Delovni načini mrežnih inverterjev
I. Delovanje omrežnih inverterjev
Omrežni inverterji so naprave, ki pretvarjajo enosmeren tok (DC) v izmenični tok (AC) in se široko uporabljajo v sistemih za proizvodnjo električne energije iz sončne fotovoltaične (PV) energije. Načelo delovanja vključuje več vidikov:
Postopek pretvorbe energije:Pod suncanjem generirajo PV panele enosmerno električno energijo. Za majhne in srednje velike omrežne inverterje se pogosto uporablja dvostopenjska struktura, kjer je najprej DC izhod iz PV panelov konvertiran skozi DC/DC pretvornik za predhodno pretvorbo, nato pa skozi DC/AC pretvornik za proizvodnjo AC. Veliki inverterji običajno uporabljajo enostopenjsko strukturo za neposredni prehod. Med delovanjem inverter nadzira tri-fazni inverter modul z detekcijo DC napetosti, toka in omrežne AC napetosti in toka. Digitalni kontrolni sistem ustvari PWM (Pulse Width Modulation) gonilne signale, s čimer inverter proizvede AC, ki je sinhroniziran v frekvenci in faznem pomiku z omrežjem. Na primer, ko DC električna energija iz PV panelov vstopi v omrežni inverter, najprej prehaja skozi rektifikator (če dvostopenjska struktura vključuje funkcijo rektifikacije), ki pretvori obstoječi AC v DC, nato pa skozi elektronske komponente inverterja, ki pretvarjajo DC v AC, ki je na koncu oskrbljen domačim ali industrijskim obremenitvam ali vnesen v omrežje.
Ključne komponente in njihove funkcije:
Rectifikator: V nekaterih strukturah je odgovoren za pretvarjanje stikala v enosmerno stikalo, zato, da je vhod v naslednji inverzni del enosmerna napetost.
Inverzor: To je ključna komponenta, ki uporablja elektronske elemente (na primer močne polprevodniške naprave) za pretvorbo enosmernega stikala v stikalo.
Krmilnik: Nadzira celoten proces pretvorbe, vključno z nadzorom vhodnih in izhodnih napetosti in tokov ter prilagajanjem PWM pogonskih signalov na podlagi teh parametrov, da zagotovi, da izhodni nihanji ustrezajo zahtevanim standardom.
Izhodna terminala: Izhaja pretvorjeni nihanji v omrežje ali opto.
II. Odnos med povezanimi inverterji in omrežjem
Prenos energije in interakcija:Primarna funkcija povezanega inverterja je pretvorba DC v AC in povezava s strmo, kar omogoča prenos energije. Lahko pretvarja električno energijo, ki jo proizvede fotovoltaični sistem, v omrežje, s čimer zadosti potrebam drugih uporabnikov. V tem procesu omrežje deluje kot veliko skladišče in distribucijski center, povezani inverterji pa služijo kot most, ki povezuje distribuirano fotovoltaično energijo s tem centrom. Na primer, v distribuiranih fotovoltaičnih projektih mnogi domačinstva z fotovoltaičnimi sistemi prodajajo presežek energije v omrežje preko povezanih inverterjev, kar omogoča dvosmerno pretok energije – sprejemanje in oddajanje energije v omrežje.
S perspektive omrežja se z integracijo več povezanih inverterjev raznolikost virov električne energije v omrežju poveča. Toda to tudi postavlja nove zahteve glede stabilnosti omrežja in kakovosti energije.
Kontrola in prilagajanje:Trenutno delujejo povezani inverterji predvsem v dveh osnovnih načinih kontrole: kontroli toka in kontroli napetosti. V načinu kontrole toka inverter poskuša nadzirati izhodni tok in mora prilagajati spremembam napetosti v omrežju in drugim parametrov. Na primer, v šibkih omrežjih (visok opornost, šibko okvirje, nizka odpornost na strmi tok) mora inverter imeti močno prilagajljivost do visoko-opornih omrežij, da se izogni resonančnim pojavom, ki bi lahko vodili do eskalacije težav. Različni proizvajalci inverterjev uporabljajo različne algoritme in mehanizme kontrole, da se prilagajajo spremembam v omrežju, kot so inteligentni algoritmi aktivne dušenje za reševanje resonančnih težav v šibkih omrežjih, ter strategije, kot so ponavljajoča kontrola, dinamični PI parametri, specifična dušenje harmonskih valov in kompenzacija mrtvega časa.
V načinu kontrole napetosti inverter cilja na kontroliranje napetosti, kar povezuje zunanje lastnosti povezanega inverterja s kontrolo napetosti, ki je sposoben zagotavljati podporo za napetost in frekvenco. To je posebej primerno za visoko penetracijo obnovljivih virov energije v omrežje, kar pomeni, da inverter lahko do določene mere regulira napetost in frekvenco v omrežju, da ohranja stabilno delovanje.
III. Lahko omrežni inverter deluje brez omrežja?
Pod normalnimi pogoji delovanje ni dovoljeno:Skupaj s relevantnimi standardi in varnostnimi predpisi so omrežni inverterji običajno opremljeni z napravami za preprečevanje izolacije. Ko je omrežna napetost enaka nič, se inverter ustavi. To je zaradi tega, ker bi nadaljnje delovanje inverterja med odrezom struje lahko predstavljalo varnostno tveganje za osebje, ki opravlja vzdrževanje. Na primer, če bi fotovoltne naprave še naprej oskrbevale omrežje s strujejo skozi inverter med odrezom, bi to lahko povzročilo električne udarce in druge varnostne incidente. Zato določajo nacionalni standardi, da morajo fotovoltne omrežni inverterji imeti funkcije za zaznavanje in nadzor izolacije in se morajo ustaviti, ko omrežje ni na voljo.
Operacija pod posebnimi spremembami:Teoretično bi brez sprememb programskega ali strojnega opreme lahko uporabili omrežni inverter, da "simulira" omrežje, s tem da bi fotonaponski inverter verjel, da je omrežje normalno, kar bi mu omogočilo oskrbovanje z električno energijo tega "omrežja". Vendar ta metoda nese tveganja in ne ustrezata običajnim varnostnim in regulativnim zahtevam. Dodatno, če je omrežni inverter spremenjen, da omogoča delovanje brez omrežja, kot v nekaterih hibridnih omrežnih in brezomrežnih inverterjih, se lahko preklopi na način brez omrežja, ko omrežje odpade. To pa ni več funkcija čistega omrežnega inverterja, ampak rezultat posebne izdelave in spremembe.
IV. Pogojni pogoji za delovanje omrežnega inverterja
Tehnični pogoji:
Sinhronizacija frekvence: Frekvenca omrežja je običajno 50 Hz ali 60 Hz v večini regij. AC frekvenca, ki jo izdaja inverter, mora biti sinhronizirana s to. To se običajno doseže z uporabo tehnologij, kot so fazno zaklenjene zanke (PLL), da se zagotovi, da se AC frekvenca inverterskega enota ujema z omrežno frekvenco, sicer ne more pravilno delovati.
Sinhronizacija faze: Oključno s sinhronizacijo frekvence mora tudi AC izhod inverterskega enote biti sinhroniziran s fazo napetosti v omrežju. Sinhronizacija faze je dosežena s pomočjo sorodnih kontrolnih tehnologij. Samo z sinhronizacijo faze lahko izhodna energija inverterskega enota gladko vstopi v omrežje brez neprijetnih posledic, kot so nihanja moči in zmanjšanje kakovosti moči.
Ujemanje napetosti: Izhodna napetost inverterskega enota mora biti usklajena s napetostjo v omrežju na točki priključitve. Čeprav so inverterski enoti običajno zasnovani, da se prilagajajo različnim ravnavam napetosti, mora zagotoviti delovanje znotraj varnih mej. Če napetosti ne ujemata, to lahko prepreči normalno prenos moči in celo poškoduje inverterski enota ali opremo v omrežju.
Omejitve harmonik: Med pretvorbo enosmerne struje v dvostransko struja lahko inverter ustvari harmonike, ki lahko vplivajo na omrežje, na primer s povzročanjem nihanja napetosti in vplivanjem na normalno delovanje druge električne opreme. Zato mora inverter izpolnjevati določene standarde omejitev harmonik, da zagotovi kakovost energije. Na primer, izhodni tok inverterskega toka ne sme vsebovati enosmernega komponenta, in visoko-redne harmonike v izhodnem toku inverterskega toka morajo biti zmanjšane, da se prepreči onesnaževanje omrežja.
Kontrola reaktivne moči: Inverter mora biti sposoben nadzirati izhod reaktivne moči, da podpre stabilnost napetosti v omrežju. V omrežjih z visokim deležem obnovljive energije je kontrola reaktivne moči posebej pomembna. S kontrolo reaktivne moči je mogoče regulirati ravni napetosti v omrežju, kar poveča stabilnost in kakovost energije.
Zaščita pred ustanovljenostjo: Ko je omrežje padlo, mora inverter hitro odskleniti od omrežja, da prepreči, da bi poskrbel za oskrbovalo izključeno omrežje, tako varuje odrasle osebje. To je eden od ključnih varnostnih funkcij omrežno povezanih inverterjev.
Varnostne pogoji:
Električna varnost: Invertor in njegova namestitev morata ustrezati ustreznim standardom električne varnosti, vključno z izolacijo, zaščito pred preobremenitvijo in zaščito pred krajkim stikom. Na primer, izolacijske lastnosti invertorja morajo biti dobre, da se prepreči uhajanje toka; v primeru preobremenitve ali kratkega stika naj se aktivirajo mehanizmi zaščite, da se prepreči poškodba opreme in morebitni požar.
Stopnja zaščite: Invertor potrebuje določeno stopnjo zaščite za upiranje okoljskim dejavnikom, kot sta prah in vlaga. Invertorji za uporabo v prostem zraku običajno zahtevajo višjo stopnjo zaščite, na primer IP65. Stopnja zaščite zagotavlja, da lahko invertor normalno deluje v različnih okoljskih pogojih in podaljša njegovo življenjsko dobo.
Predpisi in standardi:
Državni in industrijski standardi: Povezani inverterji morajo izpolnjevati državne in industrijske standarde, kot je na primer kitajski standard GB/T 37408 - 2019, ki določa tehnične zahteve za fotovoltaične povezane inverterje. Ti standardi zajemajo več vidikov, vključno z zmogljivostjo, varnostjo in kakovostjo električne energije, s tem zagotavljajo, da inverterji izpolnjujejo predpise med delovanjem na omrežju.
Dovoljenja in odobritve: Namestitev in delovanje povezanih inverterjev morda zahtevata dovoljenja in odobritve od energetskega sektorja, da se zagotovi, da ne bodo negativno vplivali na omrežje. Energetski sektor bo pregledal lokacijo namestitve, zmogljivost in tehnične parametre inverterja, in le po odobritvi se lahko inverter poveže z omrežjem.
Gospodarski dejavniki:
Vrnitev naložbe (ROI): Uporabniki ali podjetja, ki razmišljajo o povezavi s prenosnim omrežjem z uporabo inverterjev, ocenjujejo ROI, vključno z začetnimi stroški naložbe, operativnimi in vzdrževalnimi stroški ter potencialnimi političnimi subvencijami ali dohodki iz prodaje električne energije. Če je ROI neugoden, to lahko vpliva na navdušenost za povezavo s prenosnim omrežjem z uporabo inverterjev. Na primer, če so začetni stroški naložbe visoki in cena prodaje električne energije nizka brez zadostnih subvencijskih politik, lahko investitorji odstopijo.
Subvencijske politike: Različni regiji imajo različne subvencijske politike, ki lahko vplivajo na gospodarsko možnost projektov povezave s prenosnim omrežjem z uporabo inverterjev. Nekateri regiji ponujajo subvencije za spodbujanje razvoja obnovljive energije, vključno z subvencijami za nakup inverterjev in tarife za pretok, ki pomagajo izboljšati gospodarske koristi projektov povezave s prenosnim omrežjem z uporabo inverterjev.
Skladnost sistema:
Skladnost z omrežjem: Inverzor mora biti združljiv s obstoječim omrežnim sistemom, vključno z strukturo, merilom in operativnimi značilnostmi omrežja. Različne strukture omrežja (npr. TT, IT in TN električni sistemi) in mere (npr. nizkonapetostna in visokonapetostna omrežja) imajo različne zahteve za inverzore, in inverzor mora biti sposoben se prilagoditi tem razlikam, da doseže stabilno povezavo z omrežjem.
Skladnost z opremo: Inverzor mora biti dobro usklajen z priključeno opremo za proizvodnjo energije (npr. fotovoltaični paneli, vetrne turbine), da doseže učinkovito pretvarjanje energije. Na primer, izhodna moč in napetost fotovoltaičnih panelov morata ustrezati vhodnim zahtevam inverzora, da se zagotovi učinkovitost in delovanje celotnega sistema proizvodnje energije.
Okoljski faktorji:
Prilagodljivost okolju: Inverter mora biti sposoben se prilagoditi okoljskim pogoji na mestu namestitve, kot so temperatura in vlaga, da zagotovi dolgoročno stabilno delovanje. Na primer, v visokotemperaturnih okoljih mora inverter imeti dobro odvajanje toplote, da se prepreči poškodba zaradi preseganja temperature; v okoljih z visoko vlago mora inverter imeti lastnosti odpornosti na vlago, da se izogne notranjim krajcem.
Vpliv na okolje: Oblikovanje in delovanje inverterja mora upoštevati njegov vpliv na okolje, kot sta šum in elektromagnetska motnja. Naporov se mora posvetiti minimalizaciji šuma, ki ga generira inverter med delovanjem, da se izogne onesnaževanju s šumom, in elektromagnetska motnja mora biti pod nadzorom, da se prepreči motnja drugih elektronskih naprav.
Delovanje in vzdrževanje:
Uporabniški vmesnik: Inverter mora zagotavljati intuitivno uporabniško vmesnik za nadzor stanja sistema in izvajanje potrebnih nastavitev. Na primer, uporabniki lahko preko vmesnika ogledajo operacijske parametre inverterja (npr. vhodno/izhodno napetost, tok, moč) in informacije o napakah, ter izvajajo osnovne nastavitve (npr. omejitve moči, izbira načina delovanja).
Zahteve za vzdrževanje: Vzdrževanje inverterja mora upoštevati lahkost vzdrževanja, stroške vzdrževanja in cikle vzdrževanja. Inverter, ki je lahek za vzdrževanje, lahko zmanjša stroške in težave vzdrževanja, medtem ko razumen cikel vzdrževanja lahko zagotovi dolgoročno stabilno delovanje. Na primer, notranja struktura inverterja bi morala biti zasnovana tako, da omogoča preglednost ob čiščenju, življenjska doba komponent in stroški njihove zamenjave pa bi morali biti razumni.
V. Vloga omrežja pri delovanju povezanega inverterja
Opravilje za delovanje:Napetost, frekvenca in drugi parametri omrežja ponujajo referenčne standarde za delovanje povezanih inverterjev. Inverter mora prilagoditi svojo izhodno napetost in frekvenco glede na stanje v omrežju, da se ujemajo z njimi. Na primer, inverter uporablja tehnologije, kot je fazno zaprti krog (PLL), za sinhronizacijo frekvence in faze svojega izhodnega stromovnicega toka z omrežjem in prilagajanje napetosti, kar zagotavlja gladko integracijo energije v omrežje. Če bi omrežje tega referenčnega okvira ne dalo, inverter ne bi mogel natančno prilagoditi svojega izhoda, in normalna povezava s strmimeščem ne bi bila mogoča.
Omogočanje prenosa in distribucije energije:Omrežje ponuja platformo za prenos in distribucijo energije iz povezanih inverterjev. Ko inverter vnese stromovni tok, ki ga proizvede fotovoltaični sistem, v omrežje, omrežje lahko ta energijo prenese tja, kjer je potrebna, kar omogoča široko distribucijo. To omogoča, da se fotovoltaična energija integrira v širši energetski sistem, kar omogoča oskrbo z električno energijo več uporabnikom. Velikost in struktura omrežja tudi vplivata na načine povezave in operativne zahteve za inverter. Na primer, v različnih omrežjih z različnimi napetostmi (na primer, nizkonapetostna in visokonapetostna omrežja) mora inverter ustrezati odgovarjajočim standardom in tehničnim zahtevam, da zagotovi varno in učinkovit prenos energije.
Zaradi zagotavljanja stabilnega delovanja:V omrežju je povezanih veliko naprav za proizvodnjo in porabo električne energije, ki oblikujejo velik sistem električne energije. Ta sistem ima določeno stopnjo stabilnosti in inertnosti, kar pomaga pri stabilizaciji delovanja mrežnih inverterjev. Na primer, ko se izhodna moč sistema fotovoltaika spreminja, omrežje lahko te spremembe uravnava s svojimi regulacijskimi mehanizmi (npr. prilagajanje izhodne moči drugih proizvodnih naprav), zato se zmanjša vpliv na inverter. Poleg tega omrežje zagotavlja zaščito pred krajčenjem in druge varnostne funkcije. Če se na izhodu inverterja zgodi krajčenje, bodo zaščitne naprave v omrežju ukrepale, da preprečijo nadaljnji razvoj nezadostnosti, zaščitijo inverter in ostalo opremo.
