اینورتر گرید توربین بادی چگونه کار می کند و چگونه مناسب را انتخاب می کنید؟

نقش اینورتر گرید Tie در یک سیستم انرژی باد

یک توربین بادی برق را به شکلی تولید می کند که نمی تواند مستقیماً به شبکه برق تغذیه شود یا توسط وسایل خانگی استاندارد استفاده شود. توربین‌های بادی کوچک و متوسط ​​معمولاً خروجی متناوب AC با فرکانس متغیر و ولتاژ متغیر تولید می‌کنند - یا در بسیاری از موارد، AC سه فازی که توسط یکسوساز داخلی به DC یکسو می‌شود - و آن خروجی خام باید قبل از اینکه بتوان آن را صادر یا مصرف کرد به AC تمیز، پایدار و هماهنگ با شبکه تبدیل کرد. این تبدیل کار اینورتر گرید تای است. خروجی الکتریکی نامنظم توربین را می گیرد، آن را از طریق الکترونیک قدرت پردازش می کند و یک موج سینوسی خالص در ولتاژ و فرکانس شبکه تولید می کند - معمولاً 120/240 ولت در 60 هرتز در آمریکای شمالی، یا 230 ولت در 50 هرتز در اروپا و سایر مناطق. بدون این دستگاه، انرژی باد نمی تواند با شبکه تعامل داشته باشد، نمی تواند مصرف برق شما را جبران کند و نمی تواند اعتبار خالص اندازه گیری را کسب کند. درک نحوه کار اینورترهای اتصال شبکه و اینکه چه چیزی یک واحد همسان را از یک واحد نامناسب متمایز می کند برای هر کسی که سیستم انرژی بادی را راه اندازی می کند ضروری است.

چگونه یک اینورتر گرید توربین بادی در واقع کار می کند

فرآیند داخلی یک اینورتر اتصال شبکه شامل چندین مرحله مجزا است که هر کدام جنبه خاصی از تبدیل توان و وظیفه همگام سازی شبکه را انجام می دهد.

اصلاح ورودی و تنظیم باس DC

اگر توربین خروجی متناوب AC تولید کند - همانطور که آلترناتورهای آهنربای دائم (PMA) انجام می دهند - مرحله اینورتر با استفاده از یک پل دیودی یا یکسوساز فعال این خروجی را به DC اصلاح می کند. ولتاژ DC حاصل با سرعت باد در نوسان است، بنابراین یک مبدل تقویت کننده یا مرحله باک بوست آن را به یک ولتاژ باس DC پایدار تنظیم می کند که مرحله خروجی اینورتر می تواند به طور مداوم با آن کار کند. توربین هایی که از قبل دارای یکسو کننده داخلی هستند، مستقیماً DC را به ورودی اینورتر می رسانند و این مرحله را دور می زنند.

ردیابی پاور پوینت (MPPT)

توربین های بادی دارای یک منحنی قدرت هستند - رابطه ای بین سرعت باد و نقطه کار الکتریکی - که با تغییر سرعت باد به طور مداوم تغییر می کند. الگوریتم‌های MPPT در داخل اینورتر به‌طور پیوسته بار الکتریکی ارائه‌شده به توربین را تنظیم می‌کنند تا توان موجود در هر شرایط باد معین را استخراج کنند. MPPT باد با MPPT خورشیدی متفاوت است زیرا منحنی های قدرت توربین بادی تابع مکعب سرعت باد هستند و به این دلیل که اینرسی چرخشی توربین به این معنی است که نقطه عملیاتی به تدریج تغییر می کند. یک الگوریتم MPPT باد که به خوبی اجرا شده است می تواند برداشت انرژی را 10 تا 20 درصد در مقایسه با طراحی بار ثابت بهبود بخشد که تفاوت معنی داری در تولید انرژی سالانه است.

همگام سازی شبکه و ضد جزیره ای

مرحله خروجی اینورتر از ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) استفاده می‌کند که در فرکانس بالا تحت کنترل مدولاسیون عرض پالس (PWM) سوئیچ می‌شوند تا یک موج سینوسی خالص را به‌طور دقیق با ولتاژ و فرکانس شبکه همگام‌سازی کنند. یک حلقه قفل فاز (PLL) به طور مداوم بر شبکه نظارت می کند و خروجی اینورتر را در فاز نگه می دارد. حفاظت ضد جزیره‌ای یک عملکرد ایمنی اجباری است که تشخیص می‌دهد چه زمانی شبکه قطع شده است - به دلیل نقص یا تعمیر و نگهداری برق - و اینورتر را در عرض میلی‌ثانیه قطع می‌کند و از روشن کردن خط پایانی در زمانی که کارگران شرکت برق ممکن است در آن هستند جلوگیری کند. همه اینورترهای اتصال شبکه فروخته شده در بازارهای مطابق با استانداردهای ضد جزیره ای مانند IEEE 1547 در ایالات متحده یا VDE 0126-1-1 در آلمان باید مطابقت داشته باشند.

اینورترهای اتصال ویژه باد در مقابل شبکه خورشیدی: چرا آنها قابل تعویض نیستند

اشتباه رایجی که نصابان سیستم باد زمان مرتکب می شوند، تلاش برای استفاده از اینورتر شبکه خورشیدی با توربین بادی است. در حالی که هر دو دستگاه تبدیل DC به AC را انجام می دهند، ویژگی های ورودی آنها اساساً متفاوت است و اینورترهای خورشیدی برای مدیریت ایمن یا کارآمد ورودی های توربین بادی طراحی نشده اند. پنل‌های خورشیدی ولتاژ DC نسبتاً پایداری را در محدوده‌ای مشخص تولید می‌کنند، در حالی که توربین‌های بادی ورودی گسترده‌ای را تولید می‌کنند که به سرعت تغییر می‌کند که می‌تواند از نزدیک به صفر تا بسیار بالاتر از ولتاژ ورودی نامی اینورتر با رسیدن تندبادها نوسان کند. یک اینورتر خورشیدی که در معرض این تغییر ولتاژ قرار می گیرد، حفاظت اضافه ولتاژ خود را به طور مکرر قطع می کند، در خارج از پنجره MPPT خود به طور ناکارآمد عمل می کند، یا به دلیل چرخه های تنش مکرر، پیش از موعد از کار می افتد. اینورترهای اتصال شبکه ویژه باد با محدوده ولتاژ ورودی گسترده تر، الگوریتم های MPPT بهینه شده برای توربین و مدارهای حفاظت ورودی مطابق با رفتار الکتریکی ژنراتورهای بادی طراحی شده اند. استفاده از دستگاه صحیح صرفاً یک ملاحظۀ عملکرد نیست - یک الزام قابلیت اطمینان و ایمنی است.

مشخصات کلیدی برای ارزیابی هنگام انتخاب یک اینورتر

تطبیق یک اینورتر با یک توربین بادی خاص و نصب نیاز به توجه دقیق به چندین مشخصات وابسته به هم دارد. پارامترهای زیر مهم هستند که قبل از خرید بررسی شوند.

محدوده ولتاژ ورودی

محدوده ورودی DC اینورتر باید محدوده ولتاژ خروجی کامل توربین شما را در تمام سرعتهای باد در حال کار، از جمله وزش بادهای بالاتر از سرعت نامی باد، در بر گیرد. اگر خروجی تصحیح شده توربین شما می تواند به 400 ولت DC در سرعت باد بالا برسد، یک اینورتر با ورودی 350 ولت DC حفاظت اضافه ولتاژ خود را قطع می کند و دقیقاً زمانی که باد در حال تولید است از توربین جدا می شود. معمولی اینورترهای اتصال شبکه باد برای توربین های کوچک محدوده ورودی از حدود 45 ولت DC تا 500 ولت DC یا بیشتر را می پذیرد. همیشه ولتاژ مدار باز اعلام شده توسط سازنده توربین و محدوده ولتاژ عملیاتی نامی را بر اساس برگه مشخصات اینورتر بررسی کنید.

توان نامی و تحمل اضافه بار

توان نامی اینورتر باید تا حد عملی با توان نامی خروجی توربین مطابقت داشته باشد. کوچک‌تر کردن قابل‌توجه اینورتر، اوج خروجی توربین را در طول دوره‌های باد شدید قطع می‌کند. بزرگ شدن به این معنی است که اینورتر در شرایط مکرر باد ملایم که بر پروفیل باد سایت ها غالب است، با راندمان پایین کار می کند. اندازه متوسط ​​10 تا 15 درصد منطقی است تا امکان تندبادهای کوتاه بالاتر از سرعت نامی باد را بدون از کار انداختن محافظ اضافه بار اینورتر فراهم کند. مشخصات اضافه بار اینورتر را بررسی کنید - که به صورت درصدی از توان نامی برای مدت زمان مشخصی بیان می شود - تا متوجه شوید که چگونه با نوسانات مکرر قدرت کوتاه مدت که مشخصه سایت های باد متلاطم است، مقابله می کند.

راندمان تبدیل

بازده اینورتر یک عدد واحد نیست - با سطح توان ورودی متفاوت است. بازده وزنی CEC یا ارقام بازده وزنی اروپایی، که میانگین راندمان در چندین نقطه عملیاتی وزن شده بر اساس فراوانی وقوع آنها، مفیدتر از راندمان اوج به تنهایی است. برای توربین بادی که بیشتر زمان خود را در بار جزئی در بادهای خفیف صرف می‌کند، راندمان 10 تا 30 درصد توان نامی تأثیر قابل‌توجهی بر برداشت سالانه انرژی دارد. اینورترهای بادی با کیفیت بالا به حداکثر راندمان بالای 97 درصد و حفظ راندمان وزنی بالای 95 درصد می رسند.

مقایسه اینورتر: مشخصات کلیدی در یک نگاه

جدول زیر محدوده مشخصات معمولی برای اینورترهای اتصال توربین بادی در سه کلاس توان رایج مورد استفاده در کاربردهای مسکونی و تجاری کوچک را خلاصه می کند.

الزامات اتصال به شبکه و انطباق

اتصال هر گونه تجهیزات تولیدی به شبکه برق مستلزم رعایت قوانین ملی برق و الزامات اتصال برق شهری است. در ایالات متحده، اینورترها باید در فهرست UL 1741 و مطابق با IEEE 1547 برای اتصال به شبکه باشند. بسیاری از تاسیسات همچنین به گواهینامه UL 1741 SA (مکمل A) نیاز دارند، که توابع پشتیبانی شبکه پیشرفته از جمله ولتاژ و فرکانس راندن عبوری و کنترل توان راکتیو را اضافه می‌کند - قابلیت‌هایی که اپراتورهای شبکه مدرن از منابع تولید پراکنده نیاز دارند. در اروپا، استاندارد مربوطه EN 50549 است که جایگزین استانداردهای ملی قدیمی در کشورهای عضو اتحادیه اروپا شده است. قبل از خرید یک اینورتر، با شرکت برق خود تأیید کنید که آنها برای تأیید اتصال به کدام گواهینامه نیاز دارند. نصب یک دستگاه غیر منطبق می‌تواند منجر به امتناع شرکت برق از برق‌رسانی اتصال داخلی یا نیاز به تعویض پرهزینه شود.

ملاحظات اضافی اتصال به شبکه عبارتند از:

• سازگاری نت مترینگ: اینورتر باید قابلیت پشتیبانی از اندازه گیری دو جهته را داشته باشد و اجازه دهد انرژی صادر شده در برابر مصرف اعتبار داده شود. قبل از نصب، این موضوع را با تیم اتصال ابزار خود تأیید کنید.
• ضریب توان و توان راکتیو: برخی از تاسیسات به اینورترها نیاز دارند تا با ضریب توان مشخصی کار کنند یا پشتیبانی از توان راکتیو را ارائه دهند. اینورترهای با مشخصات بالاتر شامل کنترل ضریب توان قابل برنامه ریزی هستند.
• محدودیت های تزریق DC: استانداردهای شبکه، مقدار جریان DC را که اینورتر می تواند به شبکه AC تزریق کند، معمولاً به کمتر از 0.5 درصد خروجی نامی محدود می کند. اینورترهای با کیفیت شامل نظارت بر تزریق DC و مدارهای محدود کننده برای باقی ماندن در این آستانه هستند.

محیط نصب و قابلیت های نظارت

تاسیسات توربین بادی اغلب در مکان‌های در معرض دید - دارایی‌های روستایی، بالای تپه‌ها، مکان‌های ساحلی - که اینورتر ممکن است در خارج از منزل یا در ساختمان‌های بدون گرمایش نصب شود. محدوده دمای کارکرد اینورتر، رتبه حفاظت از نفوذ (IP65 برای نصب در فضای باز است)، و اینکه آیا شامل حفاظت در برابر خوردگی داخلی برای محیط‌های نمکی یا با رطوبت بالا می‌شود را بررسی کنید. مدیریت حرارتی نیز مهم است: اینورترهایی که به فن های خنک کننده فعال در محیط های غبارآلود یا مرطوب متکی هستند نسبت به طراحی های بدون فن و خنک کننده همرفت نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتری دارند.

اینورترهای اتصال شبکه باد مدرن شامل ثبت اطلاعات و نظارت از راه دور از طریق رابط های Wi-Fi، اترنت یا RS485 Modbus هستند. دسترسی به داده‌های تولید در زمان واقعی و تاریخی - توان خروجی، بازده انرژی، ولتاژ کار توربین و گزارش‌های خطا - هم برای تأیید عملکرد سیستم مطابق انتظار و هم برای تشخیص مشکلات قبل از تبدیل شدن به خرابی‌های پرهزینه ارزشمند است. هنگام مقایسه اینورترها، قابلیت نظارت را به عنوان یک نیاز عملکردی به جای یک ویژگی اختیاری در نظر بگیرید. سیستمی که نمی توانید آن را مشاهده کنید، سیستمی است که نمی توانید آن را بهینه سازی یا نگهداری کنید.

انتخاب اینورتر مناسب برای سیستم باد شما

انتخاب یک اینورتر شبکه توربین بادی تصمیمی است که بر هر کیلووات ساعتی که توربین شما تولید می کند تأثیر می گذارد. با مشخصات اینورتر توصیه شده سازنده توربین خود شروع کنید - محدوده ولتاژ ورودی، رتبه قدرت و سازگاری MPPT - و اینها را به عنوان الزامات به جای دستورالعمل در نظر بگیرید. سپس تأییدیه‌های انطباق با شبکه را که توسط شرکت شما مورد نیاز است، تأیید کنید، مشخصات محیط نصب را تأیید کنید، و ویژگی‌های نظارت و ارتباط را ارزیابی کنید. یک اینورتر که به طور سیستماتیک بر اساس این معیارها انتخاب شده است، از یک سازنده با سابقه مستند در کاربردهای باد و یک شبکه خدمات محلی، عملکرد قابل اعتمادی را برای یک دهه یا بیشتر ارائه می دهد. برش دادن مشخصات اینورتر برای کاهش هزینه‌های اولیه همواره منجر به افزایش هزینه‌های طول عمر از طریق کاهش بازده انرژی، افزایش تعمیر و نگهداری و تعویض زودرس می‌شود.