Osnovni principi rada mrežno povezanih invertera
I. Prinzipi rada mrežnih invertera
Mrežni inverteri su uređaji koji pretvaraju strujni tok (DC) u izmjenični tok (AC) i široko se koriste u sistemima generiranja solarnih fotovoltaičkih (PV) snaga. Prinzipi rada uključuju nekoliko aspekata:
Proces konverzije energije:Pod uticajem sunčeve svetlosti, PV panele generišu strujni tok (DC). Za male i srednje veličine mrežnih invertera, često se koristi dvostepeni struktura, gde je DC izlaz sa PV panela prvo preveden kroz DC/DC konverter za prethodnu konverziju, a zatim kroz DC/AC konverter za proizvodnju AC. Veliki inverteri obično koriste jednostepenu strukturu za direktnu konverziju. Tijekom rada, inverter kontrolira tri faze inverter modula detektiranjem DC napona, struje i mrežnog AC napon i struja. Digitalni kontrolni sistem generiše PWM (Pulse Width Modulation) signale, omogućavajući inverteru da proizvede AC koji je sinkronizovan u frekvenciji i fazama sa mrežom. Na primjer, kada DC struja sa PV panela stigne do mrežnog invertera, prvo prolazi kroz upravljač (ako dvostepena struktura uključuje funkciju upravljanja), pretvarajući eventualni postojeci AC u DC, a zatim kroz elektronske komponente inverter dijela kako bi pretvorio DC u AC, koji se na kraju isporučuje kućanstvima ili industrijskim opterećenjima ili unosi u mrežu.
Ključni komponenti i njihove funkcije:
Rectifier: U nekim strukturama, odgovoran je za pretvaranje izmjeničnog toka u jednosmjerni tok, osiguravajući da je ulaz u naredni inverzor dijelov jednosmjerni tok.
Inverter: Ovo je ključna komponenta koja koristi elektronske elemente (poput poluprovodnih uređaja) za pretvaranje jednosmjernog toka u izmjenični tok.
Kontroler: Kontroluje ceo proces pretvaranja, uključujući nadgledanje ulaznih i izlaznih napona i struja, te prilagođavanje PWM upravljačkih signala na osnovu ovih parametara kako bi se osiguralo da izlazni AC zadovoljava zahtevane standarde.
Izlazna terminala: Izlazi pretvoreni AC na mrežu ili opterećenje.
II. Odnos između invertora povezanih na mrežu i mreže
Prenos energije i interakcija:Primarna funkcija invertora povezanog na mrežu je pretvaranje DC u AC i povezivanje sa mrežom, omogućavajući prenos energije. Može da isporuči električnu energiju generisanu od strane PV sistema u mrežu, zadovoljavajući potrebe drugih korisnika. U ovom procesu, mreža deluje kao veliki centar za čuvanje i raspodelu energije, a invertor povezan na mrežu služi kao most koji spaja distribuiranu PV snagu sa ovim centrom. Na primer, u distribuiranim PV projektima, mnoge kućne gospodarstva sa PV sistemima prodaju višku energije mreži kroz invertore povezane na mrežu, ostvarujući dvosmerni tok energije—primanje i isporuku energije mreži.
Sa perspektive mreže, kako se više invertora povezanih sa mrežom integriše, izvori struje postaju raznolikiji. Međutim, to stavlja i nove zahteve za stabilnost mreže i kvalitet struje.
Kontrola i prilagođavanje:Trenutno, invertori povezani sa mrežom uglavnom rade u dva osnovna režima kontrole: kontrola struje i kontrola napona. U režimu kontrole struje, inverter pokušava da kontroluje izlaznu struju i mora se prilagoditi promenama napona mreže i drugim parametrima. Na primer, u slabim mrežama (visok impedans, slaba struktura, niska otpornost na talasne struje), inverter treba da ima snažnu sposobnost prilagođavanja visokim impedansima kako bi se izbegla rezonansa koja može dovesti do eskalacije grešaka. Različiti proizvođači invertora koriste razne algoritme i mehanizme kontrole kako bi se prilagodili promenama u mreži, kao što su inteligentni algoritmi aktivne amortizacije za rešavanje problema rezonanse u slaboj mreži, i strategije poput ponovljive kontrole, dinamičkih PI parametara, specifične supresije harmonika i kompenzacije vremena mrtve zone.
U režimu kontrole napona, inverter cilja na kontrolu napona, čime se vanjske karakteristike invertora povezanog sa mrežom ponašaju kao kontrolirani izvor napona, sposoban da pruži podršku za napon i frekvenciju. Ovo je posebno prikladno za veće penetracije obnovljivih izvora energije u mrežu, što znači da inverter može, do nekog stepena, regulisati napon i frekvenciju mreže kako bi se održala stabilna operacija.
III. Da li mrežni inverteri mogu da rade bez mreže?
Pod normalnim uslovima, rad nije dozvoljen:Prema relevantnim standardima i sigurnosnim propisima, mrežni inverteri obično imaju uređaje za sprečavanje otočića. Kada je napon mreže nula, inverter će prestati da radi. To je zato što, ako inverter nastavi da radi tokom ispadanja struje, može predstavljati opasnost za osoblje održavanja. Na primer, ako fotovoltaički sistem nastavi da snabdeva mrežu kroz inverter tokom ispadanja struje, lako može doći do električnih udaraca i drugih sigurnosnih incidenta. Stoga nacionalni standardi stipuliraju da fotovoltaički mrežni inverteri moraju imati funkcije za detekciju i kontrolu otočića, i moraju prestati sa radom kada mreža bude nedostupna.
Operacija pod posebnim modifikacijama:Teoretski, bez modifikacije softvera ili hardvera, off-grid inverter bi se mogao koristiti da "simulira" mrežu, čime se fotovoltački inverter uvjerava da je mreža normalna, omogućavajući mu da isporučuje struju toj "mreži." Međutim, ovaj metod nese rizike i ne odgovara običnim zahtevima za sigurnost i regulativne standarde. Također, ako se grid-connected inverter modifikuje kako bi omogućio off-grid operaciju, kao što je slučaj sa nekim hibridnim grid-tied i off-grid invertorima, može preći u off-grid režim kada mreža pada. Ovo, međutim, više nije funkcija čistog grid-connected invertora, već rezultat posebnog dizajna i modifikacije.
IV. Neophodni uslovi za rad grid-connected invertora
Tehnički uslovi:
Usklađivanje frekvencije: Frekvencija mreže je obično 50Hz ili 60Hz u većini regiona. AC frekvencija izlaza invertera mora biti usklađena sa ovim. Ovo se obično postiže kroz tehnologije poput faza povezanih petlji (PLL) kako bi se osiguralo da se AC frekvencija invertera poklapa sa frekvencijom mreže, u suprotnom ne može normalno raditi.
Usklađivanje faze: Pored usklađivanja frekvencije, AC izlaz invertera mora biti takođe usklađen u fazama sa napajanjem mreže. Usklađivanje faze postiže se kroz odgovarajuće kontrole. Samo uz usklađivanje faze, energija izlaza invertera može gladko biti integrirana u mrežu bez dovodjenja negativnih efekata kao što su fluktuacije snage i smanjena kvalitet snage.
Usklađivanje napona: Izlazni napon invertera mora biti usklađen sa naponom mreže na tački spoja. Iako inverteri obično mogu prilagoditi različitim nivoima napona, mora se osigurati da rade unutar sigurnih granica. Ako napon ne odgovara, to može sprečiti normalnu prenos snage i čak oštetiti inverter ili opremu mreže.
Ограничења хармоника: Током конверзије постојаног струјног тока (DC) у алтернативни струјни ток (AC), инвертор може да генерише хармонике, које могу да утичу на мрежу, као што је изазвање дисторзије напона и утицање на нормалну функционисање других електричних уређаја. Зато морају инвертори да задовоље одређена ограничења хармоника како би се осигурала квалитета струје. На пример, излазни струјни ток инвертора не сме да садржи DC компоненту, а високоредне хармонике у излазном струјном току инвертора морају бити минимизоване како би се избегло загађивање мреже.
Контрола реактивне снаге: Инвертор мора бити у стању да контролише излазну реактивну снагу како би подржавао стабилност напона мреже. У мрежама са високим удешћем обновљивих извора енергије, контрола реактивне снаге је посебно важна. Контролом реактивне снаге може се регулисати ниво напона мреже, што побољшава стабилност и квалитет струје у мрежи.
Заштита од ефекта острва: Када је мрежа исцрпљена, инвертор мора брзо да се одвоји од мреже како би се спречило да пружа енергију одсеченом делу мреже, чиме се штите радници за одржавање. Ово је једна од основних безбедносних функција инвертора повезаних са мрежом.
Услови безбедности:
Električna sigurnost: Inverzor i njegova instalacija moraju da budu u skladu sa relevantnim standardima električne sigurnosti, uključujući izolaciju, zaštitu od preopterećenja i zaštitu od krajnjeg spoja. Na primer, električna izolativna performansa inverzora mora biti dobra kako bi se sprecila curenje; u slučaju preopterećenja ili krajnjeg spoja, inverzor treba da aktivira mehanizme zaštite kako bi sprečio oštećenje opreme i potencijalni požar.
Stepen zaštite: Inverzor treba određeni stepen zaštite kako bi otvorio uticaj okruženja, kao što su prašina i vlaga. Inverzori namenjeni za vanjski prostor obično zahtevaju viši stepen zaštite, na primer IP65. Stepenu zaštite osigurava da inverzor može normalno raditi pod različitim uslovima okruženja i proširuje vreme njegove upotrebe.
Propisi i standardi:
Nacionalni i industrijski standardi: Inverzori povezani sa mrežom moraju da se pridržavaju nacionalnih i industrijskih standarda, poput kineskog standarda GB/T 37408 - 2019, koji definiše tehničke zahteve za inverzore povezane sa fotovoltaičnim mrežama. Ovi standardi obuhvataju mnoge aspekte, uključujući performanse, bezbednost i kvalitet struje, osiguravajući da inverzori zadovoljavaju regulative kada rade na mreži.
Dozvole i odobrenja: Instalacija i rad inverzora povezanih sa mrežom može zahtevati dozvole i odobrenja od elektrane kako bi se osiguralo da ne utiču negativno na mrežu. Elektrana će pregledati lokaciju instalacije, kapacitet i tehničke parametre inverzora, i tek nakon odobrenja inverzor može biti povezan sa mrežom.
Ekonomska faktora:
Povrat investicije (ROI): Korisnici ili kompanije koji razmatraju povezane na mrežu invertere će proceniti ROI, uključujući početne troškove investicije, operativne i održavajuće troškove, kao i potencijalne političke subvencije ili prihod od prodaje električne energije. Ako ROI nije povoljan, to može uticati na entuzijazam za povezane na mrežu invertere. Na primer, ako su početni troškovi visoki, a cena prodaje električne energije niska bez dovoljno subvencijskih politika, investitori mogu biti odstručeni.
Subvencijske politike: Različite regije mogu imati različite subvencijske politike, koje mogu uticati na ekonomsku izvodljivost projekata sa povezanim na mrežu inverterima. Neki regioni nude subvencije kako bi se potakla razvoj obnovljivih izvora energije, uključujući subvencije za kupovinu invertera i tarife za prodaju struje, što pomaže u poboljšanju ekonomskih koristi projekata sa povezanim na mrežu inverterima.
Kompatibilnost sistema:
Kompatibilnost sa mrežom: Inverzor mora biti kompatibilan sa postojećim mrežnim sistemom, uključujući strukturu, skalu i operativne karakteristike mreže. Različite mrežne strukture (npr., TT, IT i TN sistemi) i skale (npr., niskonaponske i visokonaponske mreže) imaju različite zahteve za inverzore, a inverzor mora biti sposoban da se prilagodi ovim razlikama kako bi se postigla stabilna veza sa mrežom.
Kompatibilnost opreme: Inverzor mora dobro odgovarati povezanoj opremi za proizvodnju električne energije (npr., solarnim panelima, vetroelektranim turbinama) kako bi se postiglo efikasno pretvaranje snage. Na primer, izlazna snaga i napona solarnih panela moraju odgovarati ulaznim zahtevima inverzora kako bi se osigurala efikasnost i performanse celog sistema proizvodnje.
Faktori okruženja:
Prilagodljivost okruženju: Inverter mora biti u stanju da se prilagodi uslovima okruženja na mestu instalacije, poput temperature i vlage, kako bi se osiguralo dugotrajno stabilno funkcionisanje. Na primer, u visokotemperaturnim okruženjima, performanse disipacije toplote invertora moraju biti dobre kako bi se sprecila oštećenja od previsoke temperature; u okruženjima sa visokom vlažnošću, inverter mora imati osobine otpornosti na vlagu kako bi se izbegle kraće spojeve unutrašnjih kola.
Uticaj na okruženje: Dizajn i rad invertora mora uzeti u obzir njegov uticaj na okruženje, kao što su buka i elektromagnetska interferencija. Trebalo bi se potrudititi da se smanji buka generisana tokom rada invertora kako bi se izbegao zagađenje bukom, a elektromagnetska interferencija treba da bude kontrolisana kako bi se sprečilo mešanje sa drugim elektronskim uređajima.
Operativnost i održavanje:
Korisnički interfejs: Inverzor bi trebalo da pruža intuitivni korisnički interfejs za praćenje statusa sistema i izvršavanje potrebnih postavki. Na primer, kroz interfejs korisnici mogu videti operativne parametre inverzora (na primer, ulazni/izlazni napon, struja, snaga) i informacije o greškama, te izvršiti osnovne postavke (na primer, ograničenja snage, odabir načina rada).
Zahtevi za održavanjem: Održavanje inverzora mora uzeti u obzir lakoće održavanja, troškove održavanja i cikluse održavanja. Inverzor koji je lako održavati može smanjiti troškove i teškoće održavanja, dok razuman ciklus održavanja može osigurati dugoročnu stabilnu operaciju. Na primer, unutrašnja struktura inverzora treba da bude dizajnirana kako bi omogućila lako inspekciranje održavajućim osobama, a životni vek i troškovi zamene njegovih komponenti trebaju biti razumni.
V. Uloga mreže u radu inverzora povezanog sa mrežom
Pružanje referentnih vrednosti za operaciju: Napona, frekvencija i drugi parametri mreže pružaju referentni standard za rad invertora povezanih sa mrežom. Inverter mora da prilagodi svoj izlaz na osnovu napona i frekvencije mreže kako bi se podudarao sa ovim parametrima. Na primer, inverter koristi tehnologije poput PLL da sinhronizuje frekvenciju i fazu svog izlaznog AC-a sa mrežom i da podudara napon, obezbeđujući gladku integraciju struje u mrežu. Bez mreže koja pruža ove reference, inverter ne bi mogao tačno da prilagodi svoj izlaz, i normalna povezanost sa mrežom ne bi bila moguća.
Omogućavanje prenosa i raspodele struje: Mreža pruža platformu za prenos i raspodelu struje od invertora povezanih sa mrežom. Nakon što inverter isporuči AC struju generisanu PV sistemom u mrežu, mreža može da prenese ovu struju tamo gde je potrebna, ostvarujući široku raspodelu. Ovo omogućava da se PV struja integriše u širu sistem struje, pružajući električnu energiju većem broju korisnika. Veličina i struktura mreže takođe utiču na metode povezivanja i operativne zahteve invertora. Na primer, u različitim mrežama sa različitim nivoima napona (npr. niskonaponske i visokonaponske mreže), inverter mora da ispuni odgovarajuće standardi pristupa i tehničke zahteve kako bi se osiguralo bezbedno i efikasno prenošenje struje.
Osiguranje stabilnog rada:U mreži su povezana mnogo uređaja za proizvodnju i potrošnju električne energije, formirajući veliki sistem snabdijevanja strujom. Ovaj sistem ima određeni nivo stabilnosti i inercije, što pomaže u stabilizaciji rada invertora koji su povezani sa mrežom. Na primer, kada se izlazna snaga sistema na osnovu solarnih panela (PV) menja, mreža može balansirati ove promene putem sopstvenih mehanizama regulacije (npr. podešavanjem izlazne snage drugih generatora), smanjujući uticaj na inverter. Takođe, mreža pruža zaštitu od kratkog spoja i druge sigurnosne funkcije. Ako dođe do greške kratkog spoja na izlazu invertora, zaštitni uređaji mreže će reagovati kako bi sprečili eskalaciju greške, štitići inverter i ostalu opremu.
