|
|
Анотацiя Iнвертори є ключовою компонентою при виробництвi електричної енергiї в мережевих ФЕ системах. Ефективнiсть перетворення прямого струму на змiнний, та ефективнiсть стеження за максимальною потужнiстю є одними iз найважливiших параметрiв iнверторiв. |
Витрати мають бути зменшенi а ефективнiсть має бути пiдвищена: це є два основних прiоритети у випадку, якщо ФЕ системи будуть збiльшувати свiй потенцiал в безвуглецевiй генерацiї електроенергiї. Багато зусиль скеровується на вдосконалення iснуючих ФЕ технологiй, та на розробку нових з метою досягнення цих цiлей. Але iснують iншi, настiльки ж вагомi фактори в розробцi ФЕ систем, якi впливають на вартiсть та ефективнiсть системи, а саме: вартiсть баланса системи та iнвертори – основна складова мережевих електросистем.
Iнвертори — це електросиловi пристрої якi пiд’єднуються безпосередньо до фотобатарей (це сторона прямого струму) i до електричної мережi (це сторона змiнного струму), i перетворюють прямий струм, який виробляється ФЕ масивом на змiнний струм споживаємий мережею. В додаток до високої ефективностi перетворення ПС–ЗС та стеженням за максимальною потужнiстю, iнвертори мають видавати змiнний струм потрiбної якостi — з низькою повною дiсторсiєю гармонiк струму, високим коефiцiєнтом перетворення (близьким до одиницi) i низьким рiвнем електромагнiтної iнтерференцiї — щоб збiльшити передачу енергiї з масива до мережi. Iнвертори, також, мають вiдповiдати вимогам безпеки користувачiв, обладнання та самої мережi. Основнi характеристики, та процедури випробовувань, яким вони мають вiдповiдати, перелiченi в мiжнародних стандартах IEEE 929-2000, EN 61727 та UL 1741. Ще один стандарт для систем пiд’єднаних до мережi є IEC 60364-7-712, також iснують i иншi вимоги та нормативи, вимагаємi рiзними країнами.
ФЕ технологiї швидко розвивались в останнє десятилiття, разом iз загальним розвитком в цiй галузi, особливо в Європi, США та Японiї. В усiх цих регiонах, значна кiлькiсть ФЕ установок це маломаштабнi мережевi системи iнтегрованi в будинки. Вони належать приватним користувачам, але мiсцевi субсидiї та стимули пiдтримують генерацiю вiдновлювальної енергiї. Протягом минулого десятилiття, вартiсть ФЕ систем впала на 50% а ефективнiсть та надiйнiсть зрозсли. Для того, щоб ще бiльше зменшити вiдношення вартостi до ефективностi, на ринку з’явились новi схеми iнверторiв, як показано на рис. 1 . Загальна класифiкацiя типiв iнверторiв наступна:
Центральнi iнвертори, як правило, використовують в великих ФЕ системах з потужнiстю в дiапазонi 20 - 400 kW, де ФЕ батареї з’єднанi в паралелнi ланцюги, i перетворення ПС-ЗС виконується централiзовано в спiльному iнверторi. Iнвертори з комутацiєю лiнiй, основанi на теристорах, спочатку створювались для застосування в перших системих пiд’єднаних до мережi, але були замiненi самокомутаваними iнверторами з транзисторами на iзольованих затворах (IGBT), або польових транзисторах (FET) для малих потужностей. Контролери перетворення основанi на модуляцiї ширини сигнала, та цифровiй обробцi сигнала покращили якiсть отримуваного струму до майже синусоїдального, а це дає можливiсть вiдмовитись вiд використання великих модулей реактивної компенсацiї. Нещодавно, були також впровадженi iнвертори з керуванням на основi модуляцiї просторових векторiв та багато зусиль було скеровано на розробку нових топологiй iнверторiв з метою отримати високу ефективнiсть роботи при частковому навантаженнi.
Концепцiя ланцюгового iнвертора була представлена на європейському ринку влiтку 1995 року, коли SMA почала випуск iнвертора SWR 7000. Ланцюговi iнвертори основанi на концепцiї модульностi, згiдно з якою ланцюги ФЕ масивiв пiд’єднуються до iнверторiв потужнiстю в дiапазонi 1–3 kW, для того, щоб постачати електричну енергiю в мережу змiнного струму в паралельнiй конфiгурацiї. Великi ФЕ установки також будувались з використанням ланцюгових iнверторiв, наприклад в Академiї Монт-Ценi в Нiмеччинi.
Модуль ЗС є iнтегрованою комбiнацiєю одного ФЕ модуля та одного iнвертора. Нещодавно, однак, з’явилась на ринку концепцiя розробки багатоланцюгових iнверторiв в якостi промiжного пiдходу мiж ланцюговими iнверторами та модулями ЗС. Багатоланцюговi iнвертори мають в одному модулi рiзнi незалежнi конвертори ПС-ПС максимальної потужностi якi постачають енергiю в спiльний iнвертор ПС-ЗС. ФЕ ланцюги з рiзними номiнальними характеристиками (номiнальна потужнiсть, кiльскiсть модулей в кожному ланцюгу, виробник i т. д.) з рiзними розмiрами або рiзними технологiями, та ланцюги з рiзною орiєнтацiєю (схiд, пiвдень або захiд), нахилом або затiненням, можуть бути пiд’єднанi до спiльного iнвертора i, в той же час, працювати з максимальною потужнiстю.
|
Зменшення довжини проводки ПС та мiнiмiзацiя втрат вiд затiнення та втарт вiд неспiвпадiння яке асоцiюється з ланцюговими, багатоланцюговими або модулями ЗС є факторами як вирiшуються простотою та високою ефективнiстю центральних iнверторiв. Одним iз невирiшених питань є спосiб пiд’єднання iнвертора до мережi. В той час як пiд’єднання до звичайної розетки зменшує витрати та спрощує встановлення, стандарти з безпеки не завжди це дозволяють, та прилади можуть не пiдримувати пiд’єднання генераторiв до звичайних електричних гнiзд в будинках споживачiв. Iншим фактором стосовно безпеки та нормативiв є те, чи використовується гальванiчний iзолюючий трансформатор (високочастотний або низькочастотний).
На основi наявних продуктiв був надрукований повний огляд ринка в “Photon International”, згiдно з ним, пропонується бiльше ланцюгових iнверторiв анiж центральних. Бiльше того, згiдно з прогнозами свiтового ринка ФЕ, саме ланцюговi iнвертори а не центральнi будуть, швидше за все, найбiльш вживаною конфiгурацiєю для пiд’єднання ФЕ установок до мережi в найблищому майбутньому. Технологiї безтрансформаторних ланцюгових iнверторiв мають зростаючу долю на ринку в Європi, яку можна порiвняти з низькочастотними (НЧ) iнверторами; доля високочастотних iнверторiв мала, приблизно 3%, але також зростає.
Тим не менш, разом iз зростанням попиту на великi ФЕ системи, виробники повiдомляють про тенденцiю до збiльшення долi iнверторiв бiльшої потужностi. Рiзнi компанiї планують запропоновувати бiльше центральних iнверторiв.
Ще одна концепцiя полягає в паралельному пiд’єднаннi рiзних iнверторiв в режимi ведучий-ведомий. Вiдповiдно їй, ведучий iнвертор, в залежностi вiд наявного сонячного випромiнювання, контролює скiльки ведомих працюють, дозволяючи пiдвищити загальну ефективнiсть системи при низьких рiвнях випромiнювання.
До нових концепцiй належить i “команда”, розроблена Sunny Team, “MIX” вiд Fronius та “HERIC” розроблена Fraunhofer ISE та впроваджена Sunny Ways. Всi вони застосовуються в ланцюгових установках та розробленi з метою покращення ефективностi роботи при частковомих навантаженнях, схема “команда” має декiлька ланцюгових iнверторiв працюючих в режимi ведучий-вiдомий. При низьких рiвнях випромiнювання весь масив ланцюгiв пiд’єднується лише до одного iнвертора, але при пiдвищеннi рiвня випромiнювання, ФЕ масив поступово дiлиться в дрiбнiшi модулi, до тих пiр, поки кожний ланцюговий iнвертор починає прцювати незалежно один вiд одного. Вiдповiдно концепцiї “MIX” (Master Invertor eXchange), ланцюговий iнвертор складається з двох силових стекiв якi розташовуються в одному корпусi, i у випадку нiзького рiвня випромiнювання, iнвертор працює аналогiчно меншому, в той же спосiб, як i iнвертор в меншiй системi. Один силовий стек, ведучий, бере на себе “лiдерство” а другий силовий стек, “вiдомий” починає працювати так, наче рiвень випромiнювання вищий i силовий модуль не може самостiйно впоратись з роботою. Якщо ведучий, з будь якої причини, припиняє працювати, вiдомий може легко взяти на себе роль ведучого i система продовжить виробляти енергiю. Концепцiя HERIC (концепцiя високоефективних та надiйних iнверторiв) базується на новiй топологiї iнверторiв, яка показала вищу ефективнiсть (97%), анiж iншi системи з PWM контролерами.
На мал. 2 показанi результати опитування, проведеного Photon International; вiдповiдi дали 23 компанiї, якi представляють виробникiв iнверторiв, якi продають свої вироби в Нiмеччинi. Даннi включають повнi об’єми продаж як мережевих, так i автономних iнверторiв. Однак, слiд вiдзначити, що даннi по бiльш нiж 20 виробниками великих та малих iнверторiв не були включенi: серед них Sharp, Sanyo, Mitsubishi та Omron iз Японiї, розмiщений в США Xantrex, та європейськi виробники Mastervolt (Нiдерланди) та Ingeteam (Iспанiя). Об’єм потужностi впроваджених мережевих установок в 2002 роцi становив 144 MWp в Японiї, та 22 MWp в США, порiвняно з 85 MWp в Нiмеччинi та 30 MWp в рештi Європи.
Вартiсть iнверторiв коливається у великому дiапазонi, так як технологiї використанi в рiзних iнверторах рiзнi. Вартiсть iнверторiв коливається вiд €0.5 ∕Wp для безтрансформаторних топологiй, до €2.6 ∕Wp для модулiв ЗС та вiд €1175 ∕kWp за установку на 1 kW, до €975 ∕Wp для установки на 5 kW. Беручи до уваги середню цiну €3.6 ∕Wp як на монокристалiчнi так i полiкристалiчнi ФЕ модулi, та середню цiну в €0.7 ∕W (еквiвалент €0.56 ∕Wp) на iнвертори, отримаємо, що вартiсть iнвертора становить приблизно 16% вартостi ФЕ установки номiнальною потужнiстю до 5 kW. Цi 16% зменшаться до приблизно 10% для великих установок.
|
Єфективнiсть перетворення електричного струму з постiйного на змiнний є найважливiшим параметром генерацiї електричної енергiї в мережевих системах, i цей процес є репрезентативним для рiзних iнверторiв. Iз всiх конструкторських та дизайнерських характеристик саме наявнiсть або вiсудтнiсть гальванiчного iзолюючого трансформатора найбiльше впливає на ефективнiсть перетворення ПС-ЗС. В деяких країнах, мiсцевi нормативи вимагають встановлення гальванiчної iзоляцiї, або її еквiвалента мiж ЗС, з боку мережi, та ПС на сторонi ФЕ. Це може бути досягнуто використанням 50 Hz НЧ або ВЧ трансформаторiв. Як буде показано далi, наявнiсть чи вiдсутнiсть НЧ або ВЧ трансформатора в iнверторi впливає не тiльки на розмiр, вагу, простоту встановлення та вартiсть матерiалiв, але й заземлення та мiри безпеки, якi треба впровадити в ФЕ системi, та керування запобiганням електричних пробоїв.
Iнвертори з НЧ трансформаторами можуть досягати ефективностi перетворення ПС-ЗС до 92%, в той час як з ВЧ трансформаторами, як правило досягають максимальної ефективностi до 94%. При усуненнi iзолюючого трансформатора, ефективнiсть може бути пiдвищена на два вiдсотка. Iнвертори з ВЧ iзоляцiєю вимагають бiльше електронних компонент анiж НЧ iнвертори, i останнiй факт часто означав, що надiйнiсть ВЧ iнверторiв була недостатньою (надiйнiсть та кiлькiсть складових є, як правило, непрямо пропорцiйними параметрами, особливо в нових розробках). Однак, через триваюче покращення складових та конструкцiї, це бiльше не вiдповiдає дiйсностi.
Другим є те, що iнвертори iз НЧ трансформаторами нiколи не допускають потрапляння ПС в мережу (через особливостi конструкцiї, НЧ трансформатори не пропускають прямий струм). Для ВЧ трансформаторiв, таким чином, необхiдно впровадити пристрої для вимiрювання прямого струму та, вiдповiдно, контролю за потраплянням ПС. В деяких країнах, таких як Iспанiя, точиться дискусiя навколо того, чи варто в стандартах дозволити використовувати НЧ iнвертори чи нi, беручi до уваги можливiсть пропускання ПС. Якщо будь коли станеться збiй в iнверторi, НЧ iнвертор нiколи не пропустить ПС в мережу, але може iснувати вирогiднiсть того, що ВЧ iнвертор (при збої в вимiрювальному пристрої або в пристрої контролю ПС) пропустить ПС в мережу. Ця проблема була розв’язана встановленням вимоги до виробникiв iнверторiв проходити додаткову сертифiкацiю на предмет пропускання ВЧ iнвертором прямого струму.
Нормалiзована ефективнiсть, як правило, вiдома пiд назвою “європейська ефективнiсть” ηE, є дiйсною для рiвнiв випромiнювання в центральнiй Європi. Вона визначається як функцiя вiд ефективностi на заданих вiдсотках вiд номiнальної потужностi ЗС. Це показано в наступному рiвняннi:
Наприклад, η10% в цьому рiвняннi вiдповiдає ефективностi на 10% номiнальної потужностi iнвертора. Варто зазначити, що навiть в цей час, можна знайти на ринку iнвертори з вiдмiнною ефективнiстю, як показано в таб 2.
Треба зазначити, що функцiя ηE є способом описання ефективностi для фiксованих (не вiдстежуючих) ФЕ систем. В деяких країнах, кiлькiсть стежачих систем значно зростає — наприклад, майже половина загальних потужностей установлених в Iспанiї з номiнальною потужнiстю менше 5 kW базується на стежачих системах — i в цих випадках європейська ефективнiсть може бути перевизначена як значення ефективностi при потужностi на рiвнi 80% та 100% вiд номiнальної.
|
Iнвертори, представленi на ринку нещодавно, можуть працювати при широкому дiапазонi напруги ПС. Напруга вхiдного ПС також має деякий вплив на ефективнiсть перетворення ПС-ЗС для iнверторiв з високою ефективнiстю при часткових навантаженнях. Виробники iнверторiв швидше пiдвищать робочу напригу ПС задля досягнення кращого пiдношення цiни до вартостi та пiдвищать ефективнiсть при часткових навантаження шляхом використання напiвпровiдникiв для слабкого струму. Це є основною причиною того, що захист для наднаизької напруги (ELV, до 120 V ПС) не використовується, це факт, який ускладнює мiри по безпецi. Насправдi, тенденцiя в Європi (але на в США та Японiї) в останнi роки була до збiльшення робочої напруги ПС; для заданої схеми iнвертора, ефект вiд пониження робочої напруги ПС є пiдвищення ефективностi, через низьке самоспоживання в ланцюгах контролю. З iншого боку, легше розробляти iнвертори з високою ефективнiстю шляхом пiдвищення робочої напруги.
Вхiдний ПС до iнвертора залежить вiд того, в якiй точцi кривої струм-напруга (I-V) ФЕ масива вiн працює. В iдеалi, iнвертор має працювати в точцi максимума (MPP) ФЕ масива. MPP змiнюється протягом доби, в основному, як функцiя вiд навколишнiх умов, таких як випромiнювання та температура, але iнвертори, якi пiд’днанi до ФЕ масива напряму, мають алгоритм стеження за MPP для максимiзацiї передачi енергiї. Ефективнiсть стеження за MPP, ηMPPT може бути визначена як вiдношення кiлькостi енергiї отриманої iнвертором вiд ФЕ масива, до кiлькостi енергiї отриманої при iдеальному стеженнi за MPP за визначений промiжок часу. Це показано в рiвняннi:
де PDC — потужнiсть вхiдного ПС на iнвертор, а PM дорiвнює потужностi в точцi максимума (MPP).
Було запропоновано багато алгоритмiв стеження за MPP, як правило, основанних, в рiзний спосiб, на таких параметрах, як зростаюча провiднiсть, паразитнiй ємностi, постiйнiй напрузi, напрузi з поправкою на температуру, та керуванням з нечiткою логiкою.
Тим не менше, алгоритми основанi на принципi “змiнити та спостерiгати” є, на практицi, найбiльш вживаними, через простоту їхнього впровадження. Такi алгоритми основанi на змiнi робочої напруги ФЕ масива на малу величину ΔV через певнi промiжки часу вимiрюється змiна потужностi ΔP. Якщо ΔP позитивна, тодi наступна змiна напргуи позитивна, якщо вiд’ємна, наступна змiна також вiд’ємна. Тим не менш, цей алгорти може мати обмеження, якi можуть знизит ефективнiсть стеження за MPP при деяких умовах роботи. При дуже низьких рiвнях випромiнювання — наприклад, пiд час сходу або заходу Сонця — крива потужностi стає дуже пласкою i це ускладнює пошук справжнього значення MPP. Iнший фактор, це неможливiсть визначення справжнього значення MPP, так як ΔP iнвертора коливається навколо цiєї точки. Алгоритм стеження може демонструвати помилкову поведiнку при раптових змiнах рiвня випромiнювання. Часткове затiнення, також, може впливати на стеження за MPP, але це може бути подалано шляхом використання рiзних промiжкiв часу для змiн, як функцiю потужностi в часi, або виконанням альтернативних збурень напруги (Див стор 142 з експериментальними даними).
Загальнi гармонiчнi спотворення, THD, струму, згенерованного ФЕ iнвертором, пiдпорядковуються мiжнародному стандарту IEC 61000-3-2. Електромагнетична сумiснiсть та маркування “CE” регулюються директивами ЄС 89/336/CEE та 93/68/CEE.
Iнвертори для мережевих фотоелектричних систем мають генерувати енергiю з заданою якiстю. Стандарти вимагають THD ≤ 5% спектра гармонiк хвилi (вимiряного до гармонiки номер 49) в той час, як THD напруги менше нiж 2%. Цiкаво вiдзначити, що через високу частоту комутацiї IGBT в мостах iнвертора, гармонiки представленi в частотах рiвних XXX цiєї частоти комутатцiї, звичайно бiльша нiж гармонiка номер 50, яка вимагається стандартами. Рiвень робочої потужностi ПС для якого має виконуватись ця вимога прямо не згадується; тому, як правило, вважається рiвним номiнальнiй потужностi THD вхiдного струму iнвертора, збiльшується при потужностi менше номiнальної. На рис. 3 представлено типовий приклад THD струму менший 5% при потужностях бiльше 50% вiд номiнальної, який значно зростає при зниженнi робочої потужностi. Коефiцiєнт потужностi, також маючий вiдношення до якостi генерованої енергiї, близький до одиницi (≥ 0.999) для робочої потужностi бiльше 20% вiд номiнальної потужностi в iнверторах на IGBT. Вiдсутнi навiть будь якi технологiчнi бар’єри для вiльного управлiння коефiцiєнтом потужностi з метою генерування або споживання електричної енергiї. Покращення якостi мережi (реактивна потужнiсть зсувом фази та контролем за гармонiками) нещодавно вивчалась та випробовувалась в iнверторах для нових, централiзованих мережевих ФЕ систем, таких як, наприклад, система Siemens SINVERT.
THD хвиль згенерованого струму пiддається впливу вiд пробоїв ПС через ФЕ iнвертор. Негативний ефект вiд потрапляння ПС в загальну мережу полягає в тому, що вiн може змiнити робочий стан мережевого трансформатора в бiк можливого перевантаження, яке може призвести до посилення сили основного струму, яке може вимкнути запобiжники та викликати зникнення енергiї в цьому сегментi мережi. Також термiн роботи та ефективнiсть трансформатора може скорочуватись, так як ПС викликає катодну коррозiю проводки. Захисна функцiя пристроїв контролю за залишковим струмом (RCD) типу А, також пiддається впливу ПС, i замiсть них мають використовуватись пристрою типу B (чутливих до ПС та ЗС).
ФЕ iнвертори, як правило, мiстять важкий 50 Hz НЧ трансформатор, який перешкоджає потраплянню ПС в мережу i також дає гальвонiчну iзоляцiю. НЧ трансфотматори є важливою складовою вартостi матерiалiв iнвертора (приблизно 15%), також значно збiльшують вагу iнвертора та зменшують ефективнiсть перетворення ПС-ЗС. Як результат, виробники вивчали можливостi позбутись НЧ трансформаторiв, i хоча, розробка безтрансформаторних iнверторiв дiйсно має деякi технiчнi труднощi, вони вирiшуються новими методами вимiрювання струму та електронного керування. Iнвертори з ВЧ гальванiчною iзоляцiєю представляють промiжний пiдхiд, якщо брати до уваги безпеку, заземлення та конфiгурацiю системи, а використання НЧ або ВЧ — або, взагалi, без трансформатора — має вплив на тип пристрою використовуємого для захисту вiд непрямих контактiв на сторонi ПС та метод установки. В будь якому випадку, виробники i безтрансформаторних, i ВЧ iнверторiв мають представляти сертифiкати вiдповiдностi, якi вимагаються нацiональними та мiжнародними стандартами. Навiть хоч НЧ iнвертори захищеннi (в сенсi потрапляння ПС) вiд будь якого збою, безтрансформаторнi або ВЧ iнвертори залежать вiд електронних ланцюгiв керування для цiєї функцiї. Вирбники мають гарантувати те, що потраплянь ПС не буде, у випадку будь якого можливого збою, але це є, наразi, дискусiйною темою, i регулюється в рiзних країнах по рiзному. В той час як деякi нацiональнi стандарти не посилаються на цей момент, в iнших дозволяється встановлення безтрансофрматорних iнверторiв, а ВЧ iнвертори дозволяються тiльки при наявностi додаткових сертифiкатiв.
Обмеження в 5 mA (0.025% вiд вихiдного струму в 5 kW системi, вiдповiдно IEC 61000-3-2) або 0.5% (UL1741) впроваджено у Великiй Британiї та США вiдповiдно.
Утворення iзольованих мереж є електричним феноменом який виникає на дiлянцi силової мережi вiд’єднаної вiд основного джерела живлення, в якiй навантаження отримує енергiю вiд ФЕ систем. Хоча утворення iзольованих мереж є дискусiйною темою в мiжнароднiй стандартизацiї мережевих ФЕ систем, утворення iзольованих мереж є небажаним явищем для загальної безпеки, безпеки персонала розподiльника електроенергiї, якостi джерела живлення, та можливого пошкодження обладнання у випадку автоматичного або ручного вiдновлення зв’язку з системою розподiлення електричної енергiї (гарне дослiдження проблеми можна знайти в ХХХ). Запобiгання утворенню iзольованих мереж, таким чином, часто включається в iнвертор. Пасивнi методи (стеження за змiною напруги та частоти) є недостатнiми для запобiгання утворення iзольованих мереж в умовах iдеально збалансованого навантаження для актвиної та реактивної потужностi, тому вони мають комбiнуватись з активними методами (основаними, наприклад на зсувi частоти, стеженням за iмпедансом шляхом впускання струму, стеженням за стрибками фаз та гармонiк, методах позитивного вiдгуку або контролерах за нестабiльним струмом та фазами). Багато рiзних методiв запобiгання задокументовано та впроваджено i вдосконалюється з плином часу, щонайменше 16 патентiв видано, або розглядається по всьому свiту. Деяки з них, наприклад, стеження за силовою мережею шляхом впускання iмпульсiв струму, довели свою незручнiсть, особливо коли декiлька iнверторiв працюють паралельно, погiршуючи якiсть мережi та негативно впливаючи на виявлення утворення островiв через взаємнi перешкоди. В iнших випадках межi дiапазона робочої напруги та частоти розширюються — цi параметри, як правило, встановлюються програмно — iнсталяторами, та, навiть ENS (пристрiй гнучкого стеження за мережею — який є обов’язковим в Нiмеччинi) вимикається для того, щоб працювати в слабких мережах.
Лабораторнi випробовування на виникнення iзольованих мереж вимагаються стандартами IEEE 929(2000) та UL1741, i базуються на резонансно стимульованих ланцюгах навантаження iз визначеною потужнiстю, “Q-фактор”. Тим не менш, цi випробовування важко виконувати, особливо для високопотужних iнверторiв якi потребують велику iнфраструктуру в лабораторiї. Тестовi ланцюги та їх параметри рiзняться в залежностi вiд країни, а результати випробовувань значною мiрою залежать вiд технiчної пiдготовки випробувальникiв.
Було проведено деклька дослiджень з метою оцiнки вирогiдностi виникнення iзольованих мереж i вiдповiдних ризикiв. На їх основi було зроблено висновок, що для малої щiльностi ФЕ генераторiв, утворення островiв майже неможливе так як споживання та генерування не спiвпадають. Тим не менш, для дiлянок мережi з високою щiльностi ФЕ генераторiв, додактово потрiбнi активнi методи в додаток до контролю за напругою та частотою, для того, щоб ризик вiд впровадження ФЕ установок в мережi залишався малим (у порiвняннi iз приблизним ризиком вiд удару током при вiдсутностi ФЕ систем). Бiльшiсть iнверторiв ФЕ енергiї мають як активний, так i пасивний захист вiд утворення iзольованих мереж, але iснує не так багато випадкiв в яких проникнення ФЕ установок в сегменти мережi достатньо високе, хоча дотримання стандартiв не має послаблюватись через це.
Наявнiсть рiзницi мiж номiнальною та робочою потужнiстю ФЕ масива вимагає захистити iнвертор вiд роботи на надвисокiй потужностi — наприклад, коли генерована масивом потужнiсть бiльше максимальної потужностi вхiдного ПС в iнвертор. Втрати вiд обмеження потужностi можуть бути зменшенi, якщо це не передбачено в схемi ФЕ системи та її розмiрами, в iнверторах iз внутрiшнiми алгоритмами для пiдтримки максимальної потужностiх вхiдного ПС — шляхом змiни вхiдної потужностi далi вiд MPP — в тих випадках, коли MPP ФЕ масива вище нiж максимальна вхiдна потужнiсть iнвертора.
|
Деякi иншi iнвертори представленi на ринку не мають можливостi обмежувати потужнiсть, i в цих випадках просто припиняють працювати, в найкращому випадку, роблять спробу перезапуститись через деякий час. Керування обмеженням потужностi може здiйснюватись рiзними методами, якi, в деяких вiдношеннях є взаємопов’язаними, а саме: пiдтримка температури моста iнвертора, струму або робочої потужностi менше наперед заданих значень. На рис. 4 показано приклад поведiнки при такому обмеженнi потужностi. Спершу, коли потужнiсть вхiдного ПС досягає визначеного значення, iнвертор обмежує потужнiсть до певного рiвня. Через деякий час, тепература iнвертора зростає i другий процес необхiдний для того, щоб втримати температуру на постiйному, максимально допустимому рiвнi.
На вiдмiну вiд звичайного виготовлення електричної енергiї, ФЕ генерування не централiзоване, а децантралiзоване, та вiдчинення ланцюга ПС, наприклад, не є достатнiм для запобiгання появи небезпечної напруги. ФЕ масиви не вимикаються вiдкриттям позитивного та негативного полюсiв на входi iнвертора: так як вони звичайно розподiленi на площi каркасу масива, даху, або зовнiшньої поверхнi будiвлi, вони працюють коли на них потрапляє свiтло.
Мiри безпеки для звичайних установок ЗС було широко вивчено та повнiстю стандартизовано. Запобiгання ударiв електричним струмом, в основному залежить вiд типа використовуємої системи заземленя в мережi розподiлення електричного струму (такої як визначенно в IEC 60364). Найчастiше використовується метод TT (заземлення нейтрального). Захист вiд непрямого контакта, як правило, робиться з допомогою пристроїв RCD, як i заземлення корпуса навантаження та електричних приладiв. Для деяких специфiчних застосувань, якi вимагають високий рiвень надiйностi (наприклад, обладнання в операцiйних) використовується IT (iзольований нейтральний) i в цьому випадку, перший збiй безпечний, а пристрiй постiйного стеження за iзоляцiєю (IMD) використовується для того, щоб повiдомляти про ризик та захищати вiд непрямого контакта. Стандарти зробили обов’язковим для електричних установок мати захист вiд прямих або непрямих контактiв. Деякi методи захисту розробленi для уникнення контактiв, або для того, щоб зробити можливi контакти безпечнiшими. До них належить iзолювання струмопровiдних частин, захист шляхом застосування бар’єрiв або огорожi, подвiйної або посиленої iзоляцiї (класс II IEC 60417-1). Иншi методи, в той же час, основанi на вимкненi струму автоматичними пристроями захисту. Взагалi кажучи, однак, системи мають використовувати обидва типа захисту. Ефект вiд дiї електричного струму на людину в основному залежить вiд його сили, частоти, тривалостi дiї, опору тiла та напруги контакта (питання розглянутi в IEC 60364 та IEC 60479-1).
Захист на сторонi ПС у ФЕ установцi, в цей час, є одним iз найменше визначених питань в ФЕ галузi, частково через брак чiтких стандартiв, а також через те, що це не є найактуальнiшою проблемою практичного застосування. Розробляються деякi стандарти для вирiшення цiєї проблеми, IEC 62109-1 та EL-042, DR-03389, в той же час конфiгурацiї заземлення та iзоляцiї було також проаналiзовано. Також можливi рiзнi комбiнацiї заземлених та незаземлених ФЕ масивiв та iзолюючого трансформатора ПС-ЗС iнвертора. В кожному з них, достатнi рiвнi безпеки стосовно ударiв електричним струмом, пожеж та безпеки обладнання може бути досягнуто iз вiдповiдними перевагами та недолiками.
В США, Нацiональнi Правила Встановлення Електричного Обладнання (National Electronic Code), вимагають вiд всiх ФЕ установок iз напргуою в системi понад 50 V ПС бути заземленими. Пристрої захисту вiд збоїв заземлення (GFP) використовуються для вимiрювання витiкiв струму на землю, для того, щоб вiд’єднатись вiд заземлення (саме так, зняти заземлення з пристрою), у випадку збоя. Блукаючi струми можуть заважати чутливостi цього захиста.
Плаваючi ФЕ масиви та iнвертори з iзолюючими трансформаторами широко поширенi в Європi. ФЕ установкам iз використанням наднизького напруження властивий захист вiд ударiв електричним струмом, хоч це i не обмежує кiлькiсть модулiв якi можуть бути послiдовно пiд’єднанi, i може мати вiдчутний економiчний ефект (через довжину проводки) для вiдносно потужних силових систем (наприклад 2 - 5 kWp. Бiльше того, так як легше отримати вищу ефективнiсть перетворення ПС-ЗС при напрузi 300 - 500 V ПС, ФЕ установки iнтегрованi в будiвлi, як правило, працюють при цих напругах. Проблема безпеки персонала вирiшується використанням конфiгурацiї плаваючого ФЕ масива разом iз посиленою iзоляцiєю II-го класа для матерiалiв та установки та IMD, разом з вбудованим iнвертором. Також може використовуватись зовнiшнiй пристрiй такого ж типу, як i пристрiй IMD з TT (заземлений нейтральний) стандартних установок ЗС. Конфiгурацiя плаваючих ФЕ масивiв безпечна при першому збої, але потребує термiнового втручання пiсля нього, так як не може унебезпечити наступний. В той же час, коли вявляється пошкодження iзоляцiї (мiж одним iз полюсiв або мiж ними двома та землею) IMD робить вiзуальне та/або аудiо попередження i нiяка инша дiя не робиться. В такий спосiб, установщики перекладають на користувачiв вiдповiдальнiсть за вчасне виявлення та виправлення пошкоджень, або звертатись до команди пiдтримки (якщо така є) за допомогою.
В час мiж виникненням пошкодження, повiдомленнiм оператора, та полагодженням, система представляє декiлька загроз. Варто згадати, що, з ЗС, звичайними IT системами, потрiбна постiйна присутнiсть пiдготовленої команди пiдтримки з необхiдним обладнанням для вчасної реакцiї на перший збiй.
Не звачаючи на заземлення та iзоляцiю системи, та через складнiсть вимкнення ФЕ масива, виникають наступнi питання:
У випадку, коли вiдсутнє обладнання для ремонту, iснування автоматичного пристрою для вiдчинення ФЕ масива (та зупинення iнвертора; на входi iнвертора, власне не буде повної безпеки вiд непрямого контакта). Бiльше того, розмiщення ФЕ масива в вiдкритому ланцюгу не усуває, а пiдвищує напругу у випадку якщо масив все ще знаходиться пiд сонцем. Таким чином, необхiдно дослiдити додатковi мiри для пiдвищення ступеню захиста у випадку першої несправностi iзоляцiї, так як ця несправнiсть може бути коротким замиканням на землю обидвох полюсiв на входi iнвертора. Вплив на потенцiйне пошкодження ФЕ масивiв вiд згорання також має бути розглянуто. ФЕ масиви можуть перегрiватись, якщо вони замикаються на землю, i це становить ризик для ФЕ масивiв. В той же час, як роздiлення ФЕ масива на малi зони наднизької напруги, якi можуть бути вiдкритими у випадку несправностi послiдовно вiдвищуватиме рiвень безпеки, це, також, значно ускладнить установку та збiльшить вартiсть.
На рис. 5 показано приклад системи з плаваючої стороною ПС, пiдсиленою iзоляцiєю II категорiї, та iнвертором з iзолюючим перетворювачем ПС-ЗС. Iнвертор постачає електричну енергiю в мережу розподiлення електрицтва ТТ, в якiй нейтральний контакт середньо/високо вольтного трансформатора пiд’єднано на землю. RCD має бути встановлено в загальний захисний корпус (GPB) для того, щоб захистити сторну ПС вiд непрямого контакта. Пiсля першої несправностi iзоляцiї IMD видає вiзуальне та/або аудiо попередження. Якщо, до того як полагодежно першу несправнiсть, i через непрямий контакт виникає друга, визначена напргуа на контактi UC, може бути вищою нiж звичайна межа для напруги (максимально допустима наприга на контактi). Ця межа вiдома як “безпечна” напруга (IEC 60479) UL i є функцiєю вiд кiлькостi ФЕ модулiв мiж двома несправностями якi створюють небезпечну ситуацiю. У випадку короткого замикання ФЕ масива на землю, коли перша несправнiсть не виявлена IMD, надається додактовий захист якщо кабель в ланцюгу ПС не порвато, та iснує ризик через напругу на ФЕ модулi.
Мережевi iнвертори, як правило, мають програмне забезпечення для установки параметрiв на спостереження, яке дозволяє зберiгати параметри поточного стану роботи системи та їхнє вiдображення, та може включати можливiсть спостереження за такими зовнiшнiми сигналами, як випромiнювання та температура. Продукти рiзних виробникiв мають рiзнi можливостi в цих XXX.
Ступiнь фiзичного захиста електричної апаратури — IP як визначено в IEC 60529 — також є важливим параметром. В той час як iнвертори iз захистом IP65 можна використовувати ззовнi, рекомендується розташовувати їх не пiд прямим сонцем, а iншi типи iнверторiв мають встановлюватись в додаткових захисних корпусах, або, навiть, в примiщеннi.
За останнi 10 рокiв вiдбулось значне пiдвищення надiйностi ФЕ систем. Середнiй (очiкваний) час до першої несправностi MTFF iнвертора має становити теоретично 50 рокiв. Однак, повiдомлялось про термiни в 5-10 рокiв — коротший термiн роботи нiж у решти важливих складових ФЕ системи, якi розробляються працювати бiльш нiж 25 рокiв. Здається, що деякi несправностi, якi ще не задокументовано, виникають на сторонi ЗС; в деяких слабких мережах, перенапруження ЗС та зникнення струму є частими i можуть пошкодити iнвертор, в той час, як iншi побутовi прилади вiд цього не страждають. Подальшi спроби можуть бути зробленi виробниками iнверторiв для подовження MTFF. В деяких країнах, варiстори (елекронний компонент для захисту ланцюгiв вiд перенапруження), на додаток до встановлення в iнверторi встановлюються зi сторони ПС. Встановлення їх зi сторони ЗС також має бути вивчено.
Подальшi важливi аспекти максимiзацiї отримання енергiї (kWh∕kWp) постачаємої в мережу ФЕ системою вiдносно iнвертора є стiйкiсть до несправностей в мережi i автоматичний перезапуск, та низький рiвень самоспоживання пiд час холостої роботи. Iншi аспекти, на якi слiд звернути увагу, це захист вiд перевертання полярностi та стiйкiсть до зациклення ПС та ЗС. Iнвертор має чинити мiнiмальний вплив на кiлькiсть пiкових сонячних годин в заданiй мiсцевостi, маючи як високу ефективнiсть так i високу надiйнiсть.
Iнвертор є ключовою складовою мережевих систем. Характеристики його роботи, як було проаналiзовано в цiй статтi, можуть значно впливати на загальну роботу системи, i двi еквiвалентнi системи з ФЕ генераторами однакової номiнальної потужностi, однаково встановленi в деякому мiсцi, можуть генерувати зовсiм рiзну кiлькiсть енергiї, якщо використано рiзнi моделi iнверторiв. Рiзницi в кривих ефективностi перетворення ПС-ЗС не релевантнi серед моделей iнверторiв, нi серед найкращих виробникiв i вони iстотно залежать вiд використання або не використання iзолюючого трансформатора. Тим не менш, ефективнiсть стеження за максимальною потужнiстю може демонструвати рiзнi результати, а це може призводити до значних втрат енергiї щодня.
