رفع مصرف «توان شبحی» در حالت آماده‌به‌کار برای نصب‌های بزرگ‌مقیاس اینورترهای B2B.

مقدمه‌ای بر تلفات حالت آماده‌به‌کار اینورتر

در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) مقیاس‌بالای تجاری، صنعتی و برق‌رسانی، بازدهی تا دهمین رقم اعشار محاسبه می‌شود. اگرچه تمرکز زیادی بر بازدهی تبدیل توان اینورترها در زمان اوج تولید قرار دارد، اما یک هدررفت مالی پنهان اغلب زمانی رخ می‌دهد که سیستم غیرفعال است. این پدیده «مصرف انرژی اضافی» یا «تلفات حالت آماده‌به‌کار/بی‌کار» نامیده می‌شود.

زمانی که آرایه‌های خورشیدی در شب تاریک می‌شوند یا ماشین‌آلات صنعتی در روزهای پایان هفته خاموش می‌شوند، بانک‌های اینورتر با توان چند کیلووات همچنان به سیستم متصل باقی می‌مانند. حتی زمانی که هیچ توان متناوب (AC) به بار تحویل نمی‌دهند، این واحدها برای نگه‌داشتن مدارهای داخلی خود در حالت فعال، جریان را از باتری‌های جریان مستقیم (DC) یا از شبکه جریان متناوب (AC) می‌کشند. در طول یک سال، این مصرف پیوسته و غیرمحصولاتی انرژی می‌تواند منجر به اتلاف هزاران کیلووات‌ساعت انرژی شود و به‌طور مستقیم بر بازده سرمایه‌گذاری (ROI) سیستم تأثیر بگذارد.

این مقاله فیزیک تلفات حالت آماده‌به‌کار در اینورترهای پرتوان را تحلیل کرده و استراتژی‌های مهندسی برای حذف مصرف «شبحی» انرژی را تشریح می‌کند.

سوال: علت ایجاد «مصرف شبحی انرژی» در آرایه‌های بزرگ اینورتر چیست و چگونه می‌توان آن را کاهش داد؟

مصرف توان شبحی در حالت انتظار ناشی از الکترونیک کنترل فعال، عملیات فن خنک‌کننده و تلفات هسته‌ای مغناطیسی در ترانسفورماتورهای بزرگ‌تر از حد لازم است. برای کاهش این تلفات انتظار در سیستم‌های B2B مقیاس‌بالا، مهندسان باید آستانه‌های پویای حالت خواب را پیاده‌سازی کنند، خوشه‌بندی موازی هوشمند اصلی-فرعی را پیکربندی نمایند، کنتاکتورهای جداسازی DC خارجی با مصرف پایین را نصب کنند و اینورترهای با بازایی بالا بر پایه هسته‌های توروئیدی (کم‌فرکانس یا بالاfrquency) را که توسط JYINS طراحی شده‌اند و دارای حالت‌های اکوی کم‌توان یکپارچه هستند، انتخاب نمایند.

فیزیک و منابع مصرف انتظار

برای حذف توان شبحی، ابتدا باید محل مصرف این انرژی در معماری اینورتر را شناسایی کرد. سه دسته اصلی سخت‌افزاری وجود دارند که مسئول مصرف توان در حالت بیکار هستند:

• الکترونیک کنترل و ارتباطات فعال: هر اینورتر صنعتی حاوی مجموعه‌ای از پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP)، میکروکنترلرها، مودم‌های ارتباطات دوربرد وای‌فای/جی‌پی‌آر‌اس و آرایه‌های سنسور (برای نظارت بر ولتاژ، جریان و دما) است. این برد‌های کنترلی نیازمند منبع تغذیه مستقیم داخلی با ولتاژ ثابت و پایدار (معمولاً ۵ ولت یا ۱۲ ولت) هستند. این مصرف پیوسته انرژی، صرف‌نظر از اینکه اینورتر در حال تأمین بار ۰٪ یا ۱۰۰٪ باشد، ثابت باقی می‌ماند.
• درایور دروازه و تلفات کلیدزنی: برای تولید موج سینوسی AC، میکروکنترلر اینورتر به‌طور مداوم سیگنال‌های مدولاسیون عرض پالس (PWM) با فرکانس بالا را به دروازه‌های ترانزیستورهای قدرت MOSFET یا IGBT ارسال می‌کند. کلیدزنی فیزیکی این نیمه‌هادی‌ها، حتی در شرایط بار صفر، به دلیل ظرفیت خازنی ناخواسته دروازه‌های نیمه‌هادی، جریانی را مصرف می‌کند. این پدیده به عنوان تلفات کلیدزنی در حالت بی‌بار شناخته می‌شود.
• تلفات هسته مغناطیسی و ترانسفورماتور: اینورترهای کم‌فرکانس از ترانسفورماتورهای مسی سنگین برای افزایش ولتاژ و جداسازی مدارها استفاده می‌کنند. حتی در صورت عدم اتصال باری به خروجی AC، سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور توسط مدار سوئیچینگ اینورتر تحریک می‌شود. این تحریک، شارهای مغناطیسی متناوبی را در هسته فولادی ایجاد می‌کند که منجر به تلفات پیوسته جریان گردابی و هیسترزیس می‌شود؛ این تلفات به‌طور جمعی «تلفات آهنی» یا «توان تحریک» نامیده می‌شوند. در یک اینورتر کم‌فرکانس بزرگ با توان ۱۰ کیلووات، تلفات آهنی به‌راحتی می‌تواند از ۸۰ تا ۱۵۰ وات توان مصرفی پیوسته فراتر رود.
• عملکرد فن خنک‌کننده: اینورترهای پرتوان از سیستم خنک‌کنندگی فعال با فن استفاده می‌کنند. اگر دمای اینورتر پس از دوره‌ای با بار بالا همچنان بالا باقی بماند یا الگوریتم‌های کنترل فن به‌درستی برنامه‌ریزی نشده باشند، فن‌های خنک‌کننده ممکن است تحت شرایط بدون بار نیز با حداکثر سرعت ادامه به کار دهند و هر فن ۲۰ تا ۱۰۰ وات توان مصرف کند.

سنجش تأثیر مالی بر سیستم‌های B2B

بیایید یک ریزشبکه صنعتی خارج از شبکه با اندازه متوسط را در نظر بگیریم که از پنج عدد اینورتر موازی کم‌فرکانس ۱۰ کیلوواتی برای ظرفیت کلی ۵۰ کیلووات استفاده می‌کند.

اگر هر اینورتر دارای مصرف حالت آماده‌به‌کار (استندبای) ۱۲۰ وات باشد، مجموع مصرف استندبای آرایه ۶۰۰ وات خواهد بود.

در طول یک دوره غیرفعال معمولِ ۱۴ ساعته (از ساعت ۱۷:۰۰ تا ساعت ۰۷:۰۰ روز بعد)، این آرایه انرژی زیر را مصرف می‌کند:

۰٫۶ کیلووات × ۱۴ ساعت = ۸٫۴ کیلووات‌ساعت انرژی در روز.

در طول یک سال کامل، این اتلاف انرژی در حالت استندبای به مجموع زیر می‌رسد:

۸٫۴ کیلووات‌ساعت × ۳۶۵ روز = ۳۰۶۶ کیلووات‌ساعت انرژی هدررفته.

اگر سیستم متکی بر ذخیره‌سازی باتری باشد و هزینه انرژی ذخیره‌شده ۰٫۱۵ دلار آمریکا در هر کیلووات‌ساعت باشد (با در نظر گرفتن هزینه‌های سرمایه‌ای فتوولتائیک و کاهش عمر باتری در طول چرخه‌های شارژ- discharge)، این اتلاف انرژی در حالت استندبای سالانه ۴۶۰ دلار آمریکا هزینه به هر محل نصب تحمیل می‌کند. برای اپراتورهای برج‌های مخابراتی با ۱۰۰۰ محل دورافتاده، این اتلاف سالانه تقریباً نزدیک به نیم میلیون دلار آمریکا خواهد بود.

راه‌حل‌های فنی برای حذف توان شبح

خوشبختانه، مهندسی قدرت مدرن چندین استراتژی قوی برای کاهش یا حذف این مصرف‌های بیکار ارائه می‌دهد:

• ۱. فعال‌سازی حالت اکو/خواب با تشخیص بار

اینورترهای JYINS دارای حالت «اکو» یا «جستجو» بسیار کارآمد هستند. هنگامی که این حالت فعال می‌شود، اینورتر در صورت کاهش بار فعال زیر آستانه‌ای مشخص (مثلاً ۲۰ وات) مدار سوئیچینگ پرفرکانس خود را خاموش کرده و وارد حالت خواب عمیق می‌شود. در این حالت، اینورتر تنها یک «پالس جستجو» کوتاه را هر ۲ تا ۵ ثانیه یک‌بار ارسال می‌کند تا بررسی کند که آیا باری روشن شده است یا خیر. در حالت اکو، مصرف بیکار از ۱۰۰ وات به کمتر از ۵ وات کاهش می‌یابد. به محض روشن شدن ابزار یا دستگاهی، اینورتر بلافاصله از حالت خواب بیدار شده و در عرض چند میلی‌ثانیه توان پیوسته را تأمین می‌کند.

• ۲. خوشه‌بندی اصلی-فرعی (کاهش پویای فاز)

در پیکربندی‌های موازی اینورتر، بهره‌برداری همزمان از تمام واحدها در شرایط بار کم بسیار ناکارآمد است. خوشه‌بندی اصلی-فرعی این مشکل را حل می‌کند. در شرایط بار کم، تنها یک اینورتر «اصلی» فعال باقی می‌ماند تا بار را تأمین کند؛ در حالی که سایر اینورترهای «فرعی» در حالت آماده‌به‌کار با مصرف صفر قرار می‌گیرند. با افزایش تقاضا، کنترل‌کننده سیستم به‌صورت پویا و به‌تدریج اینورترهای اضافی را یکی‌یکی از حالت خواب بیدار کرده و برای تأمین بار به کار می‌گیرد و در صورت کاهش بار، آن‌ها را خاموش می‌کند. این امر تضمین می‌کند که اینورترهای فعال همواره در نقطه اوج منحنی بازدهی خود کار می‌کنند.

• ۳. کنتاکتورهای جریان مستقیم خارجی و اتوماسیون رله

برای سیستم‌هایی که در ساعات خاصی به‌طور کامل غیرفعال هستند (مانند دفاتر تجاری در روزهای آخر هفته)، مهندسان می‌توانند کلیدهای جداسازی جریان مستقیم موتوردار یا کنتاکتورهای با توان بالا را روی خطوط ورودی باتری نصب کنند. این کنتاکتورها را می‌توان با استفاده از یک تایمر برنامه‌ریزی‌شده هفتگی ساده یا یک سیستم کنترل منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) مرکزی کنترل کرد. در ساعت ۱۸:۰۰ روز جمعه، این کنتاکتورها به‌صورت فیزیکی اینورترها را از بانک باتری جدا می‌کنند و مصرف جریان مستقیم در حالت بیکاری را حذف می‌نمایند. این کنتاکتورها دوباره در ساعت ۶:۰۰ صبح روز دوشنبه، پیش از ورود کارمندان، بسته می‌شوند.

• ۴. انتخاب طراحی‌های توروئیدی با بازده بالا

زمانی که استفاده از اینورترهای فرکانس پایین ضروری است، ادغام‌کنندگان سیستم‌ها باید واحدهایی را انتخاب کنند که با ترانسفورماتورهای حلقه‌ای (دونات‌شکل) ساخته شده‌اند، نه ترانسفورماتورهای مربعی سنتی با هسته EI. JYINS از ترانسفورماتورهای حلقه‌ای با فولاد سیلیکونی جهت‌دار با درجه بالا استفاده می‌کند. شکل حلقه‌ای پیوسته هسته حلقه‌ای، جفت‌شدگی مغناطیسی بسیار محکم‌تری دارد و شار نشتی بسیار کمتری ایجاد می‌کند که این امر تلفات «آهنی» در حالت بی‌بار را تا ۵۰٪ نسبت به ترانسفورماتورهای مربعی استاندارد کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

رفع مصرف انرژی خاموش (Ghost Power Consumption) روشی بسیار مؤثر برای بهینه‌سازی بازده و طول عمر نصب‌های اینورتر B2B است. با درک این که تلفات حالت آماده‌به‌کار از الکترونیک کنترل، سوئیچینگ بی‌کار و مغناطیس‌شدن هسته ترانسفورماتور ناشی می‌شوند، مهندسان می‌توانند گام‌های طراحی پیشگیرانه‌ای انجام دهند. فعال‌سازی حالت‌های جستجوی اکو (Eco-search) یکپارچه JYINS، طراحی حلقه‌های کنترل هوشمند اصلی-فرعی (Master-Slave) و استفاده از سخت‌افزار توروئیدال با بازده بالا، موجب کاهش قابل توجه مصرف انرژی در حالت بی‌کاری، محافظت از ظرفیت حیاتی باتری و حداکثرسازی بازده اقتصادی زیرساخت‌های توان در مقیاس بزرگ می‌شود.