Zasady działania invertorów sieciowych
I. Zasady działania inwerterów sieciowych
Inwertery sieciowe to urządzenia przekształcające prąd stały (DC) w prąd zmienny (AC) i są szeroko stosowane w systemach generacji energii fotowoltaicznej (PV). Zasady działania obejmują kilka aspektów:
Proces konwersji energii:Pod wpływem światła słonecznego panele PV generują prąd stały (DC). W przypadku małych i średnich inwerterów sieciowych często wykorzystywana jest struktura dwuetapowa, gdzie prąd stały z paneli PV jest najpierw przekonwertowany przez konwerter DC/DC na potrzeby wstępnej konwersji, a następnie przez konwerter DC/AC do produkcji prądu zmiennego (AC). Duże inwertery zazwyczaj używają struktury jednoetapowej do bezpośredniej konwersji. Podczas działania inwerter kontroluje moduł inwertera trójfazowego, wykrywając napięcie i prąd DC oraz napięcie i prąd AC sieci. System kontroli cyfrowy generuje sygnały sterujące PWM (Pulse Width Modulation), które sprawiają, że inwerter produkuje prąd zmienny zsynchronizowany pod względem częstotliwości i fazy z siecią. Na przykład, gdy prąd stały z paneli PV wprowadzony jest do inwertera sieciowego, najpierw przechodzi przez prostownik (jeśli struktura dwuetapowa obejmuje funkcję prostowania), przekształcając ewentualny prąd zmienny w prąd stały, a następnie przez elementy elektroniczne sekcji inwertera, przekształcając prąd stały w prąd zmienny, który ostatecznie jest dostarczany do obciążeń gospodarstw domowych lub przemysłowych lub wprowadzany do sieci.
Główne komponenty i ich funkcje:
Prostownik: W niektórych strukturach jest odpowiedzialny za przekształcanie prądu przemiennego w prąd stały, zapewniając, że wejście do kolejnej części inwertera jest prądem stałym.
Inwerter: To jest kluczowy komponent, który używa elementów elektronicznych (takich jak półprzewodnikowe urządzenia mocy) do przekształcania prądu stałego w prąd przemienny.
Regulator: Kontroluje cały proces konwersji, w tym monitorowanie napięć i prądów wejściowych i wyjściowych, oraz dostosowywanie sygnałów sterujących PWM na podstawie tych parametrów, aby zapewnić, że wyjściowe napięcie AC spełnia wymagane standardy.
Wyjście: Wyprowadza przekonwertowane napięcie AC do sieci lub obciążenia.
II. Związek między inwerterami gridowymi a siecią
Przesyłanie energii i interakcja:Podstawową funkcją inwertera gridowego jest konwersja DC na AC i połączenie z siecią, umożliwiając przesyłanie energii. Może on wprowadzać energię elektryczną wygenerowaną przez system fotowoltaiczny do sieci, zaspokajając potrzeby innych użytkowników. W tym procesie sieć działa jako duży centrum magazynowania i dystrybucji energii, a inwerter gridowy pełni rolę mostu łączącego rozproszoną energię fotowoltaiczną z tym centrum. Na przykład, w projektach rozproszonej energii fotowoltaicznej, wiele gospodarstw domowych z systemami fotowoltaicznymi sprzedaje nadmiar energii do sieci poprzez inwertery gridowe, osiągając dwukierunkowy przepływ energii – odbierając i dostarczając energię do sieci.
Z perspektywy sieci, w miarę jak jest zintegrowanych coraz więcej inwerterów podłączonych do sieci, źródła energii elektrycznej stają się bardziej zróżnicowane. Jednak to również stawia nowe wymagania w zakresie stabilności sieci i jakości energii.
Kontrola i adaptacja:Obecnie inwertery podłączone do sieci działają głównie w dwóch podstawowych trybach sterowania: sterowaniu prądem i sterowaniu napięciem. W trybie sterowania prądem, inwerter ma na celu kontrolowanie wyjściowego prądu i musi dostosować się do zmian napięcia sieci i innych parametrów. Na przykład, w słabych sieciach (wysokie impedancje, słabe struktury, niska odporność na impulsy prądowe), inwerter musi mieć silną zdolność adaptacji do sieci o wysokim impedancji, aby uniknąć zjawisk rezonansowych, które mogą prowadzić do eskalacji awarii. Inwertery różnych producentów wykorzystują różne algorytmy i mechanizmy sterowania, aby dostosować się do zmian w sieci, takie jak inteligentne algorytmy tłumienia aktywnego drgań, aby rozwiązać problemy rezonansowe w słabych sieciach, oraz strategie, takie jak sterowanie powtarzalne, dynamiczne parametry PI, specyficzne tłumienie harmoniczne i kompensacja czasu martwego.
W trybie sterowania napięciem, inwerter skupia się na kontroli napięcia, sprawiając, że charakterystyka zewnętrzna inwertera podłączonego do sieci zachowuje się jako źródło sterowanego napięcia, zdolne do zapewnienia wsparcia dla napięcia i częstotliwości. Jest to szczególnie odpowiednie dla połączeń z siecią o wysokiej penetracji odnawialnych źródeł energii, co oznacza, że inwerter może, w pewnym stopniu, regulować napięcie i częstotliwość sieci, aby utrzymać stabilne działanie.
III. Czy inwertery gridowe mogą działać bez sieci?
W normalnych warunkach operacja nie jest dozwolona:Według odpowiednich standardów i przepisów bezpieczeństwa, inwertery gridowe są zwykle wyposażone w urządzenia zapobiegające izolacji. Gdy napięcie sieciowe wynosi zero, inwerter zatrzymuje pracę. To dlatego, że jeśli inwerter kontynuuje pracę podczas awarii prądu, może to stanowić zagrożenie dla personelu serwisowego. Na przykład, jeśli system PV nadal dostarcza energię do sieci przez inwerter podczas awarii, łatwo może to prowadzić do porażenia prądem i innych incydentów bezpieczeństwa. Dlatego国家标准规定，光伏并网逆变器必须具备孤岛检测和控制功能，并且在电网不可用时必须停止运行。 请允许我更正最后一部分的翻译，以确保完全符合波兰语的要求： Dlatego narodowe standardy przewidują, że inwertery gridowe PV muszą posiadać funkcje wykrywania i kontrolowania izolacji, oraz muszą zatrzymać pracę, gdy sieć nie jest dostępna.
Działanie pod specjalnymi modyfikacjami:Teoretycznie, bez modyfikacji oprogramowania lub sprzętu, odgórny inwerter może być używany do "symulowania" sieci, sprawiając, że inwerter fotowoltaiczny wierzy, że sieć jest normalna, co pozwala mu dostarczać energię do tej "sieci". Jednakże ten sposób niesie za sobą ryzyko i nie przestrzega normalnych wymogów bezpieczeństwa i regulacyjnych. Ponadto, jeśli inwerter gridowy zostanie zmodyfikowany, aby umożliwić działanie poza siecią, tak jak w niektórych hybrydowych inwerterach gridowo-poza-gridowymi, może przełączyć się na tryb poza-gridowy, gdy sieć jest niedostępna. To jednak nie jest już funkcja czystego inwertera gridowego, ale wynik specjalnego projektu i modyfikacji.
IV. Podstawowe warunki działania inwertera gridowego
Warunki techniczne:
Synchronizacja częstotliwości: Częstotliwość sieci zazwyczaj wynosi 50Hz lub 60Hz w większości regionów. Wyjście AC z inwertera musi być zsynchronizowane z tą częstotliwością. Jest to zwykle osiągane za pomocą technologii takich jak pętle fazowo zblokowane (PLL), aby zapewnić, że częstotliwość AC inwertera zgadza się z częstotliwością sieci, w przeciwnym razie nie będzie mógł działać prawidłowo.
Synchronizacja fazy: Oprócz synchronizacji częstotliwości, wyjście AC inwertera musi również być zsynchronizowane w fazie z napięciem sieci. Synchronizacja fazy jest osiągana za pomocą odpowiednich technologii sterowania. Tylko przy synchronizacji fazy energia wyjściowa inwertera może być gładko zintegrowana z siecią bez powodowania negatywnych skutków, takich jak fluktuacje mocy i obniżenie jakości energii.
Dopasowanie napięcia: Napięcie wyjściowe inwertera musi odpowiadać napięciu sieci w punkcie połączenia. Choć inwertery są zwykle zaprojektowane do adaptacji do różnych poziomów napięcia, muszą one zapewniać działanie w granicach bezpieczeństwa. Jeśli napięcie nie jest zgodne, może to uniemożliwić normalną transmisję energii i nawet uszkodzić inwerter lub urządzenia sieciowe.
Ograniczenia harmoniczne: Podczas konwersji prądu stałego na zmienny, inwerter może generować harmoniczne, które mogą wpływać na sieć, powodując np. zniekształcenia napięcia i wpływając na prawidłowe działanie innych urządzeń elektrycznych. Dlatego inwertery muszą spełniać określone standardy ograniczeń harmonicznych, aby zapewnić jakość energii. Na przykład, prąd wyjściowy inwertera nie powinien zawierać składowej stałooprądowej, a wysokie harmoniczne w prądzie wyjściowym inwertera muszą być zminimalizowane, aby uniknąć zanieczyszczenia sieci.
Kontrola mocy biernych: Inwerter musi być w stanie kontrolować moc bierną, aby wspierać stabilność napięcia w sieci. W sieciach o wysokim udziale energii odnawialnej, kontrola mocy biernych jest szczególnie ważna. Poprzez kontrolę mocy biernych, można regulować poziom napięcia w sieci, co zwiększa stabilność i jakość energii.
Ochrona przed efektem wyspy: Gdy sieć jest wyłączone, inwerter musi szybko odłączyć się od sieci, aby zapobiec dostarczaniu energii do odłączonej sieci, chroniąc tym samym personel serwisowy. Jest to jedna z kluczowych funkcji bezpieczeństwa inwerterów podłączonych do sieci.
Warunki bezpieczeństwa:
Bezpieczeństwo elektryczne: Inwerter i jego instalacja muszą być zgodne z odpowiednimi standardami bezpieczeństwa elektrycznego, w tym izolacji, ochrony przed przeciążeniem i ochrony przed przepalaniem. Na przykład, wydajność izolacji elektrycznej inwertora musi być dobra, aby zapobiegać przeciekom; w przypadku przeciążenia lub przepalenia, inwerter powinien aktywować mechanizmy ochronne, aby zapobiec uszkodzeniu sprzętu i potencjalnym pożarom.
Klasa ochronna: Inwerter wymaga określonej klasy ochronnej, aby odpierać czynniki środowiskowe, takie jak kurz i wilgoć. Inwertery zewnętrzne zazwyczaj wymagają wyższej klasy ochronnej, takiej jak IP65. Klasa ochronna zapewnia, że inwerter może działać normalnie w różnych warunkach środowiskowych i przedłuża jego żywotność.
Regulacje i standardy:
Standardy krajowe i branżowe: Inwertery sieciowe muszą przestrzegać standardów krajowych i branżowych, takich jak chiński standard GB/T 37408 - 2019, który określa wymagania techniczne dla inwerterów fotowoltaicznych podłączonych do sieci. Te standardy obejmują wiele aspektów, w tym wydajność, bezpieczeństwo i jakość energii, zapewniając, że inwertery spełniają przepisy podczas działania w sieci.
Zezwolenia i zatwierdzenia: Instalacja i eksploatacja inwerterów sieciowych mogą wymagać zezwoleń i zatwierdzeń od działu energetycznego, aby upewnić się, że nie mają one negatywnego wpływu na sieć. Dział energetyczny przeanalizuje lokalizację, pojemność i parametry techniczne inwertera, a dopiero po zatwierdzeniu inwerter może być podłączony do sieci.
Czynniki ekonomiczne:
Zwrot z inwestycji (ROI): Użytkownicy lub firmy rozważające invertory sieciowe oceniają ROI, w tym koszty początkowej inwestycji, koszty operacyjne i utrzymania oraz potencjalne dotacje polityczne lub przychody ze sprzedaży energii elektrycznej. Jeśli ROI nie jest korzystny, może to wpłynąć na entuzjazm dla inwerterów sieciowych. Na przykład, jeśli koszt początkowej inwestycji jest wysoki, a cena sprzedaży energii elektrycznej jest niska bez wystarczających polityk dotacyjnych, inwestorzy mogą być odstraszani.
Polityki dotacyjne: Różne regiony mogą mieć różne polityki dotacyjne, które mogą wpływać na ekonomiczną wykonalność projektów inwerterów sieciowych. Niektóre regiony oferują dotacje, aby zachęcić do rozwoju odnawialnych źródeł energii, w tym dotacje na zakup inwerterów i taryfy za sprzedawanie energii, co pomaga poprawić korzyści ekonomiczne projektów inwerterów sieciowych.
Kompatybilność systemu:
Zgodność z siecią: Inwerter musi być zgodny z istniejącym systemem sieciowym, w tym strukturą, skalą i cechami operacyjnymi sieci. Różne struktury sieci (np. systemy TT, IT i TN) oraz skale (np. niskonapiętowe i wysokonapiętowe sieci) mają różne wymagania dla inwenterów, a inwerter musi być w stanie dostosować się do tych różnic, aby osiągnąć stabilne połączenie z siecią.
Zgodność z urządzeniami: Inwerter musi dobrze współdziałać z podłączonym sprzętem generującym energię (np. panelami słonecznymi, turbinami wiatrowymi), aby osiągnąć efektywną konwersję energii. Na przykład moc wyjściowa i napięcie paneli słonecznych muszą pasować do wymagań wejściowych inwentera, aby zapewnić efektywność i wydajność całego systemu generacji.
Czynniki środowiskowe:
Przystosowanie do środowiska: Inwerter musi być w stanie dostosować się do warunków środowiskowych miejsca instalacji, takich jak temperatura i wilgotność, aby zapewnić długotrwałą stabilną pracę. Na przykład, w środowiskach o wysokich temperaturach, wydajność odprowadzania ciepła przez inwerter musi być dobra, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym nadmiernym nagrzewaniem; w środowiskach o wysokiej wilgotności, inwerter musi posiadać właściwości odporności na wilgoć, aby uniknąć zwarcia wewnętrznych obwodów.
Wpływ na środowisko: Projektowanie i działanie inwertera muszą brać pod uwagę jego wpływ na środowisko, takie jak hałas i zakłócenia elektromagnetyczne. Należy podejmować wysiłki, aby zminimalizować hałas generowany podczas działania inwertera, aby uniknąć zanieczyszczenia akustycznego, a zakłócenia elektromagnetyczne powinny być kontrolowane, aby zapobiec zakłócaniu innych urządzeń elektronicznych.
Eksploatacja i konserwacja:
Interfejs użytkownika: Inwerter powinien dostarczać intuicyjny interfejs użytkownika do monitorowania statusu systemu i wykonywania niezbędnych ustawień. Na przykład użytkownicy mogą wyświetlać parametry operacyjne inwertora (np. napięcie wejściowe/wyjściowe, prąd, moc) oraz informacje o alarmach awarii przez interfejs, a także wykonywać podstawowe ustawienia (np. ograniczenia mocy, wybór trybu pracy).
Wymagania dotyczące konserwacji: Konserwacja inwertora musi uwzględniać łatwość konserwacji, koszty konserwacji oraz cykle konserwacji. Inwerter łatwy w konserwacji może zmniejszyć koszty i trudność konserwacji, a rozsądny cykl konserwacji może zapewnić długoterminową stabilną pracę. Na przykład, wewnętrzna struktura inwertora powinna być zaprojektowana tak, aby ułatwić inspekcję przez personel konserwacyjny, a czas życia i koszty zastąpienia jego komponentów powinny być rozsądne.
V. Rola sieci w działaniu inwertora podłączonego do sieci
Dostarczanie odniesienia dla operacji: Napięcie, częstotliwość i inne parametry sieci dostarczają odniesienia standardowe dla działania inwerterów podłączonych do sieci. Inwerter musi dostosować swoje wyjście na podstawie napięcia i częstotliwości sieci, aby dopasować te parametry. Na przykład inwerter używa technologii takich jak PLL, aby zsynchronizować częstotliwość i fazę swojego wyjścia AC z siecią i dopasować napięcie, zapewniając płynne integracja energii do sieci. Bez sieci dostarczającej te odniesienia inwerter nie mógłby precyzyjnie dostosować swojego wyjścia, a normalne podłączenie do sieci byłoby niemożliwe.
Wspieranie transmisji i dystrybucji energii: Sieć dostarcza platformę do transmisji i dystrybucji energii z inwerterów podłączonych do sieci. Po wprowadzeniu prądu AC wygenerowanego przez system PV do sieci, sieć może przesyłać tę energię tam, gdzie jest potrzebna, osiągając szeroką dystrybucję. Pozwala to na integrację energii PV w szerszym systemie energetycznym, dostarczając energię elektryczną większej liczbie użytkowników. Skala i struktura sieci również wpływają na metody podłączenia i wymagania operacyjne inwertera. Na przykład, w różnych sieciach o różnym poziomie napięcia (np. sieci niskiego i wysokiego napięcia), inwerter musi spełniać odpowiednie standardy dostępu i wymagania techniczne, aby zapewnić bezpieczne i efektywne przesyłanie energii.
Zapewnianie stabilnej pracy:W sieci wielu urządzeń produkujących i zużywających energię elektryczną jest ze sobą połączonych, tworząc dużą system energetyczny. Ten system ma pewien stopień stabilności i bezwładności, co pomaga w stabilizacji pracy inwerterów podłączonych do sieci. Na przykład, gdy moc wyjściowa systemu fotowoltaicznego ulega wahaniom, sieć może zrównoważyć te wahania za pomocą własnych mechanizmów regulacji (np. dostosowanie mocy wyjściowej innych urządzeń produkujących energię), co zmniejsza wpływ na inwerter. Ponadto sieć zapewnia ochronę przed zwarciami i inne funkcje bezpieczeństwa. W przypadku wystąpienia zwarcia na wyjściu inwertera, urządzenia ochronne sieci interweniują, aby zapobiec eskalacji awarii, chroniąc inwerter i inne sprzęty.
