitvoerspanning van de omvormer moet overeenkomen met de netspanning op het aansluitpunt. Hoewel omvormers meestal zijn ontworpen om zich aan te passen aan verschillende spanningniveaus, moet het operationeel blijven binnen veilige grenzen. Als de spanningen niet overeenkomen, kan dit normale energieoverdracht verhinderen en zelfs de omvormer of netwerkinfrastructuur beschadigen.
Harmonische beperkingen: Tijdens de conversie van gelijkstroom naar wisselstroom kan de inverter harmonischen genereren, die de netwerk kunnen beïnvloeden, zoals spanningsvervorming veroorzaken en de normale werking van andere elektrische apparatuur beïnvloeden. Daarom moeten inverters aan bepaalde harmonische beperkingsnormen voldoen om de kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening te waarborgen. Bijvoorbeeld, de uitgangsstroom van de inverter mag geen gelijkstroomcomponent bevatten, en hoge orde harmonischen in de uitgangsstroom van de inverter moeten worden geminimaliseerd om verontreiniging van het netwerk te voorkomen.
Regeling van reactieve vermogen: De inverter moet in staat zijn om de uitvoer van reactief vermogen te regelen om de spanning van het netwerk te ondersteunen. In netwerken met een hoog percentage hernieuwbare energie is de regeling van reactief vermogen bijzonder belangrijk. Door reactief vermogen te regelen, kan het spanningniveau van het netwerk worden gereguleerd, waardoor de stabiliteit en de kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening worden verbeterd.
Bescherming tegen eilandeffect: Wanneer het netwerk uitvalt, moet de inverter zich snel van het netwerk loskoppelen om te voorkomen dat het stroom levert aan het afgekoppelde netwerk, waarmee het onderhoudspersoneel wordt beschermd. Dit is een van de essentiële veiligheidsfuncties van netwerkverbonden inverters.
Veiligheidsvoorwaarden:
Elektrische veiligheid: De omvormer en de installatie moeten voldoen aan relevante elektrische veiligheidsnormen, waaronder isolatie, overbelastingsbeveiliging en kortsluitingsbeveiliging. Bijvoorbeeld, de elektrische isolatieprestaties van de omvormer moeten goed zijn om lekkage te voorkomen; bij overbelasting of kortsluiting moet de omvormer beschermingsmechanismen activeren om schade aan apparatuur en potentiële branden te voorkomen.
Beveiligingsklasse: De omvormer heeft een bepaalde beveiligingsklasse nodig om milieufactoren zoals stof en vocht te weerstaan. Omvormers voor buiten gebruik hebben meestal een hogere beveiligingsklasse nodig, zoals IP65. De beveiligingsklasse zorgt ervoor dat de omvormer normaal kan functioneren onder verschillende omgevingsomstandigheden en verlengt de levensduur.
Regelgeving en normen:
Nationale en sectorstandaarden: Netwerkverbonden omvormers moeten voldoen aan nationale en sectorgerelateerde standaarden, zoals de Chinese GB/T 37408 - 2019-standaard, die technische eisen stelt voor PV-netwerkverbonden omvormers. Deze standaarden bestrijken meerdere aspecten, waaronder prestaties, veiligheid en elektriciteitskwaliteit, en zorgen ervoor dat omvormers voldoen aan de regelgeving wanneer ze op het netwerksysteem werken.
Vergunningen en goedkeuringen: De installatie en exploitatie van netwerkverbonden omvormers kunnen vergunningen en goedkeuringen vereisen van de energiedienst om te waarborgen dat ze het netwerksysteem niet negatief beïnvloeden. De energiedienst zal de installatieplaats, capaciteit en technische parameters van de omvormer controleren, en pas na goedkeuring kan de omvormer worden aangesloten op het netwerksysteem.
Economische factoren:
Rente van de investering (ROI): Gebruikers of bedrijven die overwegen om netverbonden omvormers te gebruiken, zullen de ROI evalueren, inclusief de initiële investeringskosten, operationele en onderhoudskosten, en potentiele beleidssubsidies of inkomsten uit elektriciteitsverkoop. Als de ROI ongunstig is, kan dit de enthousiasme voor netverbonden omvormers beïnvloeden. Bijvoorbeeld, als de initiële investeringskosten hoog zijn en de verkoopprijs van elektriciteit laag is zonder voldoende subsidiebeleid, kunnen investeerders worden afgeschrikt.
Subsidiebeleid: Verschillende regio's kunnen verschillend subsidiebeleid hebben, wat de economische haalbaarheid van projecten met netverbonden omvormers kan beïnvloeden. Sommige regio's bieden subsidies aan om de ontwikkeling van hernieuwbare energie te stimuleren, waaronder subsidies voor de aankoop van omvormers en inkooptarieven, wat de economische voordelen van projecten met netverbonden omvormers kan verbeteren.
Systeemcompatibiliteit:
Netwerkcompatibiliteit: De inverter moet compatibel zijn met het bestaande netwerksysteem, inclusief de structuur, schaal en operationele kenmerken van het netwerk. Verschillende netwerkstructuren (bijv. TT, IT en TN stroomsystemen) en schalen (bijv. laagspannings- en hoogspanningsnetwerken) hebben verschillende eisen voor inverters, en de inverter moet in staat zijn om zich aan deze verschillen aan te passen om een stabiele netwerkverbinding te bereiken.
Apparatuurcompatibiliteit: De inverter moet goed overeenkomen met de verbonden opwekkingsapparatuur (bijv. zonnepanelen, windturbines) om efficiënte energieomzetting te bereiken. Bijvoorbeeld, de uitvoerkracht en spanning van zonnepanelen moeten overeenkomen met de ingangseisen van de inverter om de efficiëntie en prestaties van het gehele generatiesysteem te waarborgen.
Milieu factoren:
Aanpassingsvermogen aan de omgeving: De inverter moet zich kunnen aanpassen aan de omstandigheden van de installatieplaats, zoals temperatuur en vochtigheid, om een langdurige stabiele werking te garanderen. Bijvoorbeeld, in omgevingen met hoge temperaturen moet de warmteafvoerprestatie van de inverter goed zijn om oververhitting te voorkomen; in omgevingen met hoge luchtvochtigheid moet de inverter bestand zijn tegen vocht om interne kortsluitingen te voorkomen.
Milieuimpact: Het ontwerp en de werking van de inverter moeten rekening houden met de impact op het milieu, zoals geluid en elektromagnetische interferentie. Er moet worden gestreefd naar het minimaliseren van het geluid dat tijdens de werking van de inverter wordt geproduceerd om geluidsoverlast te voorkomen, en elektromagnetische interferentie moet worden gecontroleerd om storingen met andere elektronische apparaten te voorkomen.
Bediening en onderhoud:
Gebruikersinterface: De inverter moet een intuïtieve gebruikersinterface bieden voor het bewaken van de systeemstatus en het uitvoeren van noodzakelijke instellingen. Bijvoorbeeld, gebruikers kunnen via de interface de werkingssparameters van de inverter (bijv. ingangs/uitgangsspanning, stroom, vermogen) en foutmeldingen bekijken, en basisinstellingen uitvoeren (bijv. vermogenslimieten, selectie van bedrijfsmodus).
Onderhoudsvereisten: Het onderhoud van de inverter moet rekening houden met gemakkelijk onderhoud, onderhoudskosten en onderhoudscyclus. Een inverter die eenvoudig te onderhouden is, kan de onderhoudskosten en moeilijkheid verlagen, terwijl een redelijke onderhoudscyclus de langdurige stabiele werking kan waarborgen. Bijvoorbeeld, de interne structuur van de inverter moet zodanig zijn ontworpen dat inspectie door onderhoudspersoneel vergemakkelijkt wordt, en de levensduur en vervangingskosten van de componenten moeten redelijk zijn.
V. De rol van het netwerk in de werking van een grid-gekoppelde inverter
Referentie bieden voor bedrijfsvoering:De spanning, frequentie en andere parameters van het elektriciteitsnet vormen een referentienorm voor de werking van netgekoppelde omvormers. De omvormer moet zijn uitvoer aanpassen op basis van de spanning en frequentie van het elektriciteitsnet om deze parameters te matchen. Bijvoorbeeld, gebruikt de omvormer technologieën zoals PLL om de frequentie en fase van zijn uitvoer AC te synchroniseren met het elektriciteitsnet en de spanning te matchen, waardoor een soepele integratie van energie in het elektriciteitsnet wordt verzekerd. Zonder dat het elektriciteitsnet deze referenties biedt, zou de omvormer niet in staat zijn om zijn uitvoer nauwkeurig aan te passen, en zou normale netverbinding niet mogelijk zijn.
Energieoverdracht en -verdeling mogelijk maken:Het elektriciteitsnet biedt een platform voor de overdracht en verdeling van energie van netgekoppelde omvormers. Naarmate de omvormer de door het PV-systeem gegenereerde wisselstroom in het elektriciteitsnet voert, kan het elektriciteitsnet deze energie naar waar nodig transporteren, wat een brede verdeling mogelijk maakt. Dit stelt PV-energie in staat om zich te integreren in het bredere energiesysteem, zodat meer gebruikers van elektriciteit kunnen profiteren. De schaal en structuur van het elektriciteitsnet beïnvloeden ook de aansluitmethoden en operationele eisen van de omvormer. Bijvoorbeeld, in verschillende spanningniveau-netten (bijv., laagspannings- en hoogspanningsnetten), moet de omvormer de bijbehorende toegangsstandaarden en technische eisen voldoen om veilige en efficiënte energieoverdracht te garanderen.
Garantie voor stabiele werking:In het netwerk zijn tal van energieproductie- en consumptieapparaten met elkaar verbonden, waardoor een groot energiesysteem wordt gevormd. Dit systeem heeft een bepaalde mate van stabiliteit en traagheid, wat helpt bij het stabiliseren van de werking van netwerkinverteers. Bijvoorbeeld, wanneer de uitvoerkracht van een PV-systeem fluctueert, kan het netwerk deze fluctuaties door eigen regelmechanismen (bijv. aanpassing van de krachtuitvoer van andere productieapparaten) balanceren, waardoor de impact op de inverter wordt verminderd. Bovendien biedt het netwerk kortsluitbeveiliging en andere veiligheidsfuncties. Als er een kortsluitfout optreedt aan de uitvoer van de inverter, zullen de beschermingsapparaten van het netwerk ingrijpen om te voorkomen dat de fout verergert, waarmee de inverter en andere apparatuur beschermd worden.
