آموزش نحوه کار اینورتر در نیروگاه انرژی خورشیدی

از آن جایی که برق تولید شده توسط پنل های خورشیدی بصورت DC یا (Direct Current)  یا جریان (یا ولتاژ) ثابت است ؛ برای تبدیل این انرژی به انرژی الکتریکی قابل استفاده در غالب تجهیزات خانگی که وسایل تکفاز AC یا (Alternating Current) جریان (یا ولتاژ) متناوب هستند ، باید از اینورتر (Inverter ) استفاده کرد .

اساس کار مبدل و اجزای آن

اگر بخواهیم توضیح ساده و مقدماتی درباره اینورتر بدهیم بهتر است از یک مدار ساده غیرعملی شروع کنیم .

 

مدار بالا شامل یک منبع ولتاژ DC در سمت چپ و بارمصرفی یا خروجی (Load) در سمت راست به همراه چهار کلید S1 تا S4 است . کلیدهای موجود در بالا می‌تواند هرکدام از کلیدهای الکترونیک قدرت از جمله IGBT ، Tyristor ، BJT و … باشد .عامل تعیین نوع کلید، ماکزیمم ولتاژ و توان و فرکانس کلیدزنی است . این عناصر سه پایه دارند که از پایه سوم(در شکل پایه سوم آنها آورده نشده است و تنها با دو پایه در مدار قرار گرفته‌اند .) می‌توان برای کنترل خاموش و روشن کردن آنها استقاده کرد. بعد از توضیح مختصر راجع به اجزا نوبت به آن رسیده که قدری درباره نحوه عملکرد مدار بالا توضیح دهیم جدول زیر 3 حالت مختلفی را که می‌توانیم برای کلیدها بوجود آوریم نشان می‌دهد :

 

جدول بالا ، نحوه معکوس کردن (inverting) ولتاژ ورودی در خروجی را نشان می‌دهد . تصویر بعدی یک ولتاژ DC و یک ولتاژ AC و Vout را در بین این دو نشان می‌دهد تا امکان مقایسه این سه نمودار فراهم شود .

شاخص THD

با اینکه شکل دوم شباهت بیشتری به شکل سینوسی کامل پیدا کرده اما هنوز بین این دو شکل تفاوت زیادی وجود دارد.یکی از معیارهای تعیین این تفاوت THD یا Total Harmonic Distortion است که در آن نسبت هارمونیک های غیر اصلی به هارمونیک اصلی مشخص می‌شود .THD شکل بالا حدود 45 درصد است؛ این در حالیست که THD مجاز برای اینورترهای متصل به شبکه کمتر از 3 درصد (البته بعد از فیلتر کردن خروجی حول فرکانس 50 هرتز) و اینورترهای جدا از شبکه Modified Sin Wave معمولا THD کمتر از 25 درصد دارند .

 

PWM و مدار 5 سطحی

یک راه دیگر برای بهبود THD استفاده از مدارهای پیچیده تر با سطوح بیشتر ولتاژ است ، مثلا مدار 5 سطحی شکل زیر که علاوه بر 0 و +Vdc و Vdc- ، Vdc/2 و –Vdc/2 را نیز شامل می‌شود. شکل بعدی ، ولتاژ خروجی فیلتر نشده را نشان می‌دهد . جدول، نحوه رسیدن به این سطوح را مشخص می‌کند. در نهایت THD این موج 7.5 درصد در برابر 12.8 درصد اینورتر سه سطحی (که در آن از PWM بهره گرفته شده) است.
طبیعتا برای رسیدن به THD کمتر نیازمند مدارها و تکنیک‌های پیچیده‌تری هستیم. درباره تکنیک باید به روش کنترلی PWM یا (Pulse Width Modulation) اشاره کرد. بطور مختصر در توضیح این روش باید گفت بجای اینکه کلیدها را با یک فرمان ثابت روشن و خاموش کنیم از یک فرمان با فرکانس بالا استفاده می‌کنیم که این امر باعث پیچیده‌تر شدن مدار کنترلی از یک سو و کاهش THD از طرف دیگر می‌شود.

 

دیگر اجزای اینورتر خورشیدی

شکل زیر متعلق به دیاگرام اجزای سری MTL-s شرکت Growatt است. اینورترها معمولا از همین اجزا تشکیل می‌شوند اما سیستم حفاظت و سیستم مخابراتی ( ارسال داده نیروگاه به سرور ) می‌تواند مختصرتر یا مفصل‌تر باشد. درباره عملکرد بخش DC به AC توضیحاتی در بالا داده شد ، وقت آنست که با دیگر اجزا آشنا شویم.

 

سیستم حفاظت

کلیدهای DC بعد از آرایه و رله‌ی خروجی در این شکل از این دست هستند. در یک اینورتر با سیستم حفاظت مفصل می توان کلیدهای AC و DC، رله های Under Voltage و Over Voltage و سیستم خطای زمین را پیش‌بینی کرد. یک حفاظت مهم دیگر ، حفاظت ضد جزیره‌ای (Anti-Islanding Protection) است که معمولا در سیستم کنترلی اینورتر پیش‌بینی می‌شود و در آن به هنگام قطعی شبکه ، تزریق توان اینورتر به شبکه نیز باید قطع شود.اینورترهای جدا از شبکه معمولا بخش عمده‌ای از این حفاظت‌ها را ندارند (لزومی هم ندارد که داشته باشند).

MPPT یا DC-DC Booster

ولتاژ آرایه خورشیدی ، متغیر و تابعی از دما ، رطوبت ، تابش و … است . حتی در شرایط عادی کار هم با توجه به منحنی جریان-ولتاژ پنل‌ها کار فقط در یک نقطه از نظر توان بهینه است. وظیفه این جزء مدار پیداکردن نقطه کار بهینه و در کنار آن ایجاد یه ولتاژ Stable برای بخش اصلی اینورتر که همان مبدل DC-AC است ، می‌باشد .

فیلترها

دو فیلتر EMI یا (Electromagnetic Interference) در ورودی و خروجی ، امکان تداخل سیگنال‌های الکترومغناطیسی در کار مدار را از بین می‌برند. فیلتر LC موجود در مدار هارمونیک های بالا را حذف می‌کند. باید توجه داشت هرچه این فیلتر شارپ تر باشد هزینه آن بیشتر و از طرف دیگر بازده مبدل کمتر خواهد شد، پس در طراحی آن رسیدن به حداقل ملزومات شبکه کفایت می‌کند.

کنترل

بخش کنترل بدون شک پیچیده‌ترین بخش طراحی و پیاده‌سازی یک اینورتر ؛ مخصوصا نوع متصل به شبکه آن است .در بالا اشاره خیلی مختصر به تکنیک PWM برای روشن و خاموش‌کردن کلیدها کردیم . این سیستم مخصوصا برای اینورترهای 5 سطح به بالا بسیار پیچیده است .علاوه بر آن MPPT یک الگوریتم کنترلی دارد و حفاظت جزیره‌ای که شامل پایستن دائمی شبکه است ، همه در این بخش گنجانده خواهند شد .

Power Supply و LCD و RS232

سیستم کنترلی مدار نیاز به منبع تغذیه دارد که مصرف این بخش جزئی است . LCD توان هر لحظه نیروگاه و برخی پیام‌ها را نمایش می‌دهد و RS232 ( و دیگر feature های مخابراتی) امکان تبادل داده با یک کامپیوتر یا سرور را فراهم می‌کند.

انتخاب اینورتر در عمل

در انتخاب یک اینورتر باید به چه ویژگی‌هایی توجه کرد؟ . برای یک طراح نیروگاه خورشیدی تمام داده‌های موجود در Data Sheet محصولات دارای اهمیت در بحث طراحی می‌باشد اما برای یک مشترک عادی اطلاعات حداقلی که قدرت مقایسه بین محصولات شرکت‌های مختلف و قیمت آنها را در اختیار بگذارد ، کفایت می‌کند. فرض اینجانب در نوشتن این مطلب اینست که مخاطب یک مشترک عادی(بدون تخصص در زمینه طراحی نیروگاه خورشیدی) است که بدنبال احداث نیروگاه در منزل یا محل کار خود می‌ باشد و با توجه به این مطلب مهمترین ویژگی‌های اینورتر را بیان می‌کنم .

بعضی پارامترها مهم هستند اما نباید نگران تطبیق آنها باشید. مثل ولتاژ و فرکانس اینورتر که باید در محدوده‌ای از 220 ولت و 50 هرتز باشد( اگر این موارد در اینورتر رعایت نشده بود واردکنندگان چرا وارد می‌کنند!). مورد دیگری از این دست THD اینورتر است که طبق قانون ایران ( و دیگر نقاط دنیا) نباید از 3 درصد بیشتر شود . معمولا سازندگان مختلف استاندارد بهتری از این درصد ارائه نمی‌دهند چرا که باعث کاهش راندمان خواهد شد .

اما پارامترهایی که باید بررسی شوند تا دلیل تفاوت قیمت‌ها بین شرکت‌های مختلف یا محصولات یک شرکت مشخص شوند . اولین نکته توان اینورتر است . سرمایه ، فضای در دسترس یا توان انشعاب ، شما را در انتخاب توان نیروگاه خود محدود می‌کنند. بعد از تصمیم‌گیری درباره توان نیروگاه باید اینورتری مناسب با این توان انتخاب شود .معمولا برای مشترکین 25 آمپری اداره برق توان 5.5 کیلو واتی مناسب است . باید توجه کنید که اینورترها نه تنها در ایران بلکه در دنیا در توان‌های خاصی تولید می‌شوند برای همین اینورتر با توان 1.75 کیلو وات نداریم . بعد از انتخاب توان بحث تکفاز یا سه فاز بودن اینورتر مطرح می‌شود. اینورترهای سه‌فاز بدلیل ساختمان داخلی پیچیده‌تر ، گران‌تر هستند و برای نیروگاه‌های با توان پایین استفاده از آنها توسط توانیر تکلیف نشده است پس دلیلی بر استفاده از سه‌فاز بجای تکفاز و صرف هزینه اضافه نیست ، اما اگر هدف شما یک شبکه آفگرید برای راه‌اندازی یک موتور سه‌فاز است چاره‌ای جز استفاده از مدل سه‌فاز ندارید. پارامتر بعدی بازده است؛ طبیعتا اینورتر با بازده بالاتر ، گران‌تر است .اینورترهای موجود در ایران معمولا بازده بالای97 درصد دارند.

خلاصه

در این نوشته سعی شد درباره نحوه عملکرد اینورتر در تبدیل ولتاژ ثابت به ولتاژ سینوسی ، به کمک یک مدار ساده و یک مدار پیچیده ، دید کلی داده شود . علاوه بر معرفی اجزای درونی مبدل DC به AC ، دیگر اجزای مکمل مبدل در یک پکیج اینورتر از جمله سیستم حفاظت ، MPPT، فیلتر و … بطور مختصر معرفی شدند. اینورترها به دو دسته Modified Sin Wave و Pure Sin Wave طبقه بندی می‌شوند که در واقع THD موج خروجی آنها تعیین‌کننده در این نامگذاریست. از Modified Sin Wave در طرح‌های آفگریدی که شامل تجهیزات الکتریکی حساس نیستند می‌توان استفاده کرد در غیر اینصورت باید از اینورتر Pure Sin Wave استفاده کرد.در نهایت مولفه‌های تعیین کننده برای انتخاب یک اینورتر توان ، تعداد فاز و بازده آن است.