Новости в развитието на инверторните системи за PV инсталации

• Свързаните към мрежата инвертори разполагат със софтуер за настройка на параметрите и мониторинг на системата с функции за регистриране на данни и онлайн визуализация за дистанционно наблюдение
  
  

• Смарт инверторите могат да преминат в режим на изчакване, да проследят продължителността на отклонението и да се изключат само ако то продължи прекалено дълго
  
  

• Архитектурата на интелигентните инвертори трябва да позволява наблюдение на състоянието на системата на локално ниво с цел навременно идентифициране на атаки и опасности по отношение на киберсигурността

В миналото функцията на инверторите се изчерпваше с преобразуването и подаването на соларната електроенергия в електроразпределителната мрежа. От инверторите на бъдещето обаче се изисква да работят в динамично взаимодействие с мрежата, повишавайки стабилността, надеждността и безопасността й при присъединяването на все повече разпределени източници на възобновяема енергия.

Смарт инверторите са по-усъвършенствани устройства, които могат да вземат автономни решения. Вместо само да подават електроенергия в мрежата, смарт инверторите осигуряват двупосочна комуникация с нея. Благодарение на специализиран софтуер тези устройства могат да изпълняват специфични функции, свързани с управление на напрежението, честотата, комуникацията и други параметри.

Основната разлика в сравнение с традиционните инвертори е, че смарт устройствата са програмирани да реагират на мрежата по автоматизиран начин, но не само при прекъсвания, но и за целите на поддръжката й. Конвенционалните инвертори просто се изключват, когато засекат отклонения в мрежата – флуктуации в напрежението или честотата, дори ако отклонението е малко и не носи последствия. Причината, поради която това е нежелателно, е, че това може да доведе до превръщането на незначителното отклонение в по-сериозен проблем. Ключови фактори за стабилността на мрежата са именно постоянните напрежение и честота.

При изключването на множество присъединени към мрежата инвертори може да се стигне до нестабилности, които да доведат до цялостни прекъсвания на електроснабдяването или ограничаване на капацитета на услугата. С цел да се избегнат нежелани флуктуации в напрежението в мрежата, свързани със соларната енергия, смарт инверторите могат да издържат на малки отклонения, тоест могат да преминат в режим на изчакване, да проследят продължителността на отклонението и да се изключат само ако то продължи прекалено дълго.

Увеличаването на броя на смарт инверторите може съществено да разшири мащаба на пазара на соларни технологии. Отделните разпределени енергийни източници вече ще разполагат с функционалност за поддръжка на мрежата, тоест те ще могат да се разглеждат повече като допълнителен актив, а не като натоварване. Освен комуникация с мрежата смарт инверторите предлагат и комуникация с различни части от отделните масиви. Това позволява например бързата намеса с цел спиране на напрежението в соларната система в случай на авария.

Проблеми с настоящите инвертори

Повечето електронни компоненти на инверторите са чувствителни по отношение на температурата. Високите температури могат да доведат до значително редуциране или дори спиране на генерирането на енергия при достигането на максималната работна температура. Следователно при проектиране на инвертора трябва да се гарантира целесъобразността на използваната система за температурно управление. За да се постигне максимална ефективност, по време на експлоатация редовно трябва да се извършват проверки на охлаждащата система, както и да се предприемат допълнителни мерки, гарантиращи нормалното й функциониране, например монтиране или почистване на филтри за прах.

При възникване на късо съединение между отделните части на инверторната верига се наблюдава т. нар. изолационна грешка. Основните причини за този тип грешки са комбинация от висока влажност, увредени обвивки на кабелите, неправилен монтаж и недобра свързаност към постояннотоковите кабели в таблото. При регистриране на изолационна грешка инверторът спира да работи напълно или не функционира при пълния си капацитет. И в двата случая това води до загуби.

Решение на този проблем може да бъде внедряването на програма за превантивна поддръжка.

След прекъсване или дисбаланс в мрежата инверторите трябва да могат да се рестартират. Ако това не е възможно, е необходимо да се изпрати технически екип, който да отстрани проблема, като това е свързано със загуби на енергия, време и финансови средства. Използването на система за непрекъснат мониторинг е от съществено значение за навременното откриване на дефекти. Свързаните към инвертора PV модули няма да могат да подават енергия, докато неизправността не бъде открита и отстранена. Поради това е важно организацията на системата да е на високо ниво, особено за инсталации в региони, където свързаността към мрежата невинаги е стабилна. Свързаните към мрежата инвертори обикновено разполагат със софтуер за настройка на параметрите и мониторинг на системата с функции за регистриране на данни и онлайн визуализация за дистанционно наблюдение.

Почти всички конвенционални инвертори работят на база концепцията за проследяване на точката на максимална мощност (MPPT). Тази функция е разработена с цел постигане на оптимални стойности на параметрите на инверторите. Както е известно, заради мащаба на съвременните PV инсталации няколко реда от фотоволтаични модули са свързани последователно в т.нар. стрингове. В резултат на множество фактори, включващи например засенчване, различно разположение, наличие на грешки и др., не всички стрингове генерират едно и също количество енергия. MPPT алгоритъмът е проектиран по такъв начин, че инверторът винаги е свързан към оптималното напрежение въпреки вариращите стойности при отделните стрингове. Периодът на контрол на MPPT оказва значимо въздействие върху ефективността на производството на енергия и стабилността на фотоволтаичната система. Проследяването на точката на максимална мощност се осъществява посредством различни алгоритми. Повечето от тях обаче са бавни, което, от своя страна, води до понижаване на ефективността.

Разработване на смарт инвертори

Отчитайки гореописаните проблеми, се вижда, че конвенционалните PV инвертори не осигуряват достатъчно ниво на гъвкавост за управление на големи количества възобновяема енергия и контролиране на надеждността на системата. Повечето от тях се изключват автоматично от мрежата при определени стойности на напрежението или честотата. Стандарт IEEE 1547 предоставя изискванията за цялостно изключване на инвертора при някои вариации на напрежението. В случай че пад или пик на напрежението достигне до определена гранична стойност, инверторът ще се изключи от системата. Защитното оборудване, инсталирано на фидера, отчита това като грешка, което води до прекъсване на електроподаването. Смарт инверторите са гъвкави в подобни ситуации и позволяват предотвратяването на такива проблеми. Те са дистанционно програмируеми компоненти, които дават възможност за прецизно управление на темпа на изменение на производителността.

Смарт инверторите позволяват двупосочна комуникация с центровете за управление на елекетроразпределителните дружества. В допълнение усъвършенствани функционалности дават възможност с помощта на сензори за напрежение и честота да се засекат отклонения в мрежата и да се изпрати обратна връзка към операторите.

Функции за стабилизация на мрежата

Функцията за включване/изключване от мрежата предоставя две опции за спиране на работата на инвертора и откъсването му от мрежата. Първият вариант е да се зададе изходна мощност, равна на нула, което е известно като виртуално изключване. Втората възможност е използването на комутатор, който да изолира инвертора от мрежата, което може да се разглежда като физическо изключване. Функцията не е свързана с целенасочено изолиране или отделяне на клиента от мрежата, а се отнася до управлението на комутатор (виртуален или физически), който сепарира разпределения енергиен източник от мрежата, като същевременно оставя клиентите свързани към нея.

Системите за съхранение се смятат за решение на проблемите с дисбалансите по отношение на генерирането на енергия и натоварванията с оглед на мрежите със свързани към тях възобновяеми енергийни източници с променлив характер на производство на енергия. За разлика от конвенционалното управление на свързаните към мрежата инвертори, функцията за управление на съхранението на енергия дава приоритет на стабилността на мрежата при същевременно поддържане на нормалния двупосочен обмен на енергия. Определящи фактори за тази функция включват конфигурацията на мониторинг на батериите, управление на зареждането и разреждането, както и на изходната мощност.

Смарт инверторите трябва да предлагат и функция за регистриране и докладване на събития. Обикновено всеки запис съдържа информация за дата и час на събитието, референтна стойност, измерена стойност, код/тип на събитието, допълнителни специфики.

Архитектурата на смарт инверторите трябва да позволява наблюдение на статуса на системата на локално ниво с цел навременно идентифициране на атаки и опасности по отношение на киберсигурността. Тази функция се реализира на база засичане на изменения в качеството на енергията, дисбаланси в напрежението/тока и др.

Комуникационни функции

Plug-and-play (PnP) функционалността представлява възможността смарт инверторите да се добавят към енергийната система и да работят автоматично, без да е необходима отделна техническа конфигурация. Това гарантира реализирането на ползи като мащабируемост, оперативна съвместимост, стабилност и надеждност.

Друга съществена характеристика на смарт инверторите е способността за адаптиране към измененията на експлоатационните условия в системата. Това означава предоставяне на възможност за оценяване на параметрите, предимно на импеданса на мрежата и синхронизацията по отношение на честотата.

Автономността на смарт инверторите предполага способност за самостоятелно определяне на работния режим. Тази функция може да е необходима при ограничена или липсваща комуникация или за постигане на желаното ниво на надеждност. За целта смарт инверторите трябва да разполагат с възможности за динамично подаване на енергия към мрежата, безпроблемен пренос на енергия и подобряване на качеството на електроенергията.

Ползи от смарт инверторите

По-голямата част от предлаганите на пазара днес инвертори не са интелигентни – те осигуряват променлив ток с правилните напрежение и честота, съвместими с разпределителната мрежа, но по своята същност представляват пасивни устройства. Конвенционалните инвертори не могат да идентифицират измененията в мрежата и да се саморегулират спрямо тях.

Усъвършенстваните смарт инвертори обаче могат да спомогнат за предотвратяване на срива на една фотоволтаична система, когато той не е напълно неизбежен. По този начин на практика те могат да повишат стабилността и надеждността на мрежата чрез предотвратяване на влошаването на стойностите на напрежението и честотата в резултат на внезапното изключване на стотици или хиляди фотоволтаични панели.

Смарт инверторите са на път да отговорят на една от основните нужди на бързоразвиващия се сектор на електроразпределителните дружества. С инсталирането на все повече и повече покривни системи се намалява необходимостта от големи централизирани инсталации. Вследствие на това нарастващ брой от тези инсталации се закриват и операторите на електроразпределителната мрежа са принудени да търсят начини за осигуряване на високото ниво на надеждност, което клиентите им досега са приемали за даденост.

Комбинацията от интелигентни инвертори и нови методи за управление ще бъде от съществено значение за подпомагане на комуналните дружества в прехода към електроразпределителната мрежа на бъдещето, в която голям дял от енергията ще е генерирана от соларни и вятърни системи.