Napelemes integráció: Inverterek és hálózati szolgáltatások alapjai

MI AZ INVERTEREK?

Az inverter a napelemes rendszerek egyik legfontosabb berendezése. Ez egy olyan eszköz, amely a napelem által termelt egyenáramú (DC) elektromosságot váltakozó áramú (AC) villamos energiává alakítja, amelyet az elektromos hálózat használ fel. Egyenáramban az elektromosságot egy irányban állandó feszültségen tartják. Váltakozó áramban az áram mindkét irányban áramlik az áramkörben, ahogy a feszültség pozitívról negatívra változik. Az inverterek csak egy példája az úgynevezett eszközök osztályánakteljesítmény elektronika that regulate the flow of electrical power.

Alapvetően az inverter úgy hajtja végre a DC-AC átalakítást, hogy egy egyenáramú bemenet irányát nagyon gyorsan előre-hátra váltja. Ennek eredményeként a DC bemenet váltakozó áramú kimenetté válik. Ezenkívül szűrők és egyéb elektronikai eszközök használhatók tiszta, ismétlődő szinuszhullámként változó feszültség előállítására, amelyet be lehet fecskendezni az elektromos hálózatba. A szinuszhullám egy alakzat vagy mintázat, amelyet a feszültség idővel alakít ki, és ez az a teljesítményminta, amelyet a hálózat az elektromos berendezések károsodása nélkül használhat fel, és amely bizonyos frekvenciákon és feszültségeken működik.

Az első invertereket a 19. században hozták létre, és mechanikusak voltak. Például egy forgó motort használnának arra, hogy folyamatosan változtassák, hogy a DC forrás előre vagy hátra volt-e csatlakoztatva. Ma tranzisztorokból, mozgó alkatrészek nélküli szilárdtest eszközökből készítünk elektromos kapcsolókat. A tranzisztorok félvezető anyagokból, például szilíciumból vagy gallium-arzenidből készülnek. Ezek szabályozzák az elektromos áram áramlását a külső elektromos jelekre válaszul.

Ha van háztartási napelemes rendszere, az inverter valószínűleg több funkciót is ellát. Amellett, hogy a napenergiát váltakozó áramú energiává alakítja, felügyelheti a rendszert, és portált biztosít a számítógépes hálózatokkal való kommunikációhoz. A Solar-plus akkumulátoros tárolórendszerek fejlett inverterekre támaszkodnak, hogy áramkimaradás esetén a hálózat támogatása nélkül működjenek, ha erre tervezték őket.

AZ INVERTER ALAPÚ RÁC FELÉ

Történelmileg az elektromos energiát túlnyomórészt tüzelőanyag elégetésével és gőz előállításával állítják elő, amely aztán egy turbinagenerátort forgat, amely elektromosságot termel. Ezeknek a generátoroknak a mozgása váltakozó áramot termel az eszköz forgása közben, ami a frekvenciát is beállítja, vagy a szinuszhullám ismétlődéseinek számát. Az áramfrekvencia fontos mutató az elektromos hálózat állapotának felügyeletéhez. Például, ha túl sok a terhelés – túl sok az energiát fogyasztó eszköz –, akkor az energia gyorsabban távozik a hálózatból, mint amennyit el lehet látni. Ennek eredményeként a turbinák lelassulnak, és az AC frekvencia csökken. Mivel a turbinák masszív forgó objektumok, ellenállnak a frekvencia változásának, ahogyan minden objektum ellenáll a mozgásukban bekövetkező változásoknak, ezt a tulajdonságot tehetetlenségnek nevezik.

Ahogy egyre több napelemes rendszer kerül a hálózatba, minden korábbinál több invertert csatlakoztatnak a hálózathoz. Az inverter alapú termelés bármilyen frekvencián képes energiát termelni, és nem ugyanazokkal a tehetetlenségi tulajdonságokkal rendelkezik, mint a gőz alapú termelés, mivel nincs turbina. Ennek eredményeként a több inverterrel rendelkező elektromos hálózatra való átálláshoz intelligensebb invertereket kell építeni, amelyek képesek reagálni a frekvenciaváltozásokra és a hálózat működése során fellépő egyéb zavarokra, és segítenek stabilizálni a hálózatot ezekkel a zavarokkal szemben.

HÁLÓSZOLGÁLTATÁSOK ÉS INVERTEREK

A hálózatüzemeltetők az elektromos rendszer villamosenergia-kínálatát és -keresletét egy sor hálózati szolgáltatás nyújtásával irányítják. A hálózati szolgáltatások olyan tevékenységek, amelyeket a hálózatüzemeltetők a rendszerszintű egyensúly fenntartása és a villamosenergia-átvitel jobb irányítása érdekében végeznek.

Amikor a hálózat már nem a várt módon működik, például feszültség- vagy frekvenciaeltérés esetén, az intelligens inverterek többféleképpen reagálhatnak. Általánosságban elmondható, hogy a kis inverterek, például a háztartási napelemes rendszerekhez csatlakoztatott inverterek szabványa az, hogy a kis feszültség- vagy frekvenciakimaradások során bekapcsolva maradjanak vagy „átmenjenek” kis feszültség- vagy frekvenciakimaradások esetén, valamint ha a zavar hosszú ideig tart, vagy a normálnál nagyobbak, lekapcsolják magukat a hálózatról és leállnak. A frekvenciaválasz különösen fontos, mert a frekvencia csökkenése a generálás váratlanul offline állapotba kerülésével jár. A frekvenciaváltozás hatására az inverterek úgy vannak konfigurálva, hogy módosítsák a kimeneti teljesítményüket, hogy visszaállítsák a szabványos frekvenciát. Az inverter alapú erőforrások reagálhatnak az üzemeltetőtől érkező jelekre is, hogy módosítsák a teljesítményüket, mivel az elektromos rendszer egyéb kínálata és kereslete ingadozik, ez az automatikus termelésvezérlés néven ismert hálózati szolgáltatás. A hálózati szolgáltatások nyújtásához az invertereknek rendelkezniük kell olyan áramforrással, amelyet vezérelhetnek. Ez lehet termelés, például egy napelem, amely jelenleg áramot termel, vagy tárolás, például egy akkumulátorrendszer, amely felhasználható a korábban tárolt energia biztosítására.

Egy másik hálózati szolgáltatás, amelyet egyes fejlett inverterek nyújthatnak, a hálózat kialakítása. A rácsképző inverterek elindíthatják a rácsot, ha az leáll – ez a folyamat, amelyet fekete indításnak neveznek. A hagyományos „hálózatkövető” invertereknek külső jelre van szükségük az elektromos hálózattól annak meghatározásához, hogy mikor következik be a kapcsolás, hogy szinuszhullámot hozzanak létre, amelyet be lehet injektálni az elektromos hálózatba. Ezekben a rendszerekben a hálózatról érkező áram olyan jelet ad, amelyet az inverter próbál egyeztetni. A fejlettebb rácsképző inverterek maguk is generálhatják a jelet. Például egy kis napelemes hálózat kijelölheti az egyik inverterét, hogy rácsképző üzemmódban működjön, míg a többiek követik a példáját, mint a táncpartnerek, és egy stabil hálózatot alkotnak, turbina-alapú generálás nélkül.

A meddő teljesítmény az egyik legfontosabb hálózati szolgáltatás, amelyet az inverterek nyújthatnak. A hálózaton a feszültség – az elektromos töltést nyomó erő – mindig előre-hátra vált, és az áram – az elektromos töltés mozgása is. Az elektromos teljesítmény maximalizálható, ha a feszültség és az áramerősség szinkronban van. Előfordulhatnak azonban olyan esetek, amikor a feszültség és az áram két váltakozó mintája között késések vannak, például amikor a motor jár. Ha nincsenek szinkronban, az áramkörön átáramló energia egy részét nem tudják felvenni a csatlakoztatott eszközök, ami a hatékonyság csökkenését eredményezi. Nagyobb összteljesítményre lesz szükség, hogy ugyanazt a „valódi” teljesítményt hozzuk létre, mint amennyit a terhelések fel tudnak venni. Ennek ellensúlyozására a közművek meddő energiát szolgáltatnak, ami visszaállítja a feszültséget és az áramot szinkronba, és megkönnyíti az áramfogyasztást. Ez a meddőteljesítmény önmagában nem kerül felhasználásra, hanem más teljesítményt tesz hasznossá. A modern inverterek meddőteljesítményt is képesek szolgáltatni és elnyelni, hogy segítsenek a hálózatoknak egyensúlyban tartani ezt a fontos erőforrást. Ezen túlmenően, mivel a meddő energiát nehéz nagy távolságra szállítani, az elosztott energiaforrások, például a tetőtéri napelemek különösen hasznos meddőenergia-források.

AZ INVERTEREK TÍPUSAI

Többféle inverter is beépíthető a napelemes rendszer részeként. Egy nagyüzemben vagy egy közepes méretű közösségi napelemes projektben minden napelem csatlakoztatható egyetlenközponti inverter. Húr inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. Mikroinverterek are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.