Kako radi inverter mreže vjetroturbine i kako odabrati pravi?

Uloga mrežnog pretvarača u sustavu energije vjetra

Vjetroturbina proizvodi električnu energiju u obliku koji se ne može unijeti izravno u električnu mrežu ili koristiti standardnim kućanskim aparatima. Male i srednje vjetroturbine obično proizvode izmjeničnu struju promjenjive frekvencije, promjenjivog napona — ili u mnogim slučajevima, trofaznu izmjeničnu struju koja se ispravlja u istosmjernu struju pomoću internog ispravljača — i ta sirova izlazna snaga mora se pretvoriti u čistu, stabilnu, s mrežom sinkroniziranu izmjeničnu struju prije nego što se može izvesti ili konzumirati na licu mjesta. Ta pretvorba je posao mrežnog pretvarača. Uzima nepravilan električni izlaz turbine, obrađuje ga putem energetske elektronike i proizvodi čisti sinusni val na naponu i frekvenciji mreže — obično 120/240 V na 60 Hz u Sjevernoj Americi ili 230 V na 50 Hz u Europi i drugim regijama. Bez ovog uređaja energija vjetra ne može komunicirati s mrežom, ne može nadoknaditi vašu potrošnju električne energije i ne može zaraditi neto kredite za mjerenje. Razumijevanje načina na koji mrežni pretvarači rade i što razlikuje dobro usklađenu jedinicu od loše odabrane bitno je za svakoga tko pušta u rad sustav energije vjetra.

Kako zapravo radi mrežni pretvarač vjetroturbine

Interni proces mrežnog pretvarača uključuje nekoliko različitih faza, od kojih svaka obrađuje određeni aspekt pretvorbe energije i zadatka sinkronizacije mreže.

Ispravljanje ulaza i regulacija DC sabirnice

Ako turbina proizvodi izmjeničnu struju - kao što to rade alternatori s trajnim magnetima (PMA) - stupanj pretvarača ispravlja to u istosmjernu struju pomoću diodnog mosta ili aktivnog ispravljača. Rezultirajući istosmjerni napon varira s brzinom vjetra, tako da ga pojačalni pretvarač ili buck-boost stupanj regulira na stabilan istosmjerni napon sabirnice s kojim izlazni stupanj pretvarača može dosljedno raditi. Turbine koje već uključuju unutarnji ispravljač isporučuju DC izravno na ulaz pretvarača, zaobilazeći ovaj stupanj.

Power Point praćenje (MPPT)

Vjetroturbine imaju krivulju snage — odnos između brzine vjetra i električne radne točke — koja se kontinuirano mijenja kako brzina vjetra varira. MPPT algoritmi unutar pretvarača kontinuirano prilagođavaju električno opterećenje predstavljeno turbini kako bi izvukli raspoloživu snagu pri bilo kojem stanju vjetra. Vjetar MPPT razlikuje se od solarnog MPPT-a jer su krivulje snage vjetroturbine kubične funkcije brzine vjetra i jer rotacijska inercija turbine znači da se radna točka mijenja postupnije. Dobro implementiran MPPT algoritam vjetra može poboljšati žetvu energije za 10 do 20 posto u usporedbi s dizajnom s fiksnim opterećenjem, što je značajna razlika u godišnjoj proizvodnji energije.

Grid Sinkronizacija i Anti-Islanding

Izlazni stupanj pretvarača koristi bipolarne tranzistore s izoliranim vratima (IGBT) uključene na visokoj frekvenciji pod kontrolom modulacije širine impulsa (PWM) za sintezu čistog sinusnog vala precizno sinkroniziranog s naponom i frekvencijom mreže. Fazno zaključana petlja (PLL) kontinuirano nadzire mrežu i održava izlaz pretvarača u fazi. Anti-islanding zaštita je obvezna sigurnosna funkcija koja detektira kada je mreža pala - zbog kvara ili servisa - i isključuje pretvarač unutar milisekundi, sprječavajući ga da napaja mrtvi vod dok komunalni radnici mogu biti na njemu. Svi mrežni pretvarači koji se prodaju na usklađenim tržištima moraju ispunjavati standarde protiv otočavanja kao što su IEEE 1547 u Sjedinjenim Državama ili VDE 0126-1-1 u Njemačkoj.

Specifični vjetar u odnosu na solarne mreže: zašto nisu zamjenjivi

Uobičajena pogreška instalatera vjetroelektrana je pokušaj korištenja solarnog mrežnog pretvarača s vjetroturbinom. Iako oba uređaja izvode istosmjernu u izmjeničnu pretvorbu, njihove ulazne karakteristike bitno su različite, a solarni pretvarači nisu dizajnirani za sigurno ili učinkovito rukovanje ulazima vjetroturbina. Solarni paneli proizvode relativno stabilan istosmjerni napon unutar definiranog raspona, dok turbine na vjetar proizvode širok raspon, brzo promjenjiv ulaz koji može varirati od blizu nule do znatno iznad nazivnog ulaznog napona pretvarača kako dolaze udari vjetra. Solarni pretvarač izložen ovoj varijabilnosti napona više puta će aktivirati svoju zaštitu od prenapona, raditi neučinkovito izvan svog MPPT prozora ili prerano otkazati zbog ponovljenih ciklusa opterećenja. Mrežni izmjenjivači specifični za vjetar dizajnirani su sa širim rasponima ulaznog napona, MPPT algoritmima optimiziranim za turbine i zaštitnim krugovima ulaza usklađenim s električnim ponašanjem vjetrogeneratora. Korištenje ispravnog uređaja nije samo razmatranje performansi - to je zahtjev pouzdanosti i sigurnosti.

Ključne specifikacije koje treba procijeniti pri odabiru pretvarača

Usklađivanje pretvarača s određenom vjetroturbinom i instalacijom zahtijeva posebnu pozornost na nekoliko međusobno ovisnih specifikacija. Prije kupnje važno je provjeriti sljedeće parametre.

Raspon ulaznog napona

Raspon istosmjernog ulaza pretvarača mora obuhvatiti cijeli raspon izlaznog napona vaše turbine pri svim radnim brzinama vjetra, uključujući udare iznad nazivne brzine vjetra. Ako ispravljeni izlaz vaše turbine može doseći 400 V DC pri velikim brzinama vjetra, pretvarač s ulazom od 350 V DC aktivirat će svoju zaštitu od prenapona i odspojiti se s turbine točno kada je vjetar najproduktivniji. Tipično izmjenjivači veza za mrežu vjetra za male turbine prihvatite ulazne raspone od oko 45 V DC do 500 V DC ili šire; uvijek provjerite navedeni napon otvorenog kruga i nazivni radni napon proizvođača turbine u odnosu na list sa specifikacijama pretvarača.

Nazivna snaga i tolerancija preopterećenja

Nazivna snaga pretvarača trebala bi odgovarati nazivnoj izlaznoj snazi turbine što je moguće bliže. Značajno manja veličina pretvarača smanjuje vršnu snagu turbine tijekom razdoblja jakog vjetra; predimenzioniranje znači da pretvarač radi s niskom učinkovitošću tijekom čestih uvjeta slabog vjetra koji dominiraju profilima vjetra na gradilištima. Skromno povećanje od 10 do 15 posto je razumno kako bi se omogućili kratki udari vjetra iznad nazivne brzine vjetra bez aktiviranja zaštite od preopterećenja pretvarača. Provjerite specifikaciju preopterećenja pretvarača — izraženu kao postotak nazivne snage za definirano trajanje — da biste razumjeli kako se nosi s čestim kratkotrajnim skokovima snage koji karakteriziraju mjesta s turbulentnim vjetrom.

Učinkovitost pretvorbe

Učinkovitost pretvarača nije samo jedan broj — ona varira s razinom ulazne snage. CEC ponderirana učinkovitost ili europski ponderirani podaci o učinkovitosti, koji predstavljaju prosjek učinkovitosti u više radnih točaka ponderiran njihovom učestalošću pojavljivanja, korisniji su od same vršne učinkovitosti. Za vjetroturbinu koja većinu vremena provodi pod djelomičnim opterećenjem pri slabom vjetru, učinkovitost od 10 do 30 posto nazivne snage ima značajan utjecaj na godišnju žetvu energije. Visokokvalitetni vjetroelektrični pretvarači postižu vršnu učinkovitost iznad 97 posto i održavaju težinsku učinkovitost iznad 95 posto.

Usporedba pretvarača: ključne specifikacije na prvi pogled

Donja tablica sažima tipične raspone specifikacija za mrežne pretvarače vjetroturbina u tri uobičajene klase snage koje se koriste u stambenim i malim komercijalnim aplikacijama.

Zahtjevi za priključenje na mrežu i usklađenost

Spajanje bilo koje proizvodne opreme na komunalnu mrežu zahtijeva usklađenost s nacionalnim električnim kodovima i zahtjevima za međusobno povezivanje komunalnih usluga. U Sjedinjenim Državama pretvarači moraju biti navedeni prema UL 1741 i biti u skladu s IEEE 1547 za mrežno međusobno povezivanje. Mnoga komunalna poduzeća također zahtijevaju certifikaciju UL 1741 SA (Dodatak A), koja dodaje napredne funkcije podrške mreži uključujući prolazak kroz napon i frekvenciju i kontrolu jalove snage — mogućnosti koje moderni operateri mreže trebaju od resursa distribuirane proizvodnje. U Europi je relevantna norma EN 50549, koja je zamijenila starije nacionalne norme u zemljama članicama EU. Prije kupnje pretvarača, provjerite sa svojim komunalnim poduzećem koje su im potvrde potrebne za odobrenje međusobnog povezivanja; instaliranje neusklađenog uređaja može dovesti do toga da komunalno poduzeće odbije uključiti interkonekciju ili zahtijeva skupu zamjenu.

Dodatna razmatranja povezivanja na mrežu uključuju:

• Kompatibilnost neto mjerenja: Pretvarač mora biti sposoban podržavati dvosmjerno mjerenje, omogućujući da se izvezena energija uračuna u potrošnju. Potvrdite ovo s timom za međusobno povezivanje vašeg komunalnog poduzeća prije instalacije.
• Faktor snage i jalova snaga: Neka komunalna poduzeća zahtijevaju da pretvarači rade na određenom faktoru snage ili da daju podršku za jalovu snagu. Pretvarači viših specifikacija uključuju programabilnu kontrolu faktora snage.
• Ograničenja ubrizgavanja istosmjerne struje: Mrežni standardi ograničavaju količinu istosmjerne struje koju pretvarač može unijeti u izmjeničnu mrežu, obično na manje od 0,5 posto nazivnog izlaza. Kvalitetni pretvarači uključuju nadzor istosmjernog ubrizgavanja i ograničavajuće krugove kako bi ostali unutar ovog praga.

Instalacijsko okruženje i mogućnosti praćenja

Instalacije vjetroturbina često su na izloženim mjestima - ruralna imanja, vrhovi brda, obalna mjesta - gdje se pretvarač može montirati na otvorenom ili u negrijanim gospodarskim zgradama. Provjerite raspon radne temperature pretvarača, ocjenu zaštite od prodora (IP65 je za vanjsku ugradnju) i uključuje li unutarnju zaštitu od korozije za okruženja sa slanim zrakom ili visokom vlažnošću. Upravljanje toplinom također je važno: pretvarači koji se oslanjaju na aktivne ventilatore za hlađenje u prašnjavim ili mokrim okruženjima zahtijevaju više održavanja od dizajna bez ventilatora s konvekcijskim hlađenjem.

Moderni vjetroelektrični pretvarači uključuju bilježenje podataka i daljinski nadzor putem Wi-Fi, Ethernet ili RS485 Modbus sučelja. Pristup podacima o proizvodnji u stvarnom vremenu i povijesnim podacima — izlaznoj snazi, prinosu energije, radnom naponu turbine i zapisnicima kvarova — vrijedan je i za provjeru radi li sustav prema očekivanjima i za dijagnosticiranje problema prije nego što postanu skupi kvarovi. Kada uspoređujete pretvarače, sposobnost nadzora smatrajte funkcionalnim zahtjevom, a ne opcijskom značajkom; sustav koji ne možete promatrati je sustav koji ne možete optimizirati ili održavati proaktivno.

Napravite pravi izbor pretvarača za vaš sustav vjetrenjača

Odabir mrežnog pretvarača vjetroturbine je odluka koja utječe na svaki kilovat-sat koji vaša turbina ikada proizvede. Započnite s preporučenim specifikacijama pretvarača vaše turbine — rasponom ulaznog napona, nazivnom snagom i MPPT kompatibilnošću — i tretirajte ih kao zahtjeve, a ne smjernice. Zatim provjerite certifikate usklađenosti s mrežom koje zahtijeva vaše komunalno poduzeće, potvrdite specifikacije okruženja instalacije i procijenite značajke nadzora i komunikacije. Inverter koji se sustavno bira prema ovim kriterijima, od proizvođača s dokumentiranim iskustvom u primjeni vjetra i lokalnom servisnom mrežom, pružit će pouzdane performanse desetljeće ili više. Smanjenje uglova na specifikaciju pretvarača kako bi se smanjili početni troškovi neizbježno rezultira većim životnim troškovima kroz smanjeni prinos energije, povećano održavanje i preuranjenu zamjenu.