Фотоэлектрические инверторы

1. Фотоэлектрические преобразователи - два ключевых элемента
2. Маленький инвертор
3. Электроника под модуль
4. В ожидании информации
5. Революция на уровне модулей
6. Фотоэлектрические инверторы - безопасность
7. Системный мозг
8. Заглядывая в будущее

Развитие фотоэлектрических установок по всему миру, от США, Европы до далекой Азии, постоянно повышает роль и значение солнечного инвертора. Это связано с растущими потребностями отдельных рынков. В начале своего развития самым важным элементом была эффективность преобразования постоянного тока в переменный ток и надежность устройств, работающих чаще всего в очень сложных условиях от -25 ° С до даже 45-55 ° С. Однако со временем отрасль начала ожидать от инверторов последующих функций и улучшений, вытекающих из новых тенденций, правил или даже ожиданий потребителей. Хотя инвертор составляет около 10-15% стоимости всего проекта, он стал его наиболее важной частью. Сломанный инвертор - это наиболее часто не работающая целая установка, а отсутствие некоторых функций в инверторе - это отсутствие этих функций во всей системе. Этот инвертор также отвечает за сотрудничество с энергосистемой. Вот почему важно выбрать и установить инвертор PV. Элемент выбора инвертора является одним из наиболее важных моментов, потому что он определяет в дальнейшем эффективность или нет всей системы.

Фотоэлектрические преобразователи - два ключевых элемента

Фотоэлектрическая система состоит из ряда компонентов, но с точки зрения дизайна и выбора устройств два элемента имеют решающее значение - это фотоэлектрические модули и сам инвертор. С ростом важности и функциональности фотоэлектрического инвертора все большее значение приобретают аспекты, связанные с простотой проектирования системы и вопросом о том, как инвертор может помочь в этом. Первые фотоэлектрические инверторы не давали слишком много гибкости, и число возможных конфигураций системы было очень ограничено. Это означало, что проектирование фотоэлектрических установок было очень сложным и занимало много времени.

Следует помнить, что модули в солнечных системах соединены последовательно для увеличения напряжения и параллельно для увеличения тока. Таким образом, мы подошли к одной из первых проблем, с которыми сталкивается фотоэлектрическая промышленность, а именно, как эффективно искать идеальную рабочую точку - точку максимальной мощности (MPP) для такого большого количества модулей, соединенных последовательно и параллельно. Первые инверторы заставили проекты довольно сложно реализовать в реальной жизни. Все цепи последовательно соединенных модулей должны были иметь одинаковую длину, ориентацию и наклон при параллельном соединении из-за того, что инвертор искал максимальную рабочую точку (MPP), общую для всех цепей. При неравном количестве модулей в цепях это приведет к потерям в производстве энергии из-за несоответствия.

Рис. 1. Типы фотоэлектрических инверторов: а) центральный инвертор; б) цепной инвертор; в) микроволновая печь; d) система с оптимизатором мощности (источник: собственная работа для: «Топологии однофазного инвертора без трансформатора для фотоэлектрической системы, связанной с сеткой: обзор», Monirul Islama; Саад Мехилефа; Махамудул Хасанб).

Прорывом в развитии отрасли стала разработка инверторов с двумя или более системами отслеживания максимальной мощности (MPPT). Это сделало монтажные проекты проще и понятнее. Эта тенденция к увеличению числа систем, ищущих максимальную рабочую точку, совпала с другой тенденцией, связанной с топологией инверторов. В первый период развития фотоэлектрических систем доминирующими устройствами были инверторы высокой мощности, особенно на солнечных фермах, в основном использовались центральные инверторы. Стремление дизайнеров к большей гибкости привело к быстрой разработке струнных инверторов, что оказало колоссальное влияние на разработку небольших проектов, а также на популяризацию домашних систем.

Маленький инвертор

Небольшой инвертор, оборудованный двумя системами для отслеживания максимальной рабочей точки, дал гораздо большие возможности проектирования в случае крыш односемейных домов, поверхности которых обычно очень ограничены и сложны, что сделало невозможным использование инверторов только с одной системой контроля максимальной рабочей точки. Эта тенденция снижения мощности инверторов, с одной стороны, способствовала демократизации энергии, была создана новая группа производителей электроэнергии - так называемые просумеры, которые производят электроэнергию для собственных нужд, а излишки отдают в сеть. С другой стороны, снижение мощности также привело к созданию совершенно новой группы солнечных инверторов - группы устройств под названием Module Level Power Electronic (MLPE). В настоящее время в группу входят две технологии: микроволновые печи и оптимизаторы мощности.

Электроника под модуль

Благодаря расположению электроники под каждым модулем (на каждом модуле установлены и микроконтроллер, и оптимизатор), был получен ряд новых возможностей, начиная от упрощения конструкции, улучшения контроля и заканчивая функциями безопасности. Тот факт, что под каждым модулем имеется электроника, способствовал тому, что каждый модуль имеет свою собственную систему слежения за максимальной рабочей точкой (MPPT), которая предоставляет практически неограниченные возможности для небольших проектов, для сложных крыш или даже для теневых, что было практически исключен в случае систем с центральными или цепными инверторами. В то же время производительность таких систем намного выше из-за отсутствия несовпадающих проблем из-за затенения, загрязнения, непереносимости, неравномерной деградации и других факторов.

В ожидании информации

Развитие солнечной энергии привело к тому, что индустрия становилась все больше, и компании, занимающиеся сборкой и управлением солнечными системами, начинали иметь все больше и больше установок для контроля. Это привело к увеличению ожиданий для инвертора в области мониторинга установки. Первая фотоэлектрическая система имела очень ограниченную функцию контроля, чаще всего измеряли только энергию, производимую системой. Это не давало компаниям, управляющим слишком большой информацией о том, что потенциально может произойти на установке, следовательно, все виды дефектов чаще всего обнаруживались при очень дорогостоящих визитах на техническое обслуживание и ремонт. Промышленность стала ожидать от производителей инверторов все большей и большей информации, предоставляемой инвертором, о характеристиках системы, таких как напряжение цепи и ток.

Эта тенденция также была тесно связана с вышеупомянутым переходом от систем с центральными инверторами к цепным инверторам. Инверторы малой мощности, предоставляющие информацию о характеристиках части системы, дали возможность сравнительного анализа между отдельными частями системы (каждый из которых подключен к другому инвертору). В то время также произошла значительная разработка инструментов мониторинга и удаленного мониторинга. Производители инверторов и сторонние компании начали предлагать агрегацию и графическое представление данных из солнечной системы, что должно было помочь компаниям, управляющим большим количеством установок, лучше и дешевле в обслуживании. Обнаружение ошибок перенесено с контрольного посещения на удаленную диагностику системы. Если оператор обнаружил какие-либо аномалии в системе, не стал ждать обслуживания с установленной датой, отправил только техников сразу после обнаружения ошибки.

Революция на уровне модулей

Конечно, эта система не решала все проблемы, потому что техническим специалистам все еще приходилось искать ошибку при установке, но время отклика стало намного короче, а эффективность обнаружения ошибок была выше. Однако настоящая революция в мониторинге солнечных установок произошла с помощью электроники на уровне модулей. Микрофильтры и оптимизаторы питания предоставляют информацию о производительности каждого модуля в отдельности, предоставляя компаниям, управляющим системами, неограниченные возможности управления управляемыми системами и значительное снижение затрат на обслуживание и обслуживание. Теперь менеджер по установке знает, какой модуль не работает, и оператор посылает техников для конкретной цели - замены неисправного компонента. Это сокращает время на обслуживание, значительно сокращая затраты на эту работу.

Сам аспект техобслуживания, профилактических и профилактических работ изменился с развитием рынка. Первые фотоэлектрические системы в стандартной комплектации не были оснащены устройствами безопасности или мониторинга на предмет потенциальной опасности. С развитием рынка инверторы стали мозгами всей системы, а следовательно, и элементом, отвечающим за безопасность. Здесь роль, навязанная развитию производителей, перешла к компаниям, которые устанавливают и поддерживают органы регулирования рынка и органы сертификации. Страны, в которых фотоэлектрическое оборудование стало развиваться быстрее, ввели свои внутренние правила, вынуждая производителей интегрировать новые функции, такие как мониторинг сопротивления изоляции, контроль работы на острове, мониторинг состояния сети, а в последнее время, например, обнаружение возможности искрения или снижение напряжения до безопасного уровня в случае сбоя или ручного отключения для технического обслуживания.

Рис. 2. Разделение электроники на модульном уровне, источник: собственная разработка.

Возвращаясь к началу рассуждений, следует помнить, что фотоэлектрические цепи состоят из множества последовательно соединенных модулей (до 22 в одной цепи), что приводит к очень высокому напряжению в системе. Вы должны знать, что солнечные системы, хотя и очень безопасны из-за ряда норм и правил, в случае плохого дизайна или неправильной установки, а также в аварийных ситуациях, могут представлять потенциальную опасность, именно из-за очень высокого напряжения в системе даже после выключения инвертора. По этой причине необходимость снижения напряжения стала очень важной в последние годы из-за ее влияния на безопасность не только установщиков или сервисных бригад, но также и для спасательных бригад, в частности для пожарных. Все больше и больше стран мира вводят новые ограничительные правила, предписывающие использовать решения, которые предоставляют такую ​​функциональность. Здесь стоит отметить, что современные тенденции развития инверторов учитывают эти требования. Электроника на уровне модулей (MLPE) предоставляет эти функции в качестве стандарта, обеспечивая большую безопасность.

Фотоэлектрические инверторы - безопасность

В случае проблем безопасности роль инвертора в интеграции с энергосистемой не может быть опущена. С самого начала развития отрасли инверторы должны были контролировать параметры сети, хотя бы по соображениям безопасности. Каждая страна имеет свои собственные инструкции и рекомендации, когда и при каких условиях фотоэлектрический инвертор должен отключаться от сети. Польша здесь не исключение, и инвертор, желающий работать в польской электросети, должен соответствовать условиям, изложенным в Руководстве по эксплуатации и обслуживанию распределительной сети (IRiESD). Эти условия были очень громко обсуждены в последнее время, потому что польские операторы, желая согласовать свои правила, в том числе и с правилами ЕС, предложили довольно противоречивые и ограничительные изменения. В настоящее время они являются предметом обсуждения и анализа, а также консультаций, также с фотоэлектрической промышленностью.

На данный момент роль производителей инверторов является и должна быть самой большой. В конце концов, инвертор является единственным элементом всей фотоэлектрической установки, который находится в контакте с энергосистемой. На первом этапе развития фотоэлектрической промышленности инвертор должен был контролировать только основные параметры, такие как напряжение (параметры пониженного и повышенного напряжения), частоту (параметры ниже и выше частоты). Однако с развитием рынка и все большим проникновением систем возникла необходимость интеграции фотоэлектрических систем в распределительные сети. В дополнение к измерению основных параметров, перечисленных ранее, преобразователи должны иметь возможность реагировать способом, принятым оператором и регулятором рынка (регулятор рынка играет здесь надзорную роль, чтобы избежать злоупотреблений со стороны как DSO, так и производителей энергии).

Многие страны вместе с отраслью создали нормативные акты, адаптированные к специфике рынка. Лучшим примером является интеграция, созданная совместно немецкими DSO и фотоэлектрической промышленностью. В настоящее время в германской энергосистеме работают более 2,5 миллионов производителей энергии (для сравнения, в Польше даже нет 25 000), из которых большая часть состоит из солнечных установок. Поэтому так важно, чтобы инвертор мог поддерживать сеть в обеспечении стабильности энергоснабжения. В Германии, помимо мониторинга сети, реагирования на определенные аномалии, инвертор, кроме того, участвует в производстве реактивной мощности (элемент стабилизации сети), должен быть в состоянии справиться с соответствующим (предполагаемым регулятором) способом с кратковременными сбоями в сети (Fault Right Through), но также с длительными сбоями, с внезапным увеличением частоты сети (со значительным перепроизводством) - проблема 50,2 Гц в Германии и другие проблемы, характерные для данного рынка.

Системный мозг

С этой точки зрения, фотоэлектрический инвертор также все чаще упоминается как мозг системы батарей. Накопитель энергии, встроенный в солнечную систему, может стать отличным стабилизатором сети. В ситуациях перепроизводства в национальной энергосистеме сотни тысяч небольших накопителей энергии могут помочь стабилизировать ситуацию, а в случае нехватки энергии (в часы пик или в производственных нишах) ранее накопленная энергия помогает удовлетворить требования получателей.

Заглядывая в будущее

Развитие фотоэлектрических инверторов не может не игнорировать эту тенденцию, и это будущее инверторов. Первые устройства для преобразования постоянного тока в переменный ток для фотоэлектрических систем были сконструированы таким образом, чтобы к ним не было возможности подключать накопители энергии. Сегодня современный инвертор с небольшой реорганизацией системы способен работать с батареей и, кстати, поддерживать сеть в сложных условиях - инвертор решает, когда и как использовать батарею - накапливать избыточную энергию в батарее или отправлять ее в сеть. Этот инвертор определяет, когда аккумулятор заряжается, когда он находится в режиме ожидания, и когда его необходимо разряжать, чтобы получить наилучший экономический и технический эффект. Другое направление развития - способность инвертора поддерживать управление нагрузкой. Инвертор, подключенный к измерительным приборам (интеллектуальный счетчик энергии), вносит свой вклад в изменение моделей потребления и регулирует потребление в соответствии с производством энергии, перемещая ввод в эксплуатацию таких устройств, как водонагреватели, кондиционеры, садовые насосы или современные тепловые насосы, на время фотоэлектрической установки.

Поскольку инверторы могут управлять производством и потреблением энергии, логично объединить фотоэлектрическую систему с умным домом и предоставить инвертору функцию управления. Последней разработкой фотоэлектрических преобразователей является их интеграция с электромобильностью. Потенциал для подключения фотогальваники к электромобилям имеет неограниченные возможности. Обе технологии, являющиеся сегодня мегатрендами в мире, дают ряд увлекательных приложений, которые могут быть реализованы в будущем - использование зеленой энергии для питания электромобилей является синергетическим эффектом, повышающим эффективность борьбы с изменением климата. Для владельцев фотоэлектрических систем электромобиль - это элемент более эффективного использования генерируемой энергии и еще лучший экономический эффект. Кроме того, сервисы V2G (Vehicle to Grid) будут дополнительно интегрировать инвертор в электросеть как часть службы реагирования на спрос. Это особенно полезно, потому что интеллектуальные инверторы и системы распределенного питания начинают заменять централизованную сеть.

В ближайшем будущем солнечный инвертор станет элементом почти каждого дома, который будет управлять не только производством фотоэлектрической установки, но также заряжать и разряжать аккумуляторы, в том числе в электромобиле. Инвертор решит, когда запускать отопительную или стиральную машину, чтобы наиболее эффективное использование энергии установки помогло стабилизировать сеть, став частью не только Умного дома, но и Умной сети. В связи с растущей ролью бытовой электроники, роль инвертора также будет расти.

Михал Марона

Похожие