Как работает инвертор для ветряной турбины и как выбрать правильный?

Роль сетевого инвертора в ветроэнергетической системе

Ветряная турбина вырабатывает электроэнергию в такой форме, которую нельзя подавать непосредственно в электросеть или использовать стандартными бытовыми приборами. Малые и средние ветряные турбины обычно производят переменный ток переменной частоты и переменного напряжения — или, во многих случаях, трехфазный переменный ток, который преобразуется в постоянный ток с помощью внутреннего выпрямителя — и этот необработанный выходной сигнал должен быть преобразован в чистый, стабильный, синхронизированный с сетью переменный ток, прежде чем его можно будет экспортировать или потреблять на месте. Это преобразование является задачей сетевого инвертора. Он принимает нерегулярную электрическую мощность турбины, обрабатывает ее с помощью силовой электроники и генерирует чистую синусоидальную волну с напряжением и частотой сети — обычно 120/240 В при 60 Гц в Северной Америке или 230 В при 50 Гц в Европе и других регионах. Без этого устройства энергия ветра не может взаимодействовать с сетью, не может компенсировать ваше потребление электроэнергии и не может получать чистые зачетные баллы. Понимание того, как работают сетевые инверторы и что отличает хорошо подобранный блок от плохо выбранного, необходимо для любого, кто запускает ветроэнергетическую систему.

Как на самом деле работает инвертор для ветряной турбины

Внутренний процесс сетевого инвертора включает в себя несколько отдельных этапов, каждый из которых отвечает за определенный аспект задачи преобразования энергии и синхронизации сети.

Входное выпрямление и регулирование шины постоянного тока

Если турбина вырабатывает переменный ток, как это делают генераторы с постоянными магнитами (PMA), ступень инвертора выпрямляет его в постоянный ток с помощью диодного моста или активного выпрямителя. Результирующее напряжение постоянного тока колеблется в зависимости от скорости ветра, поэтому повышающий преобразователь или повышающе-понижающий каскад регулирует его до стабильного напряжения на шине постоянного тока, с которым выходной каскад инвертора может стабильно работать. Турбины, которые уже имеют внутренний выпрямитель, подают постоянный ток непосредственно на вход инвертора, минуя этот этап.

Отслеживание Power Point (MPPT)

Ветровые турбины имеют кривую мощности — зависимость между скоростью ветра и электрической рабочей точкой — которая постоянно меняется при изменении скорости ветра. Алгоритмы MPPT внутри инвертора постоянно регулируют электрическую нагрузку, подаваемую на турбину, для извлечения доступной мощности при любых условиях ветра. MPPT для ветра отличается от MPPT для солнечной энергии, поскольку кривые мощности ветряной турбины являются кубической функцией скорости ветра и поскольку инерция вращения турбины означает, что рабочая точка изменяется более постепенно. Хорошо реализованный алгоритм MPPT для ветра может улучшить сбор энергии на 10–20 процентов по сравнению с конструкцией с фиксированной нагрузкой, что является существенной разницей в годовом производстве энергии.

Синхронизация сети и защита от изолированности

В выходном каскаде инвертора используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), переключаемые на высокой частоте под управлением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для синтеза чистой синусоидальной волны, точно синхронизированной с напряжением и частотой сети. Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) постоянно контролирует сеть и поддерживает выходной сигнал инвертора в фазе. Защита от изолирования — это обязательная функция безопасности, которая определяет, когда сеть вышла из строя — из-за неисправности или технического обслуживания сети — и отключает инвертор в течение миллисекунд, не позволяя ему подать напряжение на обесточенную линию, пока на ней могут находиться работники коммунальной службы. Все сетевые инверторы, продаваемые на соответствующих рынках, должны соответствовать стандартам защиты от изолирования, таким как IEEE 1547 в США или VDE 0126-1-1 в Германии.

Инверторы для ветровой и солнечной сети: почему они не взаимозаменяемы

Распространенной ошибкой монтажников ветровых систем является попытка использовать инвертор солнечной сети с ветряной турбиной. Хотя оба устройства выполняют преобразование постоянного тока в переменный, их входные характеристики принципиально различаются, а солнечные инверторы не предназначены для безопасной и эффективной обработки входных сигналов ветряных турбин. Солнечные панели производят относительно стабильное напряжение постоянного тока в определенном диапазоне, в то время как ветряные турбины производят широкодиапазонное, быстро меняющееся входное напряжение, которое может колебаться от почти нуля до значительно выше номинального входного напряжения инвертора при появлении порывов ветра. Солнечный инвертор, подверженный этим изменениям напряжения, будет неоднократно отключать защиту от перенапряжения, работать неэффективно за пределами окна MPPT или преждевременно выходить из строя из-за повторяющихся циклов нагрузки. Инверторы для ветроэнергетических установок разработаны с более широким диапазоном входного напряжения, алгоритмами MPPT, оптимизированными для турбин, и схемами входной защиты, адаптированными к электрическому поведению ветрогенераторов. Использование правильного устройства — это не просто вопрос производительности, это требование надежности и безопасности.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе инвертора

Подбор инвертора для конкретной ветряной турбины и установки требует пристального внимания к нескольким взаимозависимым характеристикам. Следующие параметры важно проверить перед покупкой.

Диапазон входного напряжения

Диапазон входного постоянного тока инвертора должен охватывать полный диапазон выходного напряжения вашей турбины при всех рабочих скоростях ветра, включая порывы ветра, превышающие номинальную скорость. Если выпрямленная мощность вашей турбины может достигать 400 В постоянного тока при высоких скоростях ветра, инвертор с входным напряжением 350 В постоянного тока сработает защиту от перенапряжения и отключится от турбины именно тогда, когда ветер достигнет своей производительности. Типичный инверторы для ветровых сетей для небольших турбин допустим диапазон входного напряжения от 45 В до 500 В постоянного тока или шире; Всегда сверяйте заявленное производителем турбины напряжение холостого хода и номинальный диапазон рабочего напряжения со спецификациями инвертора.

Номинальная мощность и устойчивость к перегрузке

Номинальная мощность инвертора должна максимально соответствовать номинальной выходной мощности турбины. Значительное уменьшение мощности инвертора ограничивает пиковую мощность турбины в периоды сильного ветра; превышение этого размера означает, что инвертор работает с низкой эффективностью во время частых слабых ветров, которые доминируют в профилях ветра на объектах. Небольшое превышение от 10 до 15 процентов разумно, чтобы учесть кратковременные порывы ветра выше номинальной скорости без срабатывания защиты инвертора от перегрузки. Проверьте характеристики перегрузки инвертора, выраженные в процентах от номинальной мощности в течение определенного периода времени, чтобы понять, как он справляется с частыми кратковременными скачками мощности, характерными для мест с турбулентным ветром.

Эффективность преобразования

КПД инвертора – это не простое число: он зависит от уровня входной мощности. Взвешенные показатели эффективности CEC или европейские показатели взвешенной эффективности, которые представляют собой среднюю эффективность в нескольких рабочих точках, взвешенную по частоте их появления, более полезны, чем просто пиковая эффективность. Для ветряной турбины, которая большую часть времени проводит при частичной нагрузке при слабом ветре, КПД от 10 до 30 процентов номинальной мощности оказывает значительное влияние на годовой сбор энергии. Высококачественные инверторы для ветряных сетей достигают пикового КПД выше 97 процентов и поддерживают взвешенный КПД выше 95 процентов.

Сравнение инверторов: краткий обзор основных характеристик

В таблице ниже приведены типичные диапазоны технических характеристик инверторов для ветряных турбин трех распространенных классов мощности, используемых в жилых и небольших коммерческих помещениях.

Требования и соответствие сетевому подключению

Подключение любого генерирующего оборудования к коммунальной сети требует соблюдения как национальных электротехнических норм, так и требований к межсетевому соединению. В США инверторы должны соответствовать стандарту UL 1741 и стандарту IEEE 1547 для подключения к сети. Многим коммунальным предприятиям также требуется сертификация UL 1741 SA (Приложение A), которая добавляет расширенные функции поддержки сети, включая контроль напряжения и частоты и контроль реактивной мощности — возможности, которые необходимы современным операторам сетей от ресурсов распределенной генерации. В Европе соответствующим стандартом является EN 50549, который заменил старые национальные стандарты в государствах-членах ЕС. Прежде чем покупать инвертор, уточните у своей коммунальной компании, какие сертификаты им необходимы для одобрения межсетевого соединения; установка несоответствующего требованиям устройства может привести к тому, что коммунальное предприятие откажется подавать питание на соединение или потребует дорогостоящей замены.

Дополнительные соображения по подключению к сети включают в себя:

• Совместимость с чистыми измерениями: Инвертор должен иметь возможность двунаправленного измерения, позволяя засчитывать экспортированную энергию в счет потребления. Перед установкой подтвердите это у специалиста по межсетевым соединениям вашего предприятия.
• Коэффициент мощности и реактивная мощность: Некоторые коммунальные предприятия требуют, чтобы инверторы работали с указанным коэффициентом мощности или обеспечивали поддержку реактивной мощности. Инверторы с более высокими техническими характеристиками включают программируемый контроль коэффициента мощности.
• Пределы подачи постоянного тока: Стандарты сети ограничивают величину постоянного тока, который инвертор может подавать в сеть переменного тока, обычно до менее 0,5 процента от номинальной выходной мощности. Качественные инверторы включают в себя схемы контроля и ограничения подачи постоянного тока, позволяющие оставаться в пределах этого порога.

Среда установки и возможности мониторинга

Установки ветряных турбин часто располагаются в открытых местах — в сельской местности, на вершинах холмов, в прибрежных районах — где инвертор может быть установлен на открытом воздухе или в неотапливаемых хозяйственных постройках. Проверьте диапазон рабочих температур инвертора, класс защиты (IP65 — для наружной установки), а также наличие внутренней защиты от коррозии для сред с соленым воздухом или высокой влажностью. Управление температурным режимом также важно: инверторы, в которых используются активные охлаждающие вентиляторы в пыльных или влажных средах, требуют большего обслуживания, чем безвентиляторные конструкции с конвекционным охлаждением.

Современные инверторы для ветровых сетей включают регистрацию данных и удаленный мониторинг через интерфейсы Wi-Fi, Ethernet или RS485 Modbus. Доступ к производственным данным в режиме реального времени и историческим данным — выходной мощности, выходу энергии, рабочему напряжению турбины и журналам неисправностей — ценен как для проверки того, что система работает в соответствии с ожиданиями, так и для диагностики проблем, прежде чем они перерастут в дорогостоящие сбои. При сравнении инверторов рассматривайте возможность мониторинга как функциональное требование, а не как дополнительную функцию; система, которую вы не можете наблюдать, — это система, которую вы не можете оптимизировать или поддерживать активно.

Правильный выбор инвертора для вашей ветровой системы

Выбор инвертора для ветряной турбины — это решение, которое влияет на каждый киловатт-час, который когда-либо будет производить ваша турбина. Начните с рекомендованных производителем турбин характеристик инвертора — диапазона входного напряжения, номинальной мощности и совместимости с MPPT — и рассматривайте их как требования, а не рекомендации. Затем проверьте сертификаты соответствия электросети, требуемые вашим коммунальным предприятием, подтвердите спецификации среды установки и оцените функции мониторинга и связи. Инвертор, выбранный систематически с учетом этих критериев, от производителя с документально подтвержденным опытом работы в ветроэнергетических установках и местной сервисной сетью, будет обеспечивать надежную работу в течение десятилетия или более. Сокращение технических характеристик инвертора для снижения первоначальных затрат неизменно приводит к увеличению затрат в течение срока службы из-за снижения выходной мощности, увеличения затрат на техническое обслуживание и преждевременной замены.