Фотоволтаичните клетки генерират постоянен ток и напрежение. За да може енергията, произведена от тях да се преобразува и транспортира на големи разстояния, е необходимо да се използва променлив ток. Преобразуването на постояннотоковата в променливотокова енергия се извършва от устройства, наречени инвертори.
1. Изисквания към инверторите
Най-важното изискване за един инвертор е да има висок КПД, който се изразява не само в ефективно преобразуване на постоянен ток в променлив, но и в осигуряването на оптимален режим на работа на фотоволтаичните модули. По долу накратко е посочена основната функционалност, която трябва да притежава всеки един инвертор:
– Инверторът автоматично трябва да следи текущата волтамперна характеристика на входните стрингове и да избира такава точка от нея, при която от модулите се черпи максимална енергия. Така, при различни нива на слънчевата радиация, няма да се получат нежелани загуби.
– Инверторът трябва да преобразува получената постояннотокова енергия в променливотокова с параметри, подходящи за отдаване в електрическата мрежа /напрежение, ток и честота/.
– Ако инверторът е предназначен да влиза в паралел с електрическата мрежа, той трябва да следи нейните текущи параметри (напрежение, честота, импеданс и др.) и ако те са в нормални граници, да започне да инжектира ток в мрежата с форма, отговаряща на формата на напрежението (синусоида) и честота, равна на честотата на мрежата. При това дефазирането между тока и напрежението трябва да е практически нулево (cosφ =1).
– Инверторът трябва да следи дълъг списък от параметри, както на входа (постояннотокова част), така и на изхода (променливотокова част). В този списък влизат напрежения, работни токове, токове на утечка, импеданси, мощности, съпротивления на заземяването и т.н. Ако някой от следените параметри излезе извън допустимия диапазон от стойности, инверторът автоматично трябва да се самоизключи от мрежата и да престане да консумира енергия от фотоволтаичните модули. Тази функционалност гарантира безопасност на обслужващия персонал при евентуално възникнали аварии.
– Системата за автоматично изключване на инвертора трябва да е дублирана, тоест да се състои от две независими една от друга подсистеми, всяка от които сама трябва да следи параметрите на мрежата и сама да е в състояние да изключи инвертора. Изискването за такова дублиране е свързано с това, че безопасността на обслужващия и ремонтния персонал е с висш приоритет и инверторът трябва да гарантира тази безопасност дори и тогава, когато има вътрешни повреди в електрониката.
– Когато след ремонт напрежението на мрежата се възстанови, инверторът трябва да проконтролира дали всички параметри на мрежата са в норма, след което автоматично трябва да се включи в паралел, като постепенно увеличава мощността си до максимално възможната.
2. Видове инвертори
- Според начина им на свързване се делят на автономни и свързани в мрежа
– Автономни инвертори – сами генерират синусоидално напрежение на изхода си и са в състояние сами да захранват променливотокови консуматори. Те се използват в отдалечени региони, където няма изградена електроразпределителна мрежа. Недостатък за автономните инвертори е, че те не могат да влизат в паралел с други инвертори. По тази причина с тях не е възможно да се изграждат електроцентрали с голяма мощност.
– Свързани в мрежата инвертори (Grid Connected) са предназначени да влизат в паралел с електрическата мрежа и да отдават цялата налична енергия в нея. Тези инвертори не могат да работят автономно. Те само следят параметрите на мрежата и се адаптират към тях. Всички големи централи се правят с такива инвертори.
2. Според мощността им:
– Маломощни инвертори са еднофазни и имат максимална АС мощност от 500W до 5кW. Използват се за малки фотоволтаични инсталации с до 20-30 модула. Характеризират се с нисък КПД (91-95%), като колкото е по-малка мощността, толкова е по-ниска и тяхната ефективност на преобразуване. Модулите в DC частта са организирани в 1 или в 2 стринга, което означава, че няма нужда от блокиращи диоди или от предпазители на входа. Защитата от пренапрежения се извършва с варистори, вградени в инвертора.
– Мини-централите представляват еднофазни или трифазни инвертори с мощност от 5kW до 50kW. Използват се за направата на електроцентрали с максимална мощност до 1MW. Имат високоефективни DC/АС преобразуватели с КПД, достигащ до 98%. Притежават и допълнителна функционалност, свързана с тяхната групова работа, като например баланс на натоварванията на фазите или синхронна работа върху общ масив от модули и самоизключване на част от инверторите при слаба радиация. Модулите в DC частта са организирани в 3, в 4 или в 5 стринга, което означава, че задължително трябва стринговете да са разделени или с блокиращи диоди и/или с предпазители. Защитата от пренапрежения обикновено се извършва с варистори, вградени в мини-централата.
– Централните инвертори представляват група от по-малки инвертори (например мини-централи), обединени в общ корпус и работещи като единно устройство. Мощността им е от 100kW до 1MW. Задължително са трифазни, а част от тях имат и вграден повишаващ трансформатор от 0,4kV на 20kV. На DC входа имат включени огромни масиви от модули, организирани в десетки и стотици паралелни стрингове. За обединението на тези стрингове се използват интелигентни разпределителни кутии (с компютърно управление и контрол), в които задължително има предпазители и защити от пренапрежения.
3. Според това какъв е изходът на инверторите (има или няма галванично разделяне)
– При трансформаторните инвертори има галванично разделяне на АС от DC частта. Това разделяне се извършва с нискочестотен или високочестотен трансформатор. Предимството на този тип инвертори е в това, че няма опасност да се появи фаза в постояннотоковата част, което предполага по-голяма безопасност за обслужващия персонал. Като недостатък може да се посочи по-ниският КПД (около 95-96%), който е обусловен от допълнителните загуби в трансформатора. Трябва да се има в предвид, че при използване на тънкослойни модули трябва да се използват трансформаторни инвертори, за да се намали ефекта на деградиране на клетките, който се наблюдава при работата им с безтрансформаторни инвертори.
– При безтрансформаторните инвертори няма галванично разделяне между АС и DC частта. Благодарение на това те имат възможно най-високият КПД (97-98%), който може да се постигне от съвременната електроника. Липсата на трансформатор обаче трябва да се компенсира със задължително заземяване на рамките на модулите.
3. Препоръки при избор на инвертори
В зависимост от мощността на централата и от технологията на модулите могат да се направят следните препоръки за избор на технология на инверторите:
– При централи с тънкослойни модули се използват трансформаторни инвертори. Във всички останали случаи се предпочита използването на безтрансформаторни.
– При централи с мощност до 5 kW се използва един маломощен инвертор.
– При централи с мощност от 5kW до 10kW по възможност се използва една мини-централа. Ако обаче електроразпределителното предприятие разпореди в предварителния договор трифазно присъединяване, то тогава трябва да се използват 3 маломощни инвертора с еднаква мощност.
– При централи с мощност от 10kW до 100kW се използват мини-централи, като техния брой трябва да е кратен на 3, за да има баланс на натоварването на фазите.
– При централи с мощност от 100kW до 1MW могат да се използват както много на брой мини-централи, така и 1 централен инвертор. Препоръчително е да се предпочат многото на брой мини-централи поради следните съображения:
A. При повреда в инвертор на централа с много на брой мини-централи отпада само част от мощността, а не цялата централа. Подмяната на инвертора може да се организира в рамките на 24 часа и се извършва от български специалисти. При повреда в централен инвертор, според гаранционните условия, е възможно фирмата производител да изпрати свои специалисти. Командировъчните на специалисти, както по време на монтажа, така и при ремонт, струват много. Времето, загубено при тези дейности води до големи пропуснати ползи от непроизведена електроенергия.
B. При електроцентрали с много на брой мини-централи се използва сравнително малко количество от скъпите соларни DC кабели, докато при централи с централен инвертор количествата на DC кабелите са огромни (от 10 до 50 пъти повече).
– При централи с мощност над 1MW се използват централни инвертори, по възможност с вграден повишаващ трансформатор 0,4/20kV.
За въпроси, забележки и запитвания, използвайте формата за връзка по-долу.
Не забравяйте да харесвате и споделяте!
Дата: 13.11.2017г.
Автор: инж. Димитър Цеков
Източник: Дипломна работа на тема “Проектиране на стационарна и следяща фотоволтаични централи в определен терен и сравняването им по технически и икономически показатели”
