Сетевыми инверторами являются устройства, преобразующими постоянное напряжение от солнечных батарей в переменное напряжение, и передающие его напрямую в сеть 220В(380В), тем самым снижая потребление электроэнергии от энергосетей. Сетевые инверторы также называют синхронными преобразователями так как они обладают одной особенностью – наличием синхронизации напряжения и тока со стационарной сетью. Таким образом, сетевой инвертор осуществляет преобразование постоянного тока от солнечных модулей и других возобновляемых источников энергии в переменный (с надлежащими значениями частоты и фазы для сопряжения со стационарной сетью). Как правило, преобразование осуществляется с помощью PWM - широтно-импульсной модуляции. Инверторы сетевого типа не имеют возможности подключения к ним аккумуляторных батарей. Также они не смогут работать в доме, в котором пропало электричество, к примеру, по причине аварии в электросети. Сделано это для того, чтобы обезопасить от поражения электрическим током персонал, который будет заниматься восстановлением линий электропередач. Т.е. если Вам нужно, чтобы при аварийном отключении электроэнергии Ваши потребители работали от фотомодулей, то Вам нужен сетевой инвертор с резервированием. Получается, что: Сетевые инверторы (без резервирования) лучше использовать в тех случаях, где есть стабильное бесперебойное энергоснабжение и когда планируется подключение «Зеленого» тарифа, или же для экономии на электричестве путем выработки своего собственного для своих потребителей. Проще говоря, сетевой инвертор берет электроэнергию, выработанную фотомодулями, и передает ее Вашим потребителям. Если Ваше потребление меньше, чем вырабатывают Ваши фотомодули, то излишки (непотребленной) электроэнергии будут отдаваться во внешнюю сеть. Будет ли эта передача непотребленной электроэнергии платной или бесплатной для Вас, зависит от того, подключен у Вас «Зеленый» тариф или нет. Эффективность преобразования инверторов составляет 96%.
Основные характеристики сетевых инверторов
· номинальная выходная мощность – мощность, получаемая от данного инвертора.
· выходное напряжение – показатель, определяющий к какой сети по напряжению может быть подключен инвертор.
· Для небольших инверторов (бытового назначения) выходное напряжение обычно равно 240В. Инверторы для промышленного назначения рассчитаны на 208, 240, 277, 400 или 480В, кроме того их можно подключать к 3-х фазной сети.
· максимальная эффективность - наивысшая эффективность преобразования энергии, которую может обеспечить инвертор. Максимальный КПД большинства сетевых инверторов составляет более 94%, у некоторых - до 97%.
· взвешенная эффективность- средняя эффективность инвертора, этот показатель лучше характеризует эффективность работы инвертора. Этот показатель важен, так как инверторы, способные преобразовывать энергию при различных выходных напряжениях переменного тока, имеют разную эффективность при каждом значении напряжения.
· максимальный входной ток - максимальное количество постоянного тока, которое может преобразовывать инвертор. В случае если какой-либо возобновляемый источник (например, солнечная панель) будет производить ток, превышающий это значение, сетевой инвертор его не использует.
· максимальный выходной ток - максимальный непрерывный переменный ток, производимый инвертором. Этот показатель используют для определения минимального (номинального) значения перегрузки по току устройств защиты (к примеру, выключателей или предохранителей).
· диапазон отслеживания напряжения максимальной мощности - диапазон напряжения постоянного тока, в котором будет работать точка максимальной мощности сетевого инвертора.
· минимальное входное напряжение - минимальное напряжение, необходимое для включения инвертора и его работы. Этот показатель особенно важен для солнечных систем, так как разработчик системы должен быть уверен, что для произведения этого напряжения в каждой цепочке последовательно соединено достаточное количество солнечных модулей.
· степень защиты IP (или код исполнения) – характеризует степень защиты корпуса от проникновения внешних твердых предметов (первая цифра), а также воды (вторая цифра).
Принципиальная схема грид-инвертора представлена на рис.1. Синусоидальное напряжение через резистор R3 поступает к узлу синхронизации, выполненному на сдвоенном оптроне U1.
При положительной полуволне ток протекает через светодиод оптрона U1.2 и транзистор этого оптрона открыт, поэтому на тактовом входе (выв.3) DD1.1 низкий уровень напряжения.
При отрицательной полуволне сетевого напряжения открыт транзистор оптрона U1.1 и тактовом входе DD1.1 также низкий уровень. Но в моменты, когда сетевое напряжение переходит через нуль, оба светодиода выключены, транзисторы оптронов закрыты, а тактовом входе DD1.1 на короткие отрезки времени появляются уровень 1. В результате этого уровень 1 появляется на тактовом входе DD1.1 только в момент перехода через нуль сетевого напряжения. Эти импульсы с частотой 100 Гц приходят на делитель на 2, выполненный на D-триггере DD1.1. а также на выв.2 DD3.1 и выв.13 DD3.2. От длительности импульса зависит величина зазора между включением силовых ключей. Это необходимо для того, чтобы силовые ключи не оказались одновременно открытыми, что опасно протеканием через них сквозных токов.
Выходной сигнал с частотой 50 Гц поступает на логические элементы 3И-НЕ DD3.1-DD3.2. Прямой выход D-триггера (выв.1) соединен с выв.8 DD3.1, а инверсный выход D-триггера (выв.2) соединен с выв.11 DD3.2. Задающий генератор выполнен на основе 3х инверторов, причем могут быть использованы остающиеся в корпусах микросхемы логические элементы. Этот генератор малочувствителен к изменениям напряжения питания, благодаря пороговому напряжению близкому к 50% от напряжения питания. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD3. Микросхема DD2 содержит два инвертора и полевые (р-канальные и n-канальные) транзисторы. Западный аналог этой микросхемы-CD4007. Выходное сопротивление этих транзисторов почти линейно зависит от входного напряжения. Полевые транзисторы включены через диоды VD3-VD4 параллельно резистору R7. При высоком уровне на выходе генератора диод VD3 может проводить, т.е. выходное сопротивление р-канала включено параллельно с резистором R7. Подобным образом выходное сопротивление n-канала включается параллельно резистору R7 при низком уровне на выходе генератора. Широтно-импульсный модулятор реализуется изменением скважности импульсов генератора в соответствии с входным напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от скважности, т.к. выходное сопротивление одного транзистора возрастает, а другого всегда уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R7 сопротивления остается постоянным. Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов. Уменьшение управляющего напряжения соответственно к уменьшению длительности импульсов выходного сигнала. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал до 10МГц. Широтно-импульсный модулятор реализуется изменением скважности импульсов генератора в соответствии с входным напряжением, поступающим с выпрямителя VD1. Частота колебаний генератора равна 2кГц. Уровень входного модулирующего напряжения можно регулировать с помощью построечного резистора R2. Это напряжение представляет собой положительные полуволны синусоидального напряжения частотой 100Гц. Как правило, в инверторах для получения широтно-импульсной модуляции используются микропроцессоры. Мне хотелось решить эту задачу аппаратным способом. Проблема заключается в том, что широтно-импульсную модуляцию необходимо менять на каждом полупериоде синусоидального напряжения. Преобразователь выполнен по схеме полного моста, выполненного на четырех транзисторах VT3-VT6. Синусоидальный выходной сигнал формируется методом широтно-импульсной модуляции. Управляется мост двумя высокочастотными драйверами IR2110, способными перезаряжать затворы полевых транзисторов током до 2х ампер. Входное напряжение для этих драйверов должно находиться в пределах 10-15В. При снижении напряжения ниже 10В драйвер отказывается работать, так как он имеет встроенную схему контроля питающего напряжения. Повышение напряжения выше 15В приводит к выходу из строя драйверов или затворов полевых транзисторов. Максимальное напряжение между затвором и истоком 20В. Драйверы DA1,DA2 имеют вход SD, при подаче на него сигнала высокого уровня они запираются, и преобразователь не работает. Это можно использовать для защиты преобразователя от перегрузки. Мощность преобразователя зависит от типа примененных полевых транзисторов. Полевые транзисторы, а также транзисторы IGBT можно ставить параллельно для увеличения мощности преобразователя.
На рис.2 представлены временные диаграммы сигналов в определенных точках преобразователя, где:
1 - входной сигнал с вторичной обмотки трансформатора питания.
2 - выходной сигнал синхронизатора.
3 - выходной сигнал делителя на 2 (DD1.1) вывод 1.
4 - инверсный выходной сигнал делителя на 2 (DD1.1) вывод 2.
5 - результат сложения прямого сигнала делителя на 2 и выходного сигнала синхронизатора.
6 - результат сложения инверсного сигнала делителя на 2 и выходного сигнала синхронизатора.
7- выходной сигнал логического элемента DD3.1 без
высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора.
8 - выходной сигнал логического элемента DD3.2 без высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора
9 - выходной сигнал логического элемента DD3.1 с высокочастотным заполнением с широтно-импульсного модулятора. 10- выходной сигнал логического элемента DD3.2 с высокочастотным заполнением с широтно-импульсного модулятора.
11 - сигнал на первичной обмотке трансформатора TV1.
Теперь, что касается выработки электроэнергии. Вся энергия вырабатываемая солнечными панелями в реальном времени попадает в сеть. Если в доме есть потребители этой энергии, то она вся будет израсходована, а счетчик на вводе в дом «крутиться» не будет. Если же моментальная выработка электроэнергии превысит потребляемую в данный момент, то вся энергия будет передана обратно в сеть. То есть счетчик будет «крутиться» в обратную сторону. Но тут есть нюансы. Во-первых, многие современные электронные счетчики считают проходящий через них ток без учета его направления (то есть вы будете платить за отдаваемую обратно в сеть электроэнергию). А во-вторых, российское законодательство не разрешает частным лицам продавать электроэнергию. Такое разрешено в Европе и именно поэтому там каждый второй дом обвешан солнечными панелями, что в совокупности с высокими сетевыми тарифами позволяет действительно экономить. Что делать в России? Не ставить солнечные панели, которые могут выработать энергии больше, чем текущее дневное энергопотребление в доме.
Обычно выпускаются инверторы рассчитанные на 12 В или на 24 В или на 48 В. Очень редко можно встретить модели на 96 В, т.к. такое напряжение уже считается опасным. 12 В можно встретить в бортовой сети автомобиля, 24 В - в автобусах и на яхтах. Конечно, любое из этих напряжений может использоваться с инвертором, для бесперебойного питания части электрооборудования дома, или всего дома. Однако низкое напряжение не позволяет технически получить большую мощность. Так, например, из 12-и вольт невозможно получить мощность более 3-х кВт, из 24 –х вольт – более 9 кВт, а из 48-и В – более 18 кВт. Понятно, что высокочастотные инверторы обычно делаются на 12 В и мощностью до 3-х кВт (и рассчитаны они на применение в автомобилях), а мощные низкочастотные инверторы обычно представлены моделями на 24 или 48 В с мощностью от 3 кВт и выше (и рассчитаны они на применение в доме или здании). Это в среднем. Но бывают и исключения, когда например, высокочастотные инверторы, прежде всего за счёт своей низкой цены, пытаются занять свою нишу в домашнем сегменте. Идеология сетевого инвертора – энергию, полученную от солнечных панелей (соединённых на ВЫСОКОЕ напряжение, обычно в диапазоне 200 – 600 В), преобразовать сразу в переменное ВЫСОКОЕ напряжение 220 В и сразу подавать её в промышленную сеть, синхронизируясь с ней. Кроме того, сетевой инвертор обходится и без аккумуляторных батарей! Иначе пришлось бы их, подсоединять к очень высокому напряжению (на линию между узлом солнечного контроллера и узлом инвертора), что весьма опасно. Так как, напряжение на входе и на выходе высокое, можно обойтись без трансформаторов, что должно удешевлять сетевые инвертора (хотя они почему-то стоят раза в 2 дороже обычных батарейных инверторов). Как используют сетевые инверторы за рубежом? Если нагрузка в доме большая, а солнечной энергии поступает немного, то она вся уходит на домашнее потребление. Если же нагрузки почти нет, и солнце в зените – тогда эта не используемая владельцем энергия закачивается в промышленную энергосеть. Т.е. его счётчик крутится в обратную сторону, сматывая показания. Получается, что вместо аккумуляторов задействуется огромная электросеть. В неё можно качать солнечную электроэнергию, выкручивая счётчик в большой минус, а потом, вечером, или гораздо позже, в зимний период, возвращать себе обратно то, что отдавали летом! Промышленная электросеть это гигантский неисчерпаемый аккумулятор, вечный и не имеющий потерь. Но, к сожалению, пока в России есть два фактора, которые сводят на нет все преимущества сетевых инверторов:
1. У нас не разрешено частным лицам что-либо закачивать в сеть. И таких счётчиков (которые позволяют вычитать обратную энергию) больше нет. Причём многие современные счётчики эту энергию (которая подаётся обратно в сеть) приплюсуют к потреблённой, и счета за электричества увеличатся!
2. Если в Европе электричество практически не отключают, и там зачастую можно не иметь резервную систему на аккумуляторах, то в России такие отключения и аварии не редкость. Поэтому аккумуляторные батареи жизненно необходимы не только в случае полной автономии, но и для резерва, даже если сеть 220 В имеется. Хотим обратить Ваше внимание, что в случае отключения промышленного 220 В, сетевой инвертор не будет выдавать свои 220 В даже если светит солнце и энергии как бы в избытке.
Его конструкция сделана так, что промышленное 220 В для него является опорным и ведущим. И, кроме того, по требованиям безопасности – чтобы когда ничего не подозревающий электрик отключит подачу сетевого 220 В и, допустим, приступит к ремонту сети голыми руками, - чтобы его не убило, сетевой инвертор не должен при этом продолжать генерировать 220 В.
Поэтому, если электричество в сети исчезнет, а будет установлен только сетевой инвертор с солнечными панелями, то вы останетесь без электричества. Большие деньги затрачены, а резервного электроснабжения не будет.
Расскажем о плюсах и минусах низкочастотных инверторов. Забегая вперёд, сразу отметим, что они во многом противоположны высокочастотным инверторам. В низкочастотных инверторах используется, разумеется, низкая частота преобразования энергии от аккумуляторов, а именно частота 50 Гц. Эта частота соответствует частоте промышленной сети, в которой тоже 50 Гц. На такой частоте работают относительно большие и тяжёлые трансформаторы. Подобный трансформатор как бы является промежуточным буфером между электроникой инвертора и нагрузкой, что увеличивает надёжность устройства. Легко заметить огромные трансформаторы, занимающие почти половину корпуса приборов. Плюсы данного решения очевидны – возможность построения надёжных мощных систем (даже на десятки тысяч ватт) и наличие по умолчанию мощного быстрого заряда аккумуляторов от сети. Ведь в сети 50 Гц, а значит, энергию от сети можно напрямую подать на тот же самый мощный трансформатор, который электроника заставит работать в обратную сторону. У низкочастотных инверторов есть недостатки. Это размер, вес и, как следствие, цена.
[1] victorborisov.livejournal.com 14.10.2016
