Prinsip Operasyon ng Grid-Connected Inverters
I. Mga Prinsipyo ng Paggamit ng Grid-Connected Inverters
Ang grid-connected inverters ay mga aparato na nagpapalit ng direct current (DC) sa alternating current (AC) at malawakang ginagamit sa mga sistema ng solar photovoltaic (PV) power generation. Ang mga prinsipyo ng paggamit ay kasama ang mga sumusunod:
Prosesong Pagganti ng Enerhiya:Sa ilalim ng sikat ng araw, ginagawa ng mga PV panels ang DC electricity. Para sa mga maliit at katamtaman na laki ng grid-connected inverters, karaniwang ginagamit ang dalawang yugto ng estruktura, kung saan ang DC output mula sa PV panels ay unang pinapalit sa pamamagitan ng DC/DC converter para sa unang pagbabago, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng DC/AC converter upang lumikha ng AC. Ang malalaking inverter ay karaniwang gumagamit ng iisang yugto ng estruktura para sa direkta na pagbabago. Sa panahon ng operasyon, kontrolin ng inverter ang three-phase inverter module sa pamamagitan ng pag-detect ng DC voltage, current, at grid AC voltage at current. Ang digital control system ay lumilikha ng PWM (Pulse Width Modulation) drive signals, nagpapabuo ng inverter na maglabas ng AC na naka-synchronize sa frequency at phase ng grid. Halimbawa, kapag pumasok ang DC electricity mula sa PV panels sa grid-connected inverter, ito ay unang dadaan sa isang rectifier (kung ang dalawang yugto ng estruktura ay may punsiyong rectification), na nagpapalit ng anumang umiiral na AC sa DC, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng electronic components ng inverter section upang ipalit ang DC sa AC, na sa huli ay ibibigay sa mga household o industrial loads o inililipad sa grid.
Mga Pangunahing Bahagi at Kanilang Mga Tungkulin:
Rectifier: Sa ilang mga struktura, ito ang responsable sa pag-convert ng AC sa DC, siguraduhin na ang input sa susunod na bahagi ng inverter ay DC.
Inverter: Ito ang pangunahing komponente, gumagamit ng mga elektronikong elemento (tulad ng power semiconductor devices) upang i-convert ang DC sa AC.
Pangangasiwa: Nagkokontrol ito ng buong proseso ng pagbabago, kabilang ang pagmomonito sa mga input at output na voltages at currents, at pag-aayos ng mga PWM drive signals batay sa mga parameter na ito upang masiguro na ang output na AC ay sumasalamin sa kinakailangang pamantayan.
Terminal ng Output: Ito ang naglalabas ng nai-convert na AC sa grid o load.
II. Relasyon ng Grid-Connected Inverter at ang Grid
Pamamahagi at Interaksiyon ng Pwersa:Ang pangunahing tungkulin ng grid-connected inverter ay ang pagbabago ng DC sa AC at pagkonekta sa grid, na nagbibigay-daan sa pamamahagi ng pwersa. Ito ay maaaring magbigay ng kuryente na gawa ng PV system sa grid, na sumasaklaw sa pangangailangan ng iba pang gumagamit. Sa prosesong ito, ang grid ay gumagamit bilang isang malaking sentro ng imbakan at pamamahagi ng enerhiya, at ang grid-connected inverter ay nagsisilbing tulay na naka-ugnay sa distributed PV power sa sentrong ito. Halimbawa, sa mga proyekto ng distributed PV, maraming mga tahanan na may PV system ang nagbebenta ng sobrang pwersa sa grid gamit ang grid-connected inverter, na nagpapahintulot ng bidireksiyonal na daloy ng pwersa—tumatanggap at nagbibigay ng pwersa sa grid.
Mula sa perspektibo ng grid, habang mas maraming grid-connected inverters ang inilalapat, naging mas magkakaiba-iba ang mga pinagmulan ng lakas ng grid. Gayunpaman, ito ay nagbibigay din ng bagong pangangailangan para sa estabilidad at kalidad ng lakas ng grid.
Pamamahala at Pag-adapt: Sa kasalukuyan, ang mga grid-connected inverters ay pangunahing gumagana sa dalawang pangunahing mode ng pamamahala: current control at voltage control. Sa mode ng current control, layunin ng inverter na kontrolin ang output current at kailangang adapt sa mga pagbabago sa grid voltage at iba pang mga parameter. Halimbawa, sa mga mahinang grid (high impedance, mahinang framework, mababang resistance sa surge currents), kailangan ng inverter na may malakas na kakayahang adapt sa high-impedance grids upang maiwasan ang mga resonance phenomena na maaaring magresulta sa paglaki ng fault. Ang iba't ibang mga inverter ng mga manufacturer ay gumagamit ng iba't ibang mga algoritmo at mekanismo ng pamamahala upang adapt sa mga pagbabago ng grid, tulad ng intelligent active damping suppression algorithms upang harapin ang mga resonance issues sa mahinang grid, at mga estratehiya tulad ng repetitive control, dynamic PI parameters, specific harmonic suppression, at dead-time compensation.
Sa mode ng voltage control, layunin ng inverter na kontrolin ang voltage, ginagawa ang panlabas na katangian ng grid-connected inverter na gumagana bilang isang controlled voltage source, na may kakayahan na magbigay ng suporta para sa voltage at frequency. Ito ay partikular na angkop para sa mataas na penetration ng renewable energy grid connections, ibig sabihin, ang inverter ay, sa ilang paraan, maaaring regulahin ang voltage at frequency ng grid upang mapanatili ang maayos na operasyon.
III. Maaaring Mag-operate ang Grid-Connected Inverters Nang Walang Grid?
Sa Normal na Circumstances, Hindi Pinapayagan ang Operation:Ayon sa mga nakaugaliang pamantayan at regulasyon sa kaligtasan, karaniwang nakakamit ng grid-connected inverters ang mga anti-islanding device. Kapag ang grid voltage ay zero, ititigil ng inverter ang pag-operate. Ito ay dahil kung patuloy pa ring mag-operate ang inverter sa panahon ng brownout, maaari itong maging panganib sa mga maintenance personnel. Halimbawa, kung patuloy pa ring nagbibigay ng power ang PV system sa grid sa pamamagitan ng inverter sa panahon ng brownout, madaling makakasira ito at magdudulot ng mga insidente sa kaligtasan tulad ng electric shock. Kaya't nagsasaad ang pambansang pamantayan na dapat mayroong islanding detection at control functions ang mga PV grid-connected inverter, at dapat itigil ang pag-operate kapag hindi available ang grid.
Pagsasagawa sa ilalim ng mga Espesyal na Pagbabago:Teoretikal, nang walang pagbabago sa software o hardware, maaaring gamitin ang isang off-grid inverter upang "simulahin" ang grid, kaya't naniniwala ang PV inverter na normal ang grid, at pinapayagan ito na magbigay ng enerhiya sa "grid" na ito. Gayunpaman, may mga panganib ang paraan na ito at hindi ito sumasaklaw sa normal na mga pamantayan sa kaligtasan at regulasyon. Kung ang grid-connected inverter ay binabago upang paganahin ang off-grid operasyon, tulad ng sa ilang hybrid grid-tied at off-grid inverters, maaari itong lumipat sa off-grid mode kapag nawawala ang grid. Ngunit, hindi ito na ang tungkulin ng isang tuldok na grid-connected inverter kundi ang resulta ng espesyal na disenyo at pagbabago.
IV. Mahahalagang Kagustuhan para sa Paggamit ng Grid-Connected Inverter
Teknikal na Kagustuhan:
Pagkakasunod ng Pagsasanay sa Frequency: Ang grid frequency ay karaniwang 50Hz o 60Hz sa karamihan ng rehiyon. Ang AC frequency na inilalabas ng inverter ay kailangang maging naka-sync dito. Ito ay karaniwang natutugunan sa pamamagitan ng teknolohiya tulad ng Phase-Locked Loops (PLLs) upang masiguro na ang AC frequency ng inverter ay tumutugon sa grid frequency, kung hindi, hindi ito maaaring mag-operate nang normal.
Pagkakasunod ng Pagsasanay sa Phase: Bukod sa pagkakasunod ng pagsasanay sa frequency, ang AC output ng inverter ay kailangang maging naka-sync din sa phase ng grid voltage. Ang pagkakasunod ng phase ay natutugunan sa pamamagitan ng mga teknolohiya ng kontrol. Kailangan lamang ang pagkakasunod ng phase upang ang output energy ng inverter ay maaaring ma-integrate nang malinaw sa grid nang hindi nagdudulot ng mga negatibong epekto tulad ng pagbabago ng lakas at pagbaba ng kalidad ng lakas.
Pagsasama ng Voltage: Ang output voltage ng inverter ay kailangang tugma sa grid voltage sa punto ng koneksyon. Bagaman ang mga inverter ay karaniwang disenyo upang sumunod sa iba't ibang antas ng voltage, kailangan itong siguruhin na gumagana nang ligtas. Kung hindi tugma ang voltage, maaari itong mapigilan ang normal na transmisyon ng lakas at kahit na makasira sa inverter o sa kagamitan ng grid.
Mga Limitasyon sa Harmonic: Habang isinasagawa ang pag-convert ng DC sa AC, maaaring lumikha ng mga harmonic ang inverter, na maaaring makaapekto sa grid, tulad ng paglikha ng distorsyon ng boltahe at pag-aapekto sa normal na operasyon ng iba pang kagamitang elektrikal. Kaya, dapat matugunan ng mga inverter ang ilang pamantayan sa limitasyon ng harmonic upang mapanatili ang kalidad ng kuryente. Halimbawa, ang output na kasalukuyang galing sa inverter ay hindi dapat maglaman ng bahagi ng DC, at dapat minuminimize ang mga mataas na order na harmonic sa output na kasalukuyang galing sa inverter upang maiwasan ang polusyon sa grid.
Paggamit ng Reactive Power Control: Dapat kayang kontrolin ng inverter ang output ng reactive power upang suportahan ang katatagan ng boltahe ng grid. Sa mga grid na mataas ang bahagdan ng renewable energy, napakabilis ang reactive power control. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa reactive power, maaaring ma-regulate ang antas ng boltahe ng grid, na nagpapahusay sa katatagan ng grid at kalidad ng kuryente.
Proteksyon Laban sa Islanding Effect: Kapag bumagsak ang grid, kailangang mabilis na makahiwalay ang inverter mula sa grid upang maiwasan na ito ang magbigay ng kuryente sa nawalang grid, upang maprotektahan ang mga tauhan sa pagmaminasa. Ito ay isa sa mga mahahalagang function sa seguridad ng mga grid-connected na inverter.
Mga Kundisyon sa Kaligtasan:
Pananalip ng Elektrisidad: Ang inverter at ang pag-install nito ay dapat sumunod sa mga pamantayan ng pananalip ng elektrisidad, kasama na ang insulasyon, pangangalaga laban sa sobrang load, at pangangalaga laban sa maikling circuit. Halimbawa, ang kakayahan ng inverter sa insulasyon ay dapat mabuti upang maiwasan ang paglabas ng kuryente; kapag may sobrang load o maikling circuit, ang inverter ay dapat mag-activate ng mga mekanismo ng pangangalaga upang maiwasan ang pagkasira ng mga kagamitan at potensyal na sunog.
Lebel ng Proteksyon: Ang inverter ay nangangailangan ng isang tiyak na lebel ng proteksyon upang makapaghari sa mga paktor ng kapaligiran tulad ng alikabok at tubig. Ang mga inverter para sa labas ng bahay ay karaniwang nangangailangan ng mas mataas na lebel ng proteksyon, tulad ng IP65. Ang lebel ng proteksyon ay nagbibigay-daan para ang inverter ay makapag-operate nang normal sa iba't ibang kondisyon ng kapaligiran at ito ay nagpapahaba rin ng buhay ng inverter.
Mga Regulasyon at Pamantayan:
Pambansang at Industriyang Pamantayan: Ang mga grid-connected inverter ay kailangang sumunod sa pambansang at industriyang pamantayan, tulad ng GB/T 37408 - 2019 standard ng Tsina, na nagtatakda ng teknikal na pangangailangan para sa PV grid-connected inverter. Ang mga pamantayan na ito ay sumasaklaw sa maraming aspeto, kasama ang performance, kaligtasan, at kalidad ng enerhiya, upang matiyak na ang mga inverter ay sumusunod sa regulasyon kapag nagsisilbing bahagi ng grid.
Permits at Pag-apruba: Ang pag-install at operasyon ng grid-connected inverter ay maaaring magkaroon ng permits at pag-apruba mula sa departamento ng enerhiya upang matiyak na hindi sila nakakasama sa grid. Ang departamento ng enerhiya ay susuriin ang lokasyon, kapasidad, at teknikal na parametro ng inverter, at lang makapagkonekta ito sa grid pagkatapos ng aprubahan.
Mga Ekonomikong Pangangailangan:
Bunga ng Balik (ROI): Ang mga gumagamit o kompanya na nangangalakal sa grid-connected inverters ay susuriin ang ROI, kasama ang mga inisyal na gastos sa pamilihan, mga gastos sa operasyon at pagmamanento, at potensyal na mga polisiya ng subsidy o kita mula sa pagbebenta ng kuryente. Kung ang ROI ay hindi paborable, maaari itong makaapekto sa sigla para sa grid-connected inverters. Halimbawa, kung mataas ang inisyal na gastos sa pamilihan at mababa ang presyo ng pagbebenta ng kuryente nang walang sapat na polisiya ng subsidy, maaaring mapigilan ang mga investor.
Mga Polisiya ng Subsidy: Ang iba't ibang rehiyon ay maaaring may iba't ibang mga polisiya ng subsidy, na maaaring makaapekto sa ekonomiko na kakayahan ng mga proyekto ng grid-connected inverter. Ang ilang rehiyon ay nagbibigay ng mga subsidy upang hikayatin ang pag-unlad ng renewable energy, kasama ang mga subsidy para sa pagbili ng inverters at feed-in tariffs, na tumutulong sa pag-improve ng ekonomiko na benepisyo ng mga proyekto ng grid-connected inverter.
Kapatangan ng Sistema:
Katugma sa Grid: Ang inverter ay dapat katugma sa umiiral na sistema ng grid, kabilang ang estruktura, saklaw, at mga katangian ng operasyon ng grid. Ang iba't ibang estruktura ng grid (hal. TT, IT, at TN power systems) at saklaw (hal. mababang-voltage at mataas na voltage grids) ay may iba't ibang pangangailangan para sa inverters, at ang inverter ay dapat makapag-adapt sa mga pagkakaiba-iba na ito upang makamit ang matatag na koneksyon sa grid.
Katugma sa Equipment: Ang inverter ay dapat maayos na tugma sa konektadong equipment ng paggawa ng kapangyarihan (hal. solar panels, wind turbines) upang makamit ang epektibong konwersyon ng kapangyarihan. Halimbawa, ang output power at voltage ng solar panels ay dapat tugma sa mga pangangailangan ng input ng inverter upang masiguro ang epektividad at performance ng buong sistema ng paggawa ng kapangyarihan.
Mga Factor sa Kapaligiran:
Pag-adapt sa Kapaligiran: Ang inverter ay dapat maging makapag-adapt sa kondisyon ng kapaligiran sa lugar ng pag-install, tulad ng temperatura at humidity, upang matiyak ang matagal na panahon ng estableng operasyon. Halimbawa, sa mataas na temperatura, ang pagdissipate ng init ng inverter ay dapat mabuti upang maiwasan ang pagkasira dahil sa sobrang init; sa mataas na humidity, ang inverter ay dapat may katangian na resistente sa tubig upang maiwasan ang short circuit sa loob ng sirkwito.
Pagsasalamin sa Kapaligiran: Ang disenyo at operasyon ng inverter ay dapat isipin ang epekto nito sa kapaligiran, tulad ng ingay at electromagnetic interference. Dapat gawin ang lahat ng paraan upang mabawasan ang ingay na ginagawa ng inverter habang ito ay nagsasagawa ng operasyon upang maiwasan ang polusyon ng ingay, at ang electromagnetic interference ay dapat kontrolin upang maiwasan ang pag-interfere sa iba pang electronic devices.
Operasyon at Pagsasama-sama:
Interfase ng Gumagamit: Ang inverter ay dapat magbigay ng intuitive na interfase para sa pag-monitor ng estado ng sistema at paggawa ng kinakailangang setting. Halimbawa, ang mga gumagamit ay maaaring tingnan ang mga operational parameters (hal. input/output voltage, current, power) at fault alarm information sa pamamagitan ng interfase, at gawin ang basic settings (hal. power limits, operating mode selection).
Mga Karaniwang Pangangailangan sa Pagsasauli: Ang pagsasauli ng inverter ay kailangan isipin ang kadaliang ng pagsasauli, cost ng pagsasauli, at cycle ng pagsasauli. Ang isang inverter na madali maintindihan ay maaaring bawasan ang cost at hirap ng pagsasauli, habang ang maayos na cycle ng pagsasauli ay makakatulong upang matiyak ang mahabang terminong stable operation. Halimbawa, ang internal structure ng inverter ay dapat idesign upang mapadali ang inspection ng maintenance personnel, at ang lifespan at replacement cost ng mga component nito ay dapat maayos.
V. Ang papel ng Grid sa Pag-operate ng Grid-Connected Inverter
Pagbibigay ng Sanggunian para sa Operasyon:Ang boltahe ng grid, dalas, at iba pang mga parameter ay nagbibigay ng pamantayan para sa operasyon ng mga grid-connected inverter. Kailangang i-adjust ng inverter ang kanyang output batay sa boltahe at dalas ng grid upang tugma ang mga parameter na ito. Halimbawa, ginagamit ng inverter ang mga teknolohiya tulad ng PLL upang isabay ang dalas at phase ng kanyang AC output sa grid at tugmain ang boltahe, tinitiyak ang maayos na pagsasama ng kuryente sa grid. Kung wala ang grid na nagbibigay ng mga sangguniang ito, hindi magiging posible para sa inverter na tumpak na i-adjust ang kanyang output, at hindi magiging posible ang normal na pagkonekta sa grid.
Pagpapahintulot sa Paglilipat at Pamamahagi ng Kuryente:Ang grid ay nagbibigay ng plataporma para sa paglilipat at pamamahagi ng kuryente mula sa mga grid-connected inverter. Matapos ipakilala ng inverter ang AC power na nabuo ng PV system sa grid, ang grid ay maaaring ilipat ang kuryenteng ito sa lugar kung saan ito kailangan, na nakakamit ang malawakang pamamahagi. Nito’y napapaloob ang PV power sa mas malaking sistema ng kuryente, na nagbibigay ng kuryente sa higit pang mga gumagamit. Ang sukat at istruktura ng grid ay nakakaapekto rin sa mga paraan ng koneksyon at mga kinakailangan sa operasyon ng inverter. Halimbawa, sa iba’t ibang antas ng boltahe ng grid (tulad ng low-voltage at high-voltage grids), dapat matugunan ng inverter ang katumbas nitong mga pamantayan sa pag-access at mga teknikal na kinakailangan upang matiyak ang ligtas at mahusay na paglilipat ng kuryente.
Paghahandaa ng Estableng Operasyon: Sa grid, maraming mga aparato para sa paggawa at pagkonsumo ng kuryente ang nakakonektado, na nagpapabuo ng isang malaking sistema ng kuryente. Ang sistema na ito ay may tiyak na antas ng estabilidad at inersya, na tumutulong sa pagsiguro ng matatag na operasyon ng mga inverter na konektado sa grid. Halimbawa, kapag ang output power ng isang PV system ay nagbabago, ang grid ay maaaring balansehin ang mga pagbabago na ito sa pamamagitan ng sarili nitong mekanismo ng regulasyon (hal. pag-aayos ng output power ng iba pang mga aparato para sa paggawa), na nagpapakalito sa epekto nito sa inverter. Bukod dito, nagbibigay din ang grid ng proteksyon laban sa short-circuit at iba pang mga tampok ng kaligtasan. Kung magkaroon ng short-circuit fault sa output ng inverter, ang mga aparato ng proteksyon ng grid ay magkikilos upang mapigilan ang paglala ng fault, na nagpaprotekta ng inverter at iba pang mga aparato.
