Принципы работы сетевых инверторов
I. Принципы работы сетевых инверторов
Сетевые инверторы — это устройства, преобразующие постоянный ток (DC) в переменный ток (AC), и они широко используются в системах солнечной фотоэлектрической (PV) генерации. Принципы работы включают несколько аспектов:
Процесс преобразования энергии: Под воздействием солнечного света панели PV генерируют электричество постоянного тока (DC). Для малых и средних сетевых инверторов часто используется двухступенчатая структура, при которой DC-выход от панелей PV сначала проходит через DC/DC-преобразователь для предварительного преобразования, а затем через DC/AC-преобразователь для производства AC. Большие инверторы обычно используют одноступенчатую структуру для прямого преобразования. В процессе работы инвертор контролирует трехфазный модуль инвертора, обнаруживая DC-напряжение, ток и AC-напряжение и ток сети. Цифровая система управления генерирует сигналы управления широтно-импульсной модуляции (PWM), что позволяет инвертору производить AC, синхронизированный по частоте и фазе с сетью. Например, когда DC-электричество от панелей PV поступает в сетевой инвертор, оно сначала проходит через выпрямитель (если двухступенчатая структура включает функцию выпрямления), преобразуя любое существующее AC в DC, а затем через электронные компоненты инверторной секции, преобразуя DC в AC, который в конечном итоге подается на бытовые или промышленные нагрузки или вводится в сеть.
Ключевые компоненты и их функции:
Преобразователь: В некоторых конструкциях он отвечает за преобразование переменного тока в постоянный, обеспечивая, чтобы входящий сигнал для последующего инвертора был постоянным током.
Инвертор: Это ключевой компонент, использующий электронные элементы (например, полупроводниковые приборы) для преобразования постоянного тока в переменный.
Контроллер: Он управляет всем процессом преобразования, включая мониторинг входных и выходных напряжений и токов, а также корректировку сигналов ШИМ на основе этих параметров, чтобы обеспечить соответствие выходного переменного тока необходимым стандартам.
Выходной терминал: Он выводит преобразованный переменный ток в сеть или нагрузку.
II. Связь между инверторами, подключенными к сети, и сетью
Передача и взаимодействие энергии:Основная функция инвертора, подключенного к сети, заключается в преобразовании постоянного тока в переменный и подключении к сети, что позволяет передавать энергию. Он может подавать электроэнергию, генерируемую системой ПВ, в сеть, удовлетворяя потребности других пользователей. В этом процессе сеть выступает в качестве большого центра хранения и распределения энергии, а инвертор, подключенный к сети, служит мостом, соединяющим распределенную энергию ПВ с этим центром. Например, в распределенных проектах ПВ многие домохозяйства с системами ПВ продают избыточную энергию в сеть через инверторы, подключенные к сети, обеспечивая двунаправленный поток энергии — как получение, так и поставка энергии в сеть.
С точки зрения сети, по мере интеграции все большего числа сетевых инверторов источники энергии становятся более разнообразными. Однако это также предъявляет новые требования к стабильности сети и качеству электроэнергии.
Управление и адаптация:В настоящее время сетевые инверторы в основном работают в двух основных режимах управления: управлении током и управлении напряжением. В режиме управления током инвертор стремится контролировать выходной ток и должен адаптироваться к изменениям сетевого напряжения и других параметров. Например, в слабых сетях (высокое сопротивление, слабая структура, низкая устойчивость к импульсным токам) инвертор должен обладать высокой адаптивностью к сетям с высоким сопротивлением, чтобы избежать резонансных явлений, которые могут привести к эскалации неисправностей. Различные производители инверторов используют различные алгоритмы и механизмы управления для адаптации к изменениям в сети, такие как интеллектуальные алгоритмы активного демпфирования для решения проблем резонанса в слабых сетях, а также стратегии, такие как повторяющееся управление, динамические параметры PI, подавление конкретных гармоник и компенсация времени отключения.
В режиме управления напряжением инвертор стремится к управлению напряжением, делая внешние характеристики сетевого инвертора похожими на управляемый источник напряжения, способный предоставлять поддержку напряжения и частоты. Это особенно подходит для сетей с высокой степенью проникновения возобновляемых источников энергии, что означает, что инвертор может, в определенной степени, регулировать напряжение и частоту сети, чтобы поддерживать стабильную работу.
III. Могут ли инверторы, подключенные к сети, работать без сети?
В обычных условиях работа не допускается:Согласно соответствующим стандартам и правилам безопасности, сетевые инверторы обычно оснащены устройствами защиты от островного режима. Когда напряжение в сети равно нулю, инвертор прекращает работу. Это связано с тем, что если инвертор продолжит работу во время отключения электроэнергии, это может представлять опасность для персонала, выполняющего техническое обслуживание. Например, если фотovoltaическая система продолжит подавать электроэнергию в сеть через инвертор во время отключения, это может привести к поражению электрическим током и другим аварийным ситуациям. Поэтому национальные стандарты требуют, чтобы сетевые инверторы для фотovoltaических систем имели функции обнаружения и контроля островного режима и прекращали работу, когда сеть недоступна.
Операция при особых модификациях:Теоретически, без изменения программного или аппаратного обеспечения, инвертор, работающий в автономном режиме, может быть использован для "симуляции" сети, заставляя фотоэлектрический инвертор думать, что сеть нормальная, тем самым позволяя ему подавать электроэнергию в эту "сеть". Однако этот метод несет риски и не соответствует нормальным требованиям безопасности и регулирования. Кроме того, если сетевой инвертор модифицирован для работы в автономном режиме, как, например, в некоторых гибридных сетевых и автономных инверторах, он может переключиться на автономный режим, когда сеть отключена. Однако это уже не функция чисто сетевого инвертора, а результат специального дизайна и модификации.
IV. Необходимые условия для работы сетевого инвертора
Технические условия:
Синхронизация частоты: Частота сети обычно составляет 50 Гц или 60 Гц в большинстве регионов. Частота переменного тока, вырабатываемая инвертором, должна быть синхронизирована с этой частотой. Это обычно достигается с помощью технологий, таких как фазовые автоподстройки (PLL), чтобы обеспечить соответствие частоты переменного тока инвертора частоте сети, иначе он не сможет нормально работать.
Синхронизация фазы: Помимо синхронизации частоты, выходное напряжение инвертора должно быть также синхронизировано по фазе с напряжением сети. Синхронизация фазы достигается с помощью соответствующих технологий управления. Только при синхронизации фазы энергия, вырабатываемая инвертором, может плавно интегрироваться в сеть без нежелательных эффектов, таких как колебания мощности и снижение качества электроэнергии.
Совпадение напряжений: Выходное напряжение инвертора должно совпадать с напряжением сети в точке подключения. Хотя инверторы обычно разрабатываются для работы с различными уровнями напряжения, они должны обеспечивать работу в безопасных пределах. Если напряжения не совпадают, это может привести к нарушению передачи электроэнергии и даже повреждению инвертора или оборудования сети.
Ограничения по гармоникам: Во время преобразования постоянного тока в переменный инвертор может генерировать гармоники, которые могут влиять на сеть, например, вызывая искажение напряжения и влияя на нормальную работу другого электрического оборудования. Поэтому инверторы должны соответствовать определенным стандартам ограничения гармоник, чтобы обеспечить качество электроэнергии. Например, выходной ток инвертора не должен содержать постоянную составляющую, а высшие гармоники в выходном токе инвертора должны быть минимизированы, чтобы избежать загрязнения сети.
Контроль реактивной мощности: Инвертор должен уметь контролировать выход реактивной мощности, чтобы поддерживать стабильность напряжения в сети. В сетях с высокой долей возобновляемых источников энергии контроль реактивной мощности особенно важен. С помощью контроля реактивной мощности можно регулировать уровень напряжения в сети, повышая ее стабильность и качество электроэнергии.
Защита от эффекта острова: При отключении сети инвертор должен быстро отсоединиться от нее, чтобы предотвратить его питание отключенной сети, тем самым защищая персонал, проводящий обслуживание. Это одна из основных функций безопасности сетевых инверторов.
Условия безопасности:
Электробезопасность: Инвертор и его установка должны соответствовать соответствующим стандартам электробезопасности, включая изоляцию, защиту от перегрузки и короткого замыкания. Например, электроизоляционные характеристики инвертора должны быть хорошими, чтобы предотвратить утечку; в случае перегрузки или короткого замыкания инвертор должен активировать защитные механизмы, чтобы предотвратить повреждение оборудования и возможные пожары.
Степень защиты: Инвертору требуется определенная степень защиты, чтобы противостоять факторам окружающей среды, таким как пыль и влага. Инверторы для наружного использования обычно требуют более высокой степени защиты, например, IP65. Степень защиты обеспечивает нормальную работу инвертора в различных условиях окружающей среды и продлевает срок его службы.
Нормативы и стандарты:
Национальные и отраслевые стандарты: Сетевые инверторы должны соответствовать национальным и отраслевым стандартам, таким как китайский стандарт GB/T 37408 - 2019, который устанавливает технические требования для сетевых инверторов солнечных панелей. Эти стандарты охватывают множество аспектов, включая производительность, безопасность и качество электроэнергии, обеспечивая соответствие инверторов регламентам при работе в сети.
Разрешения и одобрения: Установка и эксплуатация сетевых инверторов могут требовать разрешений и одобрений от энергетического департамента, чтобы гарантировать, что они не оказывают негативного влияния на сеть. Энергетический департамент рассмотрит место установки, мощность и технические параметры инвертора, и только после одобрения инвертор может быть подключен к сети.
Экономические факторы:
Возврат на инвестиции (ROI): Пользователи или компании, рассматривающие сетевые инверторы, оценивают ROI, включая первоначальные затраты на инвестиции, операционные и эксплуатационные расходы, а также потенциальные субсидии или доход от продажи электроэнергии. Если ROI неблагоприятен, это может повлиять на энтузиазм к сетевым инверторам. Например, если первоначальные затраты высоки, а цена продажи электроэнергии низкая без достаточных субсидий, инвесторы могут быть отпугнуты.
Субсидиарные политики: Различные регионы могут иметь различные субсидиарные политики, которые могут влиять на экономическую целесообразность проектов сетевых инверторов. Некоторые регионы предлагают субсидии для поощрения развития возобновляемой энергии, включая субсидии на приобретение инверторов и тарифы на выработанную электроэнергию, что помогает улучшить экономические выгоды проектов сетевых инверторов.
Совместимость системы:
Совместимость с сетью: Инвертор должен быть совместим с существующей системой электросети, включая структуру, масштаб и эксплуатационные характеристики сети. Различные структуры сетей (например, TT, IT и TN системы питания) и масштабы (например, низковольтные и высоковольтные сети) имеют разные требования к инверторам, и инвертор должен быть способен адаптироваться к этим различиям для достижения стабильного подключения к сети.
Совместимость оборудования: Инвертор должен хорошо сочетаться с подключенными генерирующими устройствами (например, солнечными панелями, ветрогенераторами) для эффективного преобразования энергии. Например, выходная мощность и напряжение солнечных панелей должны соответствовать входным требованиям инвертора, чтобы обеспечить эффективность и производительность всей системы генерации.
Факторы окружающей среды:
Адаптивность к окружающей среде: Инвертор должен быть способен адаптироваться к условиям окружающей среды на месте установки, таким как температура и влажность, чтобы обеспечить долгосрочную стабильную работу. Например, в условиях высоких температур тепловыделение инвертора должно быть хорошим, чтобы предотвратить повреждения от перегрева; в условиях высокой влажности инвертор должен обладать влагостойкими свойствами, чтобы избежать короткого замыкания внутренних цепей.
Влияние на окружающую среду: Проектирование и эксплуатация инвертора должны учитывать его влияние на окружающую среду, такое как шум и электромагнитные помехи. Следует стремиться минимизировать шум, возникающий при работе инвертора, чтобы избежать шумового загрязнения, а также контролировать электромагнитные помехи, чтобы предотвратить их воздействие на другие электронные устройства.
Эксплуатация и обслуживание:
Пользовательский интерфейс: Инвертор должен предоставлять интуитивно понятный пользовательский интерфейс для мониторинга состояния системы и выполнения необходимых настроек. Например, пользователи могут просматривать операционные параметры инвертора (например, входное/выходное напряжение, ток, мощность) и информацию о срабатывании аварийных сигналов через интерфейс, а также выполнять базовые настройки (например, ограничение мощности, выбор режима работы).
Требования к обслуживанию: Обслуживание инвертора должно учитывать легкость обслуживания, затраты на обслуживание и циклы обслуживания. Инвертор, который легко обслуживать, может снизить затраты на обслуживание и сложность, в то время как разумный цикл обслуживания может обеспечить долгосрочную стабильную работу. Например, внутренняя структура инвертора должна быть спроектирована таким образом, чтобы облегчить осмотр техническим персоналом, а срок службы и стоимость замены его компонентов должны быть разумными.
V. Роль сети в работе сетевого инвертора
Предоставление эталона для работы:Напряжение, частота и другие параметры сети предоставляют эталонные стандарты для работы инверторов, подключенных к сети. Инвертор должен регулировать свой выход на основе напряжения и частоты сети, чтобы соответствовать этим параметрам. Например, инвертор использует технологии, такие как PLL, для синхронизации частоты и фазы своего выходного переменного тока с сетью и соответствия напряжению, обеспечивая плавное включение электроэнергии в сеть. Без предоставления этих эталонов сетью инвертор не сможет точно регулировать свой выход, и нормальное подключение к сети будет невозможно.
Обеспечение передачи и распределения энергии:Сеть предоставляет платформу для передачи и распределения энергии от инверторов, подключенных к сети. После того, как инвертор подает переменный ток, генерируемый системой PV, в сеть, сеть может передать эту энергию туда, где она нужна, обеспечивая широкое распределение. Это позволяет энергии PV интегрироваться в более широкую систему энергоснабжения, предоставляя электроэнергию большему числу пользователей. Масштаб и структура сети также влияют на методы подключения и операционные требования инвертора. Например, в сетях разных уровней напряжения (например, низковольтных и высоковольтных) инвертор должен соответствовать соответствующим стандартам доступа и техническим требованиям, чтобы обеспечить безопасную и эффективную передачу энергии.
Обеспечение стабильной работы:В сети множество устройств генерации и потребления электроэнергии соединены друг с другом, образуя крупную энергетическую систему. Эта система обладает определенной степенью устойчивости и инертности, что помогает стабилизировать работу подключенных к сети инверторов. Например, когда выходная мощность системы солнечных батарей колеблется, сеть может сбалансировать эти колебания через свои собственные механизмы регулирования (например, изменение выходной мощности других генерирующих устройств), тем самым снижая воздействие на инвертор. Кроме того, сеть обеспечивает защиту от короткого замыкания и другие функции безопасности. Если в выходе инвертора происходит короткое замыкание, устройства защиты сети действуют, чтобы предотвратить распространение неисправности, защищая инвертор и другое оборудование.
