Řešení tzv. ‚phantomové spotřeby energie‘ v režimu čekání u velkých B2B instalací střídačů.

Úvod ke ztrátám invertoru v režimu pohotovosti

U velkoformátových komerčních, průmyslových a rozsáhlých systémů akumulace energie (BESS), které využívají baterie, se účinnost vyjadřuje s přesností na desetinu procenta. Zatímco velká pozornost je věnována účinnosti přeměny energie invertory v době maximálního výkonu, skrytý finanční úbytek často vzniká, když je systém neaktivní. Tento jev je znám jako ‚phantomová spotřeba energie‘ nebo ztráty v režimu pohotovosti/klidovém režimu.

Když se sluneční panely v noci stávají neaktivními nebo když je průmyslové zařízení o víkendu odstaveno, zůstávají banky invertorů o výkonu v řádu kilowattů stále připojeny k systému. I v případě, že do zátěže nepodávají žádný střídavý výkon, tyto jednotky nadále odebírají proud z DC bateriové banky nebo ze střídavé sítě, aby udržely své vnitřní obvody pod napětím. Během jednoho roku se tento nepřetržitý, neproduktivní odběr energie může promítnout do tisíců kilowatthodin ztracené energie, což přímo ovlivňuje návratnost investice (ROI) systému.

Tento článek analyzuje fyzikální podstatu ztrát v režimu čekání u vysokovýkonových invertorů a popisuje inženýrské strategie pro eliminaci tzv. ‚duchovského‘ spotřebního odběru.

Otázka: Co způsobuje ‚duchovskou spotřebu‘ v rozsáhlých invertorových polích a jak lze tuto spotřebu zmírnit?

Nepotřebná spotřeba energie v režimu pohotovosti je způsobena aktivními řídicími elektronickými obvody, činností chladicího ventilátoru a ztrátami v magnetickém jádru přehnaně velkých transformátorů. Aby se tyto ztráty v režimu pohotovosti v rozsáhlých B2B systémech snížily, musí inženýři implementovat dynamické prahy režimu spánku, nakonfigurovat inteligentní hlavní-podřízené paralelní seskupení, nainstalovat externí stejnosměrné izolační stykače s nízkou spotřebou a vybrat vysokou účinnost mající toroidní invertory nízké nebo vysoké frekvence navržené firmou JYINS s integrovanými režimy úspory energie.

Fyzika a zdroje spotřeby v režimu pohotovosti

Abychom eliminovat nepotřebnou spotřebu energie, musíme nejprve určit, kde je tato energie v architektuře invertoru spotřebovávána. Za klidovou spotřebu jsou odpovědné tři základní kategorie hardwaru:

• Aktivní řídicí a komunikační elektronika: Každý průmyslový střídač obsahuje sadu digitálních signálových procesorů (DSP), mikrořadičů, telekomunikačních modemů Wi-Fi/GPRS a senzorových polí (monitorujících napětí, proud a teplotu). Tyto řídicí desky vyžadují stálé a stabilní stejnosměrné napětí (obvykle 5 V nebo 12 V), které dodává vnitřní pomocný zdroj napájení. Tento trvalý odběr výkonu je konstantní bez ohledu na to, zda střídač zatěžuje 0 % nebo 100 % jmenovitého výkonu.
• Řízení vratných hradel a ztráty při spínání: K vytvoření střídavé sinusové vlny neustále posílá mikrořadič střídače vysokofrekvenční signály šířkové pulzní modulace (PWM) na brány výkonových MOSFETů nebo IGBT. Fyzické spínání těchto polovodičů, i při nulovém zatížení, spotřebuje proud kvůli parazitní kapacitě bran polovodičů. Tato ztráta se nazývá ztráta při nezatíženém spínání.
• Ztráty v magnetickém jádru a transformátoru: Invertory nízké frekvence využívají těžké měděné transformátory ke zvýšení napětí a oddělení obvodů. I v případě, že není k výstupu střídavého proudu připojena žádná zátěž, je primární vinutí transformátoru buzeno spínacím obvodem invertoru. Toto buzení vytváří střídavé magnetické toky uvnitř ocelového jádra, což vede k trvalým ztrátám vírových proudů a hysterézním ztrátám, které dohromady tvoří tzv. „železné ztráty“ nebo výkon potřebný k buzení. U velkého invertoru nízké frekvence o výkonu 10 kW mohou být železné ztráty snadno vyšší než 80 W až 150 W trvalého odběru výkonu.
• Provoz chladicího ventilátoru: Invertory s vysokým výkonem využívají aktivní chlazení ventilátorem. Pokud zůstane teplota invertoru po období vysoké zátěže stále vysoká nebo jsou algoritmy řízení ventilátoru špatně naprogramovány, mohou se chladicí ventilátory i při nulové zátěži nadále otáčet plnou rychlostí a spotřebovávat 20 W až 100 W na každý ventilátor.

Kvantifikace finančního dopadu na B2B systémy

Uvažujme středně velkou průmyslovou mikroelektřinu mimo síť, která využívá pět nízkofrekvenčních paralelních invertorů o výkonu 10 kW pro celkový výkon 50 kW.

Pokud má každý inverter spotřebu v režimu čekání (idle standby) 120 W, je celková spotřeba pole v režimu čekání 600 W.

Během typického 14hodinového neproduktivního období (od 17:00 do 7:00 následujícího rána) toto pole spotřebuje:

0,6 kW × 14 hodin = 8,4 kWh energie denně.

Během celého roku činí tato ztráta v režimu čekání celkem:

8,4 kWh × 365 dní = 3066 kWh ztracené energie.

Pokud systém spoléhá na akumulaci energie v bateriích, kde je cena uložené energie odhadována na 0,15 USD za kWh (včetně kapitálových nákladů na fotovoltaické panely a degradace životního cyklu baterií), činí tato ztráta v režimu čekání roční náklady pro zařízení ve výši 460 USD na lokalitu. U provozovatelů telekomunikačních věží s 1000 vzdálených lokalit činí tato ztráta roční ztrátu téměř půl milionu dolarů.

Technická řešení pro eliminaci tzv. „duchovské“ spotřeby

Naštěstí moderní výkonová technika nabízí několik robustních strategií, jak tyto záložní odběry minimalizovat nebo úplně eliminovat:

• 1. Aktivace režimu Eco/Spánku s detekcí zátěže

Invertory JYINS jsou vybaveny vysoce účinným režimem „Eco Mode“ nebo „Search Mode“. Pokud je tento režim aktivován, invertor vypne svůj obvod s vysokofrekvenčním spínáním a přepne se do hlubokého režimu spánku, pokud klesne aktivní zátěž pod určitou hranici (např. 20 W). V tomto stavu invertor každých 2 až 5 sekund pošle krátký „hledací impuls“, aby zjistil, zda byla zapnuta nějaká zátěž. V režimu Eco se záložní spotřeba sníží z 100 W na méně než 5 W. Jakmile je zapnuto nějaké zařízení nebo stroj, invertor okamžitě probudí a během několika milisekund poskytne nepřetržitý výkon.

• 2. Řízení skupiny invertorů v režimu Master-Slave (dynamické odpojování fází)

U paralelních konfigurací střídačů je provoz všech jednotek současně za podmínek nízké zátěže vysoce neefektivní. Tento problém řeší seskupení do hlavního a podřízených jednotek (master-slave). Při nízké zátěži zůstává aktivní pouze jeden „hlavní“ střídač, který zajišťuje napájení zátěže. Ostatní „podřízené“ střídače jsou převedeny do režimu pohotovosti s nulovým odběrem. S rostoucí poptávkou řídící systém dynamicky probouzí další střídače postupně, jeden po druhém, aby zátěž zvládly, a vypíná je, jakmile klesne zátěž. Tím se zajistí, že aktivní střídače pracují vždy v oblasti své maximální účinnosti.

• 3. Externí stejnosměrné stykače a automatizace relé

U systémů, které jsou v určitých obdobích zcela neaktivní (např. komerční kanceláře o víkendu), mohou inženýři nainstalovat motorizované stejnosměrné izolační spínače nebo vysokovýkonové stykače na vstupních vodičích baterie. Tyto stykače lze řídit jednoduchým týdenním programovatelným časovačem nebo nadřazeným PLC systémem. V pátek v 18:00 hodin stykače fyzicky odpojí střídače od bateriové banky, čímž se eliminuje spotřeba stejnosměrného proudu v režimu čekání. Stykače se znovu zapnou v pondělí v 6:00 hodin ráno ještě před příchodem zaměstnanců.

• 4. Výběr toroidních konstrukcí s vysokou účinností

Pokud jsou nutné invertory nízké frekvence, systémoví integrátoři by měli vybrat jednotky vybavené toroidními (tvaru prstenu) transformátory místo tradičních čtvercových transformátorů s jádrem typu EI. JYINS využívá toroidní transformátory vyšší třídy z orientované křemíkové oceli. Spojitý kruhový tvar toroidního jádra zajišťuje výrazně účinnější magnetickou vazbu a mnohem nižší únikový magnetický tok, čímž se „železné ztráty“ v nezatíženém stavu snižují až o 50 % ve srovnání se standardními čtvercovými transformátory.

Závěr

Vyřešení tzv. „duchovní“ spotřeby energie je vysoce účinný způsob optimalizace účinnosti a životnosti B2B invertorových instalací. Po pochopení toho, že ztráty v režimu čekání vznikají díky řídicí elektronice, neaktivnímu přepínání a magnetizaci jádra transformátoru, mohou inženýři podniknout preventivní návrhová opatření. Aktivací integrovaných režimů Eco-search od JYINS, návrhem inteligentních řídicích smyček hlavní–podřízený a využitím vysoce účinné toroidního hardware budou ztráty energie v režimu čekání výrazně sníženy, chránena kritická kapacita baterií a maximalizovány ekonomické návratnosti rozsáhlé infrastruktury pro výrobu energie.