Влияние на инверторите върху производителността на PV системите

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2012

Ефективност на самостоятелно комутиращи, трансформаторни и безтрансформаторни инвертори, съвременни концепции, стандарти

Производителността на всяка фотоволтаична инсталация в еднаква степен зависи както от ориентацията, свързването и качеството на фотоволтаичните модули, така и от надеждността и ефективността на инвертора. Както е известно, инверторът представлява връзката между фотоволтаичната система и електроразпределителната мрежа и поради тази причина трябва едновременно да изпълнява няколко задачи. Сред най-важните от тях са търсенето на максималната работна точка (МРР) и преобразуването на постоянния ток, подаван от фотоволтаичния генератор, в променлив с подходящо за мрежата напрежение и честота.

Токът и напрежението на фотоволтаичните панели се колебаят в широки граници поради промени в степента на слънчевото греене и температурата, което от своя страна води до променлива крива ток-напрежение (I-V) с различни МРР. Модерните инвертори са разработени винаги да намират точната МРР и незабавно да проследяват нейното движение. Това бързо проследяване позволява използването на максималната възможна производителност на фотоволтаичния панел.

Освен че проследява МРР и преобразува постоянния ток (DC) в променлив (АС), инверторът изпълнява и други критични задачи. Така например участва в мониторинга на системата - събира и съхранява информация като работни данни, които са необходими за анализа на ефективността на фотоволтаичната централа. Той също така показва съобщения за грешка и когато е необходимо ги изпраща към оперативния център. Освен това наблюдава връзката с мрежата и проверява дали тя е налична или е изключена. Наскоро инверторите започнаха да бъдат отговорни и за контролирането на процеса на преминаване през грешка и подаването на реактивна мощност за стабилизиране на мрежата.

Европейски и калифорнийски стандарти за ефективност

В резултат на конвертирането на постоянния ток в променлив, могат да настъпят загуби, които е възможно да са особено високи в диапазона на частичен товар на инвертора (0 до 20% от номиналната мощност). Инверторите обикновено постигат максимална ефективност на ниво половината от номиналното напрежение - някои дори надвишават 98%. Наклонът на кривата на ефективност е важен елемент при проектирането на инвертора, тъй като той трябва да работи в диапазона на частично натоварване възможно най-малко часове през годината. Времевата крива на производителността на фотоволтаичната система е от критична важност, тъй като фотоволтаичният генератор рядко подава енергия при пълна номинална производителност. Поради тази причина е изключително важно да се знае вероятността от появата на различна производителност.

Европейският и калифорнийският стандарт за ефективност са два често използвани метода за сравнение, които отговарят на различните условия на слънчева радиация в Централна Европа (по-слаба, по-дифузно облъчване) и Калифорния (силна, по-директна).

Европейският стандарт за ефективност позволява сравнението на различни инвертори с различни криви на ефикасност, като се вземе предвид времето, през което се очаква инверторът да работи на определен процент товар/ нива на облъчване със слънчеви лъчи.

Следната формула се използва за европейска ефективност (в регионите с обща годишна радиация от порядъка на 1000 кВтч / кв.м върху хоризонталната равнина):

hEUR=0.03 h5%+0.06 h10%+0.13 h20%+0.1 h30%+0.48 h50%+0.2 h100%

За региони с висока слънчева радиация - около 1200 кВтч / кв.м годишно глобално излъчване върху хоризонтална повърхност, както е в Южна Европа, калифорнийският стандарт за ефективност дава по-подходящи резултати. В съответствие с различните условия на радиация формулата е:

hCEC = 0.04h10%+0.05h20%+0.12h30%+ +0.21h50%+0.53h75%+0.05h100%

На местата, където преобладава умерена слънчева радиация, специалистите препоръчват избор на инвертор с много по-ниска номинална производителност от тази на фотоволтаичния парк. Подобно понижаване на характеристиките на инвертора има предимството, че той ще работи в диапазона на висока производителност през по-голямата част от времето и по този начин ще бъде по-ефективен. Недостатъците на този тип дизайн на системата са, че инверторът ще се претовари по-бързо, ако нивото на слънчева радиация е високо. Ако това се случи, енергията ще бъде изгубена в резултат на вътрешните ограничения на производителността. Поради тази причина операторът на фотоволтаичния парк ще трябва да избира дали да отдаде приоритет на наличността на слънчева енергия или икономическата печалба. Могат да бъдат постигнати оптимални печалби с относително малък инвертор, въпреки че понякога той може да се претовари и в резултат енергийната производителност да се понижи. Този тип разположение обаче е по-евтин - спестяване, което може да покрие загубите от слънчева енергия.

Поради ниската крива на ефективност в диапазона на частично натоварване, първоначално бе широко възприета практиката производителността на АС инверторите да се задава с 25% по-ниско от номиналната производителност на генератора. Но, от гледна точка на съвременните доста по-добри криви на ефективност, вече се препоръчва избягването на това сериозно понижаване на характеристиките. Освен това, метеорологичните данни също са се подобрили и сега се оказва, че кратките радиационни пикове се случват по-често от очакваното.

Основавайки се на теорията, че максимум 0,5% от генерираната енергия трябва да бъде губена поради ограничения в производителността, сега се препоръчва номиналната производителност на инвертора да не бъде повече от 10% по-ниска от номиналната производителност на фотоволтаичната система. Много експерти дори защитават тезата, че практиката за понижаване на характеристиките на инвертора трябва да се премахне изцяло.

Автономна работа

Благодарение на високата си ефективност и изключително качество на енергията, която подават в мрежата, самостоятелно комутиращите инвертори са добили силни позиции на пазара. Такива инвертори съдържат микропроцесор за създаването на сигнали за включване и изключване за електронния прекъсвач. Честотата на превключване е много по-висока от честотата на мрежата. Поради по-бързото превключване на електрически устройства в честотния диапазон от 10 kHz до 100 kHz, импулсите се формират, задава им се продължителност и отстояние един от друг, за да оформят синусоидална вълна. Така след изглаждане на сигнала с нискочестотен филтър има добро съгласуване със синусоидалния сигнал на мрежата. Поради тази причина захранването, което се подава към мрежата, има малко нискочестотни хармонични компоненти. Необходимостта от реактивната мощност на самостоятелно комутиращите инвертори е малка.

Поради високата честота на превключване за формирането на импулсите тези устройства създават високочестотен интерфейс. Това означава, че проблемите с електромагнитната съвместимост (ЕМС) трябва да бъдат взети под внимание при избора на оборудването. Това се постига чрез използване на подходящи защитни механизми и проучване на оборудването.

Самостоятелно комутиращите инвертори по принцип са подходящи за самостоятелни мрежи. Ако тези инвертори са свързани с обществената електрическа мрежа, те трябва да бъдат синхронизирани по честота с нея. Пулсациите на мостовата схема трябва да съвпадат с тези на честотата на мрежата.

Тъй като инверторът не се управлява от мрежата, а работи автономно, той също така подава енергия, когато мрежата е изключена, например, в случай на поддръжка. За да се избегне опасността за електротехниците, системата трябва да има предпазна верига, която автоматично изключва инвертора от обществената мрежа, ако напрежението или честотата се отклони от одобрените граници. За гарантиране на безопасността се използват два автоматични изключвателя на натоварването.

Инвертори с ниско- и високочестотни трансформатори

В самостоятелно комутиращите и в инверторите, контролирани от мрежа, често се използват нискочестотни (LF) трансформатори на 50 Hz за получаване на съответстващо на електрическата мрежа напрежение. Магнитното поле на трансформатора разделя (изолира електрически) DC веригата от AC веригата. Типичен самостоятелно комутиращ инвертор с LF трансформатор съдържа превключващ контролер (понижаващ преобразувател); мостова схема; мрежов трансформатор; устройство за следене на точката на максимална мощност (MPP тракер); схема за мониторинг.

Електрическото изолиране, осъществено с помощта на трансформатора, позволява PV системата да бъде проектирана за safety extra-low voltage (SELV), т. е. безопасно ниско напрежение. В допълнение, няма необходимост от изравняване на потенциалите на PV масива. Трансформаторите също така намаляват и електромагнитните смущения.

Като недостатък може да се посочи вероятността от загуби на мощност от трансформатора. В допълнение, трансформаторът довежда до увеличаване на размера и теглото на инвертора, допълнителния шум, както и увеличените разходи за оборудване. Поради тази причина някои производители използват по-малки трансформатори или изобщо не използват.

Високочестотните (HF) трансформатори са с честота от 10 kHz до 50 kHz. Тези трансформатори, в сравнение с нискочестотните (LF), са с по-малки загуби, по-малки размери и тегло. Въпреки това схемите с инвертори с високочестотни трансформатори са по-сложни, така че разликата в цената между тях и инвертори с нискочестотни (LF) трансформатори не е от значение.

Безтрансформаторни инвертори

С премахването на трансформатора се намаляват загубите на инвертора, неговият размер и тегло. От друга страна, генерираното от PV системата напрежение трябва да бъде значително по-високо от това на мрежата или трябва да се променя с помощта на повишаващи DC - DC преобразуватели в инвертора. Когато се използват DC - DC преобразуватели, частичните загуби от трансформатора са избегнати. Липсата на електрическата изолация между DC и AC веригите в инвертори без трансформатори създава високи изисквания относно електрическата безопасност. Защитни устройства трябва да се използват и в DC и за АС страната. По време на нормалната работа на фотоволтаичните системи с инвертори без трансформатор може да протече ток на утечка над 30 mA. Поради тази причина, конвенционални дефектнотокови защити, които изключват на 30 mA, не могат да бъдат използвани.

Също така поради липсата на електрическата изолация по-лесно се съчетават електромагнитните импулси в PV генератора. Т. е., в инвертори без трансформатори, има по-силно електромагнитно въздействие върху среда. Измервания на електромагнитното поле показват, че инверторите без трансформатори трябва да се държат на разстояние минимум 10 см от PV генератора. С помощта на специален метод за превключване инверторите без трансформатори (flying inductor circuit) е възможно да се избегнат електромагнитните полета на променливотоковата мрежа в PV системата.

Съвременни инверторни концепции

Напоследък сме свидетели на изграждането на все по-големи фотоволтаични централи. Тъй като използваните при тях модули са същите като при по-малките инсталации, за изграждането на една мегаватова инсталация са необходими десетки хиляди такива модула. Фактът, че фотоволтаичното генериране включва толкова много малки елементи означава, че са налични няколко опции за подаване на енергия в мрежата в зависимост от номиналната мощност.

Днес инверторите се предлагат в много различни размери, което означава, че по принцип на всеки модул може да се монтира персонализиран инвертор. Такива модулни инвертори най-вече позволяват оптималното регулиране спрямо МРР за всеки индивидуален модул. Отдадената мощност на променлив ток на тези микроинвертори може лесно да бъде свързана паралелно, което елиминира нуждата от DC окабеляване. Въпреки че са лесни за монтаж в задната част на модула, устройствата са с относително ниска ефективност и високи специфични разходи. Тези малки инвертори се използват само в специални приложения като инсталации с отдадена мощност от три до пет киловата, които са разработени за консумация при източника.

Като алтернатива всички модулни стрингове могат да бъдат свързани само към един инвертор - централен. Това изисква всички модули да бъдат изложени на еднаква слънчева радиация, еднаква ориентация и наклон, без временно засенчване. Централните инвертори се доказаха като успешна концепция както при малките, така и при големите фотоволтаични инсталации. Днес, особено при големите фотоволтаични централи, се използва вариант с един централен и три до четири инвертора, подредени йерархично (главен и подчинени).

В тази конфигурация, когато радиацията е слаба, е активен само главният инвертор, но в момента, в който бъде достигната горната му граница на отдадена мощност, при повишение на лъчението, се включва първият подчинен инвертор. Кривата на блока главен-подчинен се състои от кривите на индивидуалните инвертори и поради тази причина показва по-висока ефективност в ниския диапазон на отдадена мощност, в сравнение с централния инвертор. За да се гарантира, че работното натоварване е разпределено равномерно сред индивидуалните инвертори, главният и подчинените инвертори се въртят във фиксиран цикъл, който например може да бъде - всяка сутрин инверторът, който има най-малко работни часове, стартира като основен. В допълнение на модулните и централните инвертори, стринговите инвертори предоставят трета опция, която позволява МРР на всеки стринг да се проследява индивидуално. Това решение е идеално за случаите, когато стринговете получават различна степен на засенчване през деня, което води до това, че отделните стрингове имат различни работни точки. Тук електричеството се подава в мрежата от няколко независими стрингови инвертора. Следващ вариант на стринговия инвертор представлява многостринговият инвертор, който комбинира няколко МРР тракера в едно устройство.

Оптимизация чрез индивидуални МРР контролери

Във връзка с факта, че всеки модул в стринга има свой МРР, а управлението на МРР на стринг винаги е компромис, който води до загуби, наскоро бяха разработени инвертори с отделни МРР контролери, за да бъде решен този проблем. Тези оптимизатори на мощността оборудват всеки модул с негов собствен МРР контролер, което му позволява да генерира мощност в оптималната си работна точка и по този начин позволява на инвертора да постигне високо ниво на ефективност. Мненията по отношение на реалната ефективност на различните системи са разделени. Защитниците казват, че те са изключително полезни, ако стринговете на фотоволтаичния генератор са изложени на различно ниво на слънчево лъчение през деня. След това, например, засенчването на индивидуалните модули вече не влияе върху производителността на системата като цяло.

Продължителност на живота на инвертор

Средностатистически погледнато, инверторите работят без проблеми от десет до дванадесет години преди да се наложат сериозни ремонти или пълна смяна. Въпреки техническите разработки за повишение на живота на инвертора, той все още е по-нисък от този на фотоволтаичните панели.

Инверторите се използват в много различни среди: както на закрито, така и на открито и в почти всички климатични пояси. Най-важният фактор, който ограничава мястото, на което може да се монтира инвертор, е максималната разрешена температура при номинална мощност. На местата, при които температурата може да се покачи над тази стойност (например ако инверторът е монтиран в неизолирана покривна структура), трябва да се използва активно охлаждане. Но използването на вентилатори води със себе си други опасности, например, когато инверторите бъдат монтирани в селскостопански сгради. Тук, ако вентилацията не бъде монтирана правилно, тя може да вкара прах или амониеви изпарения в инвертора, което може да ограничи работата на вентилатора или да предизвика корозия.

За повишаване на полезния живот, трябва да се обърне особено внимание, за да се гарантира, че компонентите на инвертора не могат да прегреят. В допълнение, те трябва да се поддържат без прах, влага или агресивни газове.


Top