Grid Bağlı Inverterlerin Çalışma Prensipleri
I. Ağ Bağlı İnverterlerin İşleyiş Prensipleri
Ağ bağlantılı inverterler, doğrudan akımı (DC) alternatif akıma (AC) dönüştüren cihazlardır ve güneş fotovoltaik (PV) enerji üretim sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar. İşleyiş prensipleri birkaç aspekti içerir:
Enerji Dönüşüm Süreci:Güneş ışığı altında PV paneleler DC elektrik üretir. Küçük ve orta ölçekli ağ bağlantılı inverterlerde genellikle iki aşamalı bir yapı kullanılır. PV panelerinden gelen DC çıkışı önce DC/DC dönüştürücüden geçirilerek ön dönüşüm yapılır, ardından DC/AC dönüştürücüden geçirilerek AC üretilir. Büyük inverterler genellikle doğrudan dönüşüm için tek aşamalı bir yapı kullanır. İşlem sırasında inverter, DC voltajı, akımı ve ağ AC voltajını ve akımını tespit ederek üç fazlı inverter modülünü kontrol eder. Dijital kontrol sistemi PWM (Pulse Width Modulation) sürme sinyalleri oluşturur, bu da inverterin ağı ile frekans ve fazda senkronize AC üretmesini sağlar. Örneğin, PV panelerinden gelen DC elektriği ağ bağlantılı invertere girerken, ilk olarak dikdörtgenleştiriciye (iki aşamalı yapı dikdörtgenleştirme işlevine sahipse) geçirilir, var olan AC'yi DC'ye dönüştürür, ardından inverter bölümünün elektronik bileşenleriyle DC'yi AC'ye dönüştürür ve sonunda ev veya endüstriyel yüklerine sağlanır veya ağa beslenir.
Ana Bileşenler ve Fonksiyonları:
Düzleştirici (Rectifier): Bazı yapılandırmalarda, AC'yi DC'ye dönüştürme görevini üstlenir, böylece sonraki inverter bölümüne giren girişin DC olması sağlanır.
Inverter: Bu, elektronik unsurlar (örneğin güç yarıiletken cihazları) kullanarak DC'yi AC'ye dönüştüren ana bileşendir.
Kontrolör: Tüm dönüştürme sürecini kontrol eder. Bu süreç, giriş ve çıkış gerilimlerini ve akımlarını izleme ve bu parametrelere dayanarak PWM sürücü sinyallerini ayarlama işlemlerini içerir. Bu, çıkış AC'nin gerekli standartları karşılamasını sağlar.
Çıkış Uçbirimi: Dönüştürülmüş AC'yi şebekeye veya yüküne gönderir.
II. Şebekeli Inverterler ile Şebekenin İlişkisi
Güç Aktarımı ve Etkileşim:Şebekeli inverterin temel işlevi, DC'yi AC'ye dönüştürmek ve şebekeye bağlanmaktır. Bu, güç aktarımını sağlar. PV sistemi tarafından üretilen elektriği şebekeye besleyebilir ve diğer kullanıcıların enerji ihtiyaçlarını karşılayabilir. Bu süreçte, şebeke büyük bir enerji depolama ve dağıtım merkezi olarak görev yapar ve şebekeli inverter, dağıtılmış PV gücünü bu merkeze bağlayan köprü görevini görür. Örneğin, dağıtılmış PV projelerinde, birçok PV sistemine sahip hanehalkı, şebekeli inverterler aracılığıyla fazla ürettikleri elektriği şebekeye satar. Bu, şebekeye hem alıp hem de veren çift yönlü güç akışı sağlar.
Ağın bakış açısından, daha fazla ağ bağlantılı inverter entegre edildikçe, ağ güç kaynakları daha çeşitli hale gelir. Ancak, bu aynı zamanda ağ istikrarı ve güç kalitesi üzerinde yeni talepler oluşturur.
Kontrol ve Uyum:Şu anda, ağ bağlantılı inverterler çoğunlukla iki temel kontrol modunda çalışır: akım kontrolü ve voltaj kontrolü. Akım kontrol modunda, inverter çıkış akımını kontrol etmeyi amaçlar ve ağ voltajı ve diğer parametrelerdeki değişikliklere uyum sağlamalıdır. Örneğin, zayıf ağlarda (yüksek impedans, zayıf çerçeve, ani akım dalgalanmalarına karşı düşük direnç), inverter yüksek impedanslı ağlara güçlü bir uyum yeteneği sahip olmalıdır, böylece rezonans olaylarından kaçınılabilir. Farklı üreticilerin inverterleri, zayıf ağlarda rezonans sorunlarını ele almak için zekice aktif sönümleme baskılaması algoritmaları gibi çeşitli algoritmalar ve kontrol mekanizmalarını kullanarak ağ değişikliklerine uyarlanır. Ayrıca, tekrarlayan kontrol, dinamik PI parametreleri, belirli harmonik baskılaması ve ölü zaman tazminatı gibi stratejiler de kullanılır.
Voltaj kontrol modunda, inverter voltaj kontrolünü hedef alır ve ağ bağlantılı inverterin dış özelliklerini kontrol edilen bir voltaj kaynağı olarak davranır, böylece voltaj ve frekans için destek sağlayabilir. Bu, özellikle yüksek nüfuzlu yenilenebilir enerji ağ bağlantıları için uygundur, yani inverter ağın voltajını ve frekansını bir ölçüde düzenleyerek istikrarlı işlemi koruyabilir.
III. Şebekeye Bağlı Inverterler Şebekesiz Çalışabilir mi?
Normal Koşullarda İşlem İzin Verilmez:İlgili standartlara ve güvenlik düzenlemelerine göre, şebekeye bağlı inverterler genellikle anti-adalama cihazlarıyla donatılmıştır. Şebeke gerilimi sıfır olduğunda, inverter durur. Bu, inverterin bir güç kesintisi sırasında çalışmaya devam etmesi, bakım personeli için bir güvenlik tehdidi oluşturabileceğinden kaynaklanmaktadır. Örneğin, güneş enerjisi sistemi bir güç kesintisi sırasında inverter aracılığıyla şebekeye devam ederse, elektrik şoku gibi güvenlik olaylarına neden olabilir. Bu nedenle, ulusal standartlar, güneş enerjisi şebekeye bağlı inverterlerin adalama tespit ve kontrol fonksiyonlarına sahip olması gerektiğini ve şebeke mevcut olmadığında işlemi durdurması gerektiğini belirtir.
Özel Değişiklikler Altında İşlem:Teorik olarak, yazılım veya donanım değiştirilmeden, bir şebeke dışı inverter "şebekeyi" simüle ederek, PV inverterin şebekenin normal olduğunu düşünmesini sağlayabilir ve bu sayede bu "şebekeden" güç sağlamaya devam edebilir. Ancak, bu yöntem riskleri taşır ve normal güvenlik ve düzenlemelere uymaz. Ayrıca, şebeke bağlantılı inverter, bazı hibrit şebeke bağlantılı ve şebeke dışı invertörlerde olduğu gibi, şebeke dışı işlemeye yönelik olarak değiştirilmişse, şebeke düşerken şebeke dışı moda geçiş yapabilir. Bu durum artık saf bir şebeke bağlantılı inverterin işlevi değil, özel tasarım ve değişiklik sonucu ortaya çıkan bir sonuçtur.
IV. Şebeke Bağlı Inverter İşletimine İlişkin Temel Koşullar
Teknik Koşullar:
Frekans Senkronizasyonu: Ağ frekansı genellikle çoğu bölgede 50Hz veya 60Hz'dir. Inverterin AC frekansı bu frekansla senkronize olmalıdır. Bu genellikle inverterin AC frekansının ağ frekansıyla eşleşmesini sağlamak için Faz-Kilitli Döngüler (PLL) gibi teknolojiler kullanılarak gerçekleştirilir, aksi takdirde normal olarak işlemesi mümkün değildir.
Faz Senkronizasyonu: Frekans senkronizasyonuna ek olarak, inverterin AC çıkışı aynı zamanda ağ voltajıyla fazda senkronize olmalıdır. Faz senkronizasyonu, ilgili kontrol teknolojileri aracılığıyla sağlanır. Sadece faz senkronizasyonu ile inverterin çıkış enerjisi, güç dalgalanmaları ve güç kalitesinde azalma gibi olumsuz etkiler vermeden ağa sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir.
Gerilim Eşleme: Inverterin çıkış gerilimi, bağlantı noktasındaki ağ gerilimine eşleşmelidir. Inverterler genellikle farklı gerilim seviyelerine uyum sağlayacak şekilde tasarlanır, ancak güvenli sınırlar içinde çalışmasını sağlamak gerekir. Gerilim eşleşmezse, normal güç aktarımını engelleyebilir ve hatta inverteri veya ağ ekipmanını zarara uğratabilir.
Harmonik Sınırlamalar: DC'nin AC'ye dönüştürülmesi sırasında inverter harmonikler oluşturabilir. Bu harmonikler, voltaj bozulmasına ve diğer elektrik ekipmanlarının normal işlemesini etkilemeye neden olabilir. Bu nedenle, invertörler belirli harmonik sınırlama standartlarına uymalıdır ki güç kalitesi sağlansın. Örneğin, inverter'in çıkış akımında bir DC bileşeni olmamalı ve inverter'in çıkış akımındaki yüksek mertebeden harmonikler en aza indirilmelidir ki ağ kirlenmesi önlesin.
Reaktif Güç Kontrolü: Inverter, reaktif güç çıktısını kontrol ederek ağ voltajının istikrarını desteklemeli. Yenilenebilir enerjinin yüksek oranda olduğu ağlarda reaktif güç kontrolü özellikle önemlidir. Reaktif gücü kontrol ederek, ağ voltaj seviyesi düzenlenir, bu da ağ istikrarını ve güç kalitesini artırır.
Adacılık Etkisi Koruması: Ağ düşerse, inverter hızlıca ağdan ayrılmalı, böylece bağlantısız ağa güç sağlamadan korumalı. Bu, ağ bağlantılı invertörlerin temel güvenlik fonksiyonlarından biridir.
Güvenlik Koşulları:
Elektrik Güvenliği: Inverter ve kurulumu, yalıtım, aşırı yük koruması ve kısa devre koruması dahil olmak üzere ilgili elektrik güvenlik standartlarına uygun olmalıdır. Örneğin, inverterin elektriksel yalıtım performansı iyi olmalı, sızıntıları önlemeli; aşırı yük veya kısa devre durumunda inverter, ekipman hasarını ve potansiyel yangınları önlemek için koruma mekanizmalarını etkinleştirmelidir.
Koruma Derecesi: Inverter, toz ve nem gibi çevresel faktörlere karşı belirli bir koruma derecesine ihtiyaç duyar. Dışarıda kullanılan inverterler genellikle IP65 gibi daha yüksek bir koruma derecesi gerektirir. Koruma derecesi, inverterin farklı çevresel koşullar altında normal olarak çalışabilmesini sağlar ve hizmet ömrünü uzatır.
Yönetmelikler ve Standartlar:
Ulusal ve Sektör Standartları: Ağ bağlantılı inverterler, ulusal ve sektörle ilgili standartlara uygun olmalıdır. Örneğin, Çin'in GB/T 37408 - 2019 standardı, güneş enerjisi ağ bağlantılı inverterler için teknik gereksinimleri belirlemektedir. Bu standartlar, performans, güvenlik ve güç kalitesi dahil olmak üzere birçok konuyu kapsar ve inverterlerin ağ üzerinde faaliyet gösterirken düzenlemelere uyum sağladığını garanti eder.
İzinler ve Onaylar: Ağ bağlantılı inverterlerin kurulumu ve işletilmesi, elektrik departmanından izinler ve onaylar gerektirebilir. Elektrik departmanı, inverterin kurulum yeri, kapasitesi ve teknik parametrelerini inceleyecektir ve sadece onaylandıktan sonra inverter ağ ile bağlantılı hale getirilebilir.
Ekonomik Faktörler:
Yatırımın Getirisi (ROI): Ağ bağlantılı inverterleri düşünen kullanıcılar veya şirketler, başlangıç yatırım maliyetlerini, işletme ve bakım giderlerini ve olası politika desteklerini veya elektrik satışı gelirlerini içeren ROI'yu değerlendirecektir. Eğer ROI uygun değilse, bu durum ağ bağlantılı inverterlere olan ilgide azalma yaratabilir. Örneğin, başlangıç yatırım maliyeti yüksek ve elektrik satış fiyatı düşükken yeterli destek politikaları yoksa, yatırımcılar cayabilir.
Destek Politikaları: Farklı bölgelerde farklı destek politikaları olabilir ve bu, ağ bağlantılı inverter projelerinin ekonomik uygunluğunu etkileyebilir. Bazı bölgeler, yenilenebilir enerjinin gelişimini teşvik etmek için inverter satın alma ve elektrik satışı tarifeleri dahil olmak üzere çeşitli destekler sunar. Bu, ağ bağlantılı inverter projelerinin ekonomik faydalarını artırmaya yardımcı olur.
Sistem Uyumluluğu:
Ağ Uyumluluğu: Inverter mevcut ağ sistemiyle uyumlu olmalıdır. Bu, ağın yapısı, ölçeği ve işleyiş özellikleri dahil olmak üzere tüm unsurlar için geçerlidir. Farklı ağ yapıları (örneğin, TT, IT ve TN güç sistemleri) ve ölçekler (örneğin, düşük gerilimli ve yüksek gerilimli ağlar) inverters için farklı gereksinimlere sahiptir ve inverter bu farklılıklara uyarak istikrarlı bir ağ bağlantısı sağlayabilmelidir.
Ekipman Uyumluluğu: Inverter bağlı olan güç üretim ekipmanlarıyla (örneğin, güneş panelleri, rüzgar türbinleri) iyi uyumlu olmalıdır, böylece etkili güç dönüştürmesi sağlanır. Örneğin, güneş panellerinin çıkış gücü ve voltajı, inverterin giriş gereksinimleriyle eşleşmelidir, böylece tüm üretim sisteminin verimliliği ve performansı güvence altına alınır.
Çevresel Faktörler:
Çevresel Uyarlanabilirlik: İnvertör, uzun süreli ve kararlı bir işlemeyi garanti altına almak için montaj yerinin çevresel koşullarına, örneğin sıcaklık ve nem seviyelerine uyum sağlayabilmelidir. Örneğin yüksek sıcaklıklı ortamlarda invertörün ısı dağıtım performansı iyi olmalı ve aşırı ısınma nedeniyle hasar görmesi önlenmelidir; yüksek nemli ortamlarda ise invertör nemden etkilenmeyecek şekilde korunmuş özelliklere sahip olmalı, iç devrelerde kısa devre oluşması engellenmelidir.
Çevresel Etki: İnvertörün tasarımı ve çalışması sırasında çevreye olan etkileri, örneğin gürültü ve elektromanyetik girişim gibi hususlar dikkate alınmalıdır. İnvertörün çalışma sırasında oluşturduğu gürültü en aza indirilmeli, gürültü kirliliği önlenmeli ve elektromanyetik girişim kontrol altında tutularak diğer elektronik cihazlara zarar vermesi engellenmelidir.
İşletme ve Bakım:
Kullanıcı Arayüzü: Inverter, sistem durumunu izleme ve gerekli ayarları yapma için sezgisel bir kullanıcı arayüzü sağlamalıdır. Örneğin, kullanıcılar arayüz üzerinden inverterin işletim parametrelerini (örneğin, giriş/çıkış gerilimi, akım, güç) ve hata uyarı bilgilerini görüntüleyebilir ve temel ayarları (örneğin, güç limitleri, çalışma modu seçimi) gerçekleştirebilir.
Bakım Gereksinimleri: Inverterin bakımı, bakım kolaylığı, bakım maliyetleri ve bakım döngülerini göz önünde bulundurmalıdır. Bakımı kolay olan bir inverter, bakım maliyetlerini ve zorluklarını azaltabilir, makul bir bakım döngüsü ise uzun vadede istikrarlı işlemeyi sağlayabilir. Örneğin, inverterin iç yapısı, bakım personeli tarafından kolayca kontrol edilebilmek üzere tasarlanmalı ve bileşenlerinin ömrü ve değiştirme maliyetleri makul olmalıdır.
V. Ağın Ağ-Bağlı Inverter İşlemi içindeki Rolü
İşlem için Referans Sağlama:Ağın gerilimi, frekansı ve diğer parametreleri, ağ bağlantılı inversörlerin işlemi için bir referans standardı sağlar. Inversör, ağın gerilimine ve frekansına göre çıkışını ayarlamak zorundadır bu parametrelere uyum sağlamak için. Örneğin, inversör, PLL gibi teknolojileri kullanarak çıkışındaki AC'nin frekansını ve fazını ağla senkronize eder ve gerilimle eşleşir, böylece gücün ağa düzgün bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Ağın bu referansları sağlamaması durumunda, inversör çıkışını doğru bir şekilde ayarlayamaz ve normal bir ağ bağlantısı mümkün olmaz.
Güç Taşıma ve Dağıtımı İçin İzin Verme:Ağ, ağ bağlantılı inversörlerden gelen gücün taşınması ve dağıtımının platformunu sağlar. Inversör, PV sistemi tarafından üretilen AC gücü ağa besledikten sonra, ağ bu gücü ihtiyaç duyulan yere iletebilir, yaygın bir dağıtım sağlayarak PV gücünün daha geniş elektrik sistemine entegrasyonunu sağlar. Bu, daha fazla kullanıcıya elektrik sağlar. Ağın ölçeği ve yapısı, inversörün bağlantı yöntemlerini ve işletim gereksinimlerini etkiler. Örneğin, farklı gerilim seviyelerindeki ağlarda (örneğin, düşük gerilimli ve yüksek gerilimli ağlarda), inversör, güvenli ve etkin güç taşımak için karşılık gelen erişim standartlarını ve teknik gereksinimleri karşılamalıdır.
İşlem Kararlılığını Sağlama:Ağda, birçok güç üretim ve tüketim cihazı birbirine bağlı olarak büyük bir güç sistemi oluşturur. Bu sistem, belirli bir derecede istikrar ve inerçaya sahiptir, bu da ağ bağlantılı inversörlerin işlemesini dengede tutmaya yardımcı olur. Örneğin, bir Güneş enerjisi sisteminin çıkışı dalgalanıyorsa, ağ kendi düzenleme mekanizmaları aracılığıyla (örneğin, diğer üretim cihazlarının güç çıkışını ayarlayarak) bu dalgalanmaları dengeleyebilir, böylece inversöre olan etkileri azaltır. Ayrıca, ağ kısa devre koruması ve diğer güvenlik özellikleri sağlar. İnversörün çıkışında kısa devre arızası oluştuğunda, ağın koruma cihazları faaliyete geçerek arızanın büyümesini önler ve inversör ile diğer ekipmanları korur.
