Принципи роботи сітевих інверторів
I. Принципи роботи інверторів, підключених до мережі
Інвертори, підключені до мережі, — це пристрої, які перетворюють постійний струм (DC) на змінний струм (AC) і широко використовуються в системах генерації сонячної фотovoltaic (PV) енергії. Принципи роботи включають кілька аспектів:
Процес перетворення енергії:Під дією сонячного світла фотоелементи генерують постійний струм (DC). Для невеликих та середніх інверторів, підключених до мережі, часто використовується двоступінчатий механізм, де DC-виходи фотоелементів спочатку перетворюються через DC/DC-конвертер для передварительного перетворення, а потім через DC/AC-конвертер для виробництва AC. Великі інвертори зазвичай використовують одноступінчатий механізм для безпосереднього перетворення. Під час роботи інвертор контролює модуль трифазного інвертора, виявляючи напругу постійного струму, струм і напругу змінного струму мережі. Цифрова система управління генерує сигнали PWM (ширина імпульсу), що робить інвертор виробляти AC, синхронізований за частотою та фазою з мережею. Наприклад, коли DC-електрика з фотоелементів входить у мережевий інвертор, вона спочатку проходить через прямоток (якщо двоступінчатий механізм містить функцію прямотоку), перетворюючи наявний AC на DC, а потім через електронні компоненти інвертора, перетворюючи DC на AC, який в кінцевому підсумку надсилається до домашніх або промислових навантажень або подається в мережу.
Основні компоненти та їх функції:
Прямий пристрій (Rectifier): У деяких системах відповідає за перетворення СТ на ПТ, забезпечуючи, що вхід для наступної частини інвертора є ПТ.
Інвертор (Inverter): Це ключовий компонент, який використовує електронні елементи (такі як силові напівпровідникові прилади) для перетворення ПТ на СТ.
Керуючий пристрій: Він керує всім процесом конверсії, включаючи моніторинг входячих та виходячих напруг та струмів, та налаштування сигналів PWM-керування залежно від цих параметрів, щоб забезпечити, що виходяча АC відповідає необхідним стандартам.
Вихідний термінал: Він виводить перетворену АC до мережі або навантаження.
II. Зв'язок між інверторами, підключеними до мережі, та електричною мережею
Передача енергії та взаємодія:Основна функція інвертора, підключеного до мережі, полягає у перетворенні DC на AC та підключенні до мережі, що дозволяє передавати енергію. Він може підключати електроенергію, генеровану системою фотovoltaїки, до мережі, задовольняючи потреби інших користувачів. У цьому процесі мережа виступає як великий центр зберігання та розподілу енергії, а інвертор, підключений до мережі, служить мостом, що з'єднує розподілену енергію фотovoltaїки з цим центром. Наприклад, у розподілених проектах фотovoltaїки багато домогосподарств, які мають системи фотovoltaїки, продають надлишки енергії до мережі через інвертори, підключені до мережі, забезпечуючи двосторонній потік енергії — отримання та постачання енергії до мережі.
З точки зору мережі, з інтеграцією більшої кількості інверторів, підключених до мережі, джерела електроенергії стають більш різноманітними. Однак це також ставить нові вимоги до стабільності мережі та якості електроенергії.
Керування та адаптація:Наразі, інвертори, підключені до мережі, переважно працюють у двох основних режимах керування: керуванні струмом та керуванні напругою. У режимі керування струмом, інвертор намагається контролювати вихідний струм і повинен адаптуватися до змін напруги мережі та інших параметрів. Наприклад, у слабких мережах (високий імпеданс, слабка конструкція, низька стійкість до стрибкоподібних струмів), інвертор повинен мати сильну адаптивність до мереж з високим імпедансом, щоб уникнути резонансних явищ, які можуть призвести до поширення аварій. Різні виробники інверторів використовують різні алгоритми та механізми керування для адаптації до змін у мережі, такі як інтелектуальні алгоритми активного гасіння, щоб вирішити проблеми резонансу у слабких мережах, а також стратегії, такі як повторювальне керування, динамічні параметри PI, специфічне гасіння гармонік та компенсація мертвого часу.
У режимі керування напругою, інвертор націлений на керування напругою, роблячи зовнішні характеристики інвертора, підключеного до мережі, поводиться як кероване джерело напруги, здатне надавати підтримку для напруги та частоти. Це особливо підходить для підключень відновлювальної енергетики з високою проходженістю, означаючи, що інвертор може, до певної міри, регулювати напругу та частоту мережі для підтримки стабільної роботи.
III. Чи можуть інвертори, підключені до мережі, працювати без електромережі?
Зазвичай операція не дозволена:Відповідно до відповідних стандартів та правил безпеки, інвертори, підключені до мережі, зазвичай оснащені пристроями протидії островинності. Коли напруга мережі дорівнює нулю, інвертор припиняє роботу. Це тому, що якщо інвертор продовжує працювати під час відключення електроенергії, це може становити загрозу для особистого складу, який проводить обслуговування. Наприклад, якщо система ФЕС продовжує постачати електроенергію до мережі через інвертор під час відключення, це може легко спричинити електротравму та інші аварійні ситуації. Тому національні стандарти встановлюють, що інвертори, підключені до мережі, повинні мати функції виявлення та контролю островинності, а також повинні припиняти роботу, коли мережа недоступна.
Операція з особливими модифікаціями:Теоретично, без модифікації програмного або апаратного забезпечення, автономний інвертор можна використовувати для "симулювання" мережі, щоб фотодіодний інвертор вважав, що мережа нормальна, таким чином дозволяючи йому постачати електроенергію цій "мережі". Однак, цей метод несе ризики та не відповідає звичайним вимогам безпеки та регулятивних норм. Крім того, якщо інвертор, підключений до мережі, було модифіковано для можливості автономної роботи, наприклад, у деяких гібридних інверторах, що працюють як підключені до мережі, так і автономно, він може перейти в автономний режим, коли мережа відсутня. Проте це вже не функція чистого інвертора, підключенного до мережі, а результат спеціального проектування та модифікації.
IV. Необхідні умови для роботи інвертора, підключеного до мережі
Технічні умови:
Синхронізація частоти: Частота електромережі зазвичай становить 50 Гц або 60 Гц у більшості регіонів. Вихідна частота струму AC, яку генерує інвертор, повинна бути синхронізована з цією частотою. Це зазвичай досягається за допомогою технологій, таких як фазозамкнуті контури (PLL), щоб забезпечити, що частота AC інвертора відповідає частоті електромережі, інакше він не може нормально працювати.
Синхронізація фази: Окрім синхронізації частоти, вихідний струм AC інвертора також повинен бути синхронізованим за фазою з напругою електромережі. Синхронізація фази досягається за допомогою відповідних контрольних технологій. Лише з синхронізацією фази енергія, виділена інвертором, може плавно інтегруватися в електромережу без викликання небажаних наслідків, таких як коливання потужності та зниження якості електроенергії.
Збіг напруги: Вихідна напруга інвертора повинна відповідати напрузі електромережі в точці з'єднання. Хоча інвертори зазвичай розроблені для адаптації до різних рівнів напруги, вони повинні забезпечувати роботу в рамках безпечних меж. Якщо напруга не збігається, це може запобігти нормальному передачі електроенергії та навіть пошкодити інвертор або обладнання електромережі.
Обмеження гармонік: Під час перетворення постійного струму на змінний, інвертор може генерувати гармоніки, які можуть впливати на мережу, наприклад, спричинюючи деформацію напруги та заважаючи нормальній роботі іншого електричного обладнання. Тому інвертори повинні відповідати певним стандартам обмеження гармонік, щоб забезпечити якість електроенергії. Наприклад, вихідний струм інвертора не повинен містити постійну складову, а високі гармоніки в вихідному струмі інвертора повинні бути зменшені до мінімуму, щоб уникнути забруднення мережі.
Контроль реактивної потужності: Інвертор повинен мати можливість контролювати вихід реактивної потужності для підтримки стабільності напруги в мережі. У мережах з високою кількістю відновлюваної енергії, контроль реактивної потужності особливо важливий. Контролюючи реактивну потужність, можна регулювати рівень напруги в мережі, підвищуючи її стабільність та якість електроенергії.
Захист від ефекту острову: При відключенні мережі, інвертор повинен швидко від'єднатися від неї, щоб запобігти його наданню електроенергії відключеної мережі, захищаючи при цьому обслуговувальний персонал. Це одна з ключових функцій безпеки для інверторів, підключених до мережі.
Умови безпеки:
Електрична безпека: Інвертор та його встановлення повинні відповідати відповідним електричним стандартам безпеки, включаючи ізоляцію, захист від перенавантаження та коротких замикань. Наприклад, електрична ізоляція інвертора повинна бути добрею, щоб запобігти утеканню; у разі перенавантаження або короткого замикання, інвертор повинен активувати захисні механізми, щоб запобігти пошкодженню обладнання та можливим пожежам.
Ступінь захисту: Інвертор повинен мати певну ступінь захисту, щоб протистояти факторам середовища, таким як пил та волога. Зовнішні інвертори зазвичай потребують більшої ступені захисту, наприклад, IP65. Ступінь захисту забезпечує нормальне функціонування інвертора в різних умовах середовища та продовжує його термін служби.
Норми та стандарти:
Національні та галузеві стандартні: Сумісні з мережею інвертори повинні відповідати національним та галузевим стандартам, такими як китайський стандарт GB/T 37408 - 2019, який визначає технічні вимоги до інверторів для сонячних панелей, сумісних з мережею. Ці стандарти охоплюють багато аспектів, включаючи продуктивність, безпеку та якість електроенергії, забезпечуючи, що інвертори відповідають регуляціям при роботі в мережі.
Дозволи та затвердження: Встановлення та експлуатація сумісних з мережею інверторів можуть потребувати дозволів та затверджень від енергетичного відділу, щоб забезпечити, що вони не негативно впливають на мережу. Енергетичний відділ перегляне місце встановлення, потужність та технічні параметри інвертора, і лише після затвердження інвертор може бути підключений до мережі.
Економічні фактори:
Повернення інвестицій (ROI): Користувачі або компанії, які розглядають можливість підключення інверторів до мережі, оцінюють ROI, включаючи початкові витрати на інвестиції, операційні та витрати на обслуговування, а також потенційні державні субсидії або доходи від продажу електроенергії. Якщо ROI не сприятлива, це може вплинути на захоплення від ідеї підключення інверторів до мережі. Наприклад, якщо початкові витрати на інвестиції високі, а ціна продажу електроенергії низька без достатніх субсидійних політик, інвестори можуть бути відштовхнуті.
Субсидійні політики: Різні регіони можуть мати різні субсидійні політики, які можуть впливати на економічну доцільність проектів з підключення інверторів до мережі. Деякі регіони надають субсидії для заохочення розвитку відновлюваної енергетики, включаючи субсидії на придбання інверторів та тарифи на відпуск електроенергії, що допомагає покращити економічні переваги проектів з підключення інверторів до мережі.
Сумісність системи:
Сумісність з мережею: Інвертор повинен бути сумісним із існуючою системою електропостачання, включаючи структуру, масштаб та операційні характеристики мережі. Різні структури мереж (наприклад, TT, IT, TN системи живлення) та їх масштаби (наприклад, низьковольтні та високовольтні мережі) мають різні вимоги до інверторів, і інвертор повинен бути здатний адаптуватися до цих відмінностей, щоб забезпечити стабільне підключення до мережі.
Сумісність обладнання: Інвертор повинен добре поєднуватися з підключеним обладнанням для генерації енергії (наприклад, сонячні панелі, вітрові турбіни), щоб забезпечити ефективне перетворення енергії. Наприклад, вихідна потужність та напруга сонячних панелей повинні відповідати вимогам до входу інвертора, щоб забезпечити ефективність та продуктивність всієї системи генерації.
Фактори середовища:
Екологічна адаптивність: Інвертор повинен здати адаптуватися до екологічних умов місця встановлення, таких як температура та вологоść, для забезпечення довготривалої стабільної роботи. Наприклад, у високотемпературних середовищах, теплообмінна продуктивність інвертора має бути хороша, щоб запобігти пошкодженню через перегрівання; у високовологих середовищах, інвертор повинен мати властивості протидії вологі, щоб уникнути внутрішніх коротких замикань.
Екологічний вплив: Дизайн та функціонування інвертора повинні враховувати його вплив на навколишнє середовище, такий як шум та електромагнітне завадження. Потрібно зробити все можливе, щоб зменшити шум, що генерується під час роботи інвертора, щоб уникнути шумового забруднення, а електромагнітне завадження повинно бути контроловане, щоб запобігти завадженню інших електронних пристроїв.
Експлуатація та обслуговування:
Користувацький інтерфейс: Інвертор повинен надавати інтуїтивний користувацький інтерфейс для моніторингу стану системи та виконання необхідних налаштувань. Наприклад, користувачі можуть переглядати параметри роботи інвертора (наприклад, напруга входу/виходу, струм, потужність) та інформацію про аварійні сигналізації через інтерфейс, а також виконувати основні налаштування (наприклад, обмеження потужності, вибір режиму роботи).
Вимоги до обслуговування: Обслуговування інвертора повинно враховувати легкість обслуговування, вартість обслуговування та цикли обслуговування. Інвертор, який легко обслуговувати, може знизити вартість та складність обслуговування, а розумний цикл обслуговування може забезпечити довгострокову стабільну роботу. Наприклад, внутрішня конструкція інвертора повинна бути спроектована таким чином, щоб сприяти перевірці обслуговуючим персоналом, а термін служби та вартість заміни його компонентів повинні бути розумними.
V. Роль мережі у роботі інвертора, підключенного до мережі
Надання посилання для операції:Напруга, частота та інші параметри мережі надають стандартне посилання для роботи змінювачів, підключених до мережі. Змінювач повинен налаштовувати свій вихідний сигнал відповідно до напруги та частоти мережі, щоб збігатися з цими параметрами. Наприклад, змінювач використовує технології, такі як PLL, для синхронізації частоти та фази свого вихідного альтернативного струму з мережею та збігу напруги, забезпечуючи гладке інтегрування енергії в мережу. Без надання цих посилань мережею, змінювач не зможе точно налаштовувати свій вихід, і нормальне підключення до мережі буде неможливим.
Дозволення передачі та розподілу енергії:Мережа надає платформу для передачі та розподілу енергії від змінювачів, підключених до мережі. Після того, як змінювач під'єднує альтернативний струм, генерований системою фотоелементів, до мережі, мережа може передавати цю енергію туди, де вона потрібна, забезпечуючи широкий розподіл. Це дозволяє енергії фотоелементів інтегруватися в більшу систему електропостачання, надаючи електроенергію більшому числу користувачів. Масштаб та структура мережі також впливають на методи підключення та операційні вимоги до змінювачів. Наприклад, у різних напружень (наприклад, низьконапігні та високонапігні мережі) змінювач повинен відповідати відповідним стандартам доступу та технічним вимогам, щоб забезпечити безпечну та ефективну передачу енергії.
Забезпечення стійкої роботи:У мережі багато пристроїв генерації та споживання електроенергії взаємопов'язані, формуючи велику систему електропостачання. Ця система має певну ступінь стійкості та інертності, що допомагає стабілізувати роботу інверторів, підключених до мережі. Наприклад, коли вихідна потужність системи фотоелектроперетворення змінюється, мережа може збалансувати ці коливання за допомогою власних механізмів регулювання (наприклад, налаштування вихідної потужності інших генеруючих пристроїв), що зменшує вплив на інвертор. Крім того, мережа забезпечує захист від коротких замикань та інших безпекових функцій. Якщо виникає аварія через коротке замикання на виході інвертора, пристрої захисту мережі втілюють дії для запобігання поширенню аварії, захищаючи інвертор та інше обладнання.
