פתרון בעיית 'תצרוכת חשמל פנטומית' במצב שינה בהתקנות גדולות של ממירים B2B.

מבוא לאובדן הספק במצב ממתין של המומר

במערכות אחסון אנרגיה סולאריות (BESS) מסחריות, תעשיותיות ובעלות קנה מידה עירוני, היעילות מחושבת לעשירית האחוז. אם כי תשומת הלב מרוכזת בעיקר על יעילות ההמרה של המומרים בזמן פעילות מרבית, קיים לעיתים נפוץ דрен כלכלי נסתר בעת שהמערכת אינה פעילה. תופעה זו נקראת 'צריכת הספק פנטומית' או אובדן הספק במצב ממתין/מישור.

כשמערכי הפאנלים הסולריים מוצאים את עצמם בחושך בלילה, או כשמכונות תעשייתיות נוטרות מהפעלה בסופי שבוע, בנקים של ממירים בעלי קיבולת מרובה קילוואט נותרים מחוברים למערכת. גם כאשר הם לא מספקים כלל זרם חילופין למשתמש, היחידות הללו ממשיכות למשוך זרם מהבנק הסלולרי הזרם הישיר (DC) או מהרשת החשמלית הזרם החילופין (AC) כדי לשמור על מערכותיהן הפנימיות במצב פעילות. לאורך שנה אחת, צריכת החשמל הרציפה והלא פרודוקטיבית הזו עלולה להוביל לאיבוד אלפי קילוואט-שעה של אנרגיה, מה שמשפיע ישירות על תשואת ההשקעה (ROI) של המערכת.

מאמר זה מתארח את הפיזיקה של אובדן הספק במצב ממתין בממירים בעלי הספק גבוה ומציג אסטרטגיות הנדסיות להסרת צריכת 'רוח רפאים'.

שאלה: מה גורם לצריכת 'רוח רפאים' במערכי ממירים גדולים, ואיך ניתן להקטין אותה?

צריכת הכוח החשופה במצב ממתין נגרמת על ידי מערכות בקרה פעילות, פעולת מפוחי הקירור והפסדי הליבה המגנטית במשנות חשמל ענקיות. כדי להקטין את אובדי המצב הממתין במערכות B2B בקנה מידה גדול, על מהנדסים ליישם סדרות של שמות מצב שינה דינמיות, לכוון קיבוץ מקבילי חכם של יחידות מארח-משרת, להתקין מגענים חיצוניים לניתוב זרם ישר עם צריכת חשמל נמוכה, ולבחור ממירים בעלי יעילות גבוהה מבוססי טורואידים, בתדר נמוך או גבוה, שפותחו על ידי JYINS וכוללים מצבים אקולוגיים מובנים עם צריכה נמוכה של חשמל.

הפיזיקה והמקורות של צריכת החשמל במצב ממתין

כדי לבטל את צריכת החשמל החשופה, עלינו קודם כל לאתר את המקומות בהם נצרכת אנרגיה זו בתוך מבנה הממיר. קיימות שלוש קטגוריות עיקריות של ציוד חומרה שאחראיות על צריכת החשמל במצב מנוחה:

• אלקטרוניקה לשליטה ותקשורת פעילה: כל מְהַפֵּך תעשיתי מכיל קבוצת מעבדי אותות דיגיטליים (DSP), מיקרו-בקרים, מודמים לתקשורת אלחוטית (Wi-Fi/GPRS) ומערך חיישנים (לניטור מתח, זרם וטמפרטורה). לוחות הבקרה האלה דורשים מתח ישר יציב וקבוע (בדרך כלל 5V או 12V) שסופק על ידי ספק כוח עזר פנימי. צריכת הכוח המתמדת הזו היא קבועה ללא תלות בכך שהמהפך מספק 0% או 100% מהעומס.
• נהג השערים ואובדן הסגירה: כדי לייצר גל סינוסי חילופין, המיקרו-בקר של המהפך שולח באופן מתמיד אותות מודולציה ברוחב פולסים (PWM) בתדר גבוה לשערים של טרנזיסטורים מסוג MOSFET או IGBT. הסגירה הפיזיקלית של אספקטים אלו, גם בלא עומס, צורך זרם בשל הקיבול הפרטי של שערי האלקטרונים. זהו מה שמכונה אובדן סגירה במצב מנוחה.
• אובדן ליבה מגנטית וטרנספורמטור: מפככי תדר נמוך משתמשים בטרנספורמטורים עבים מעשויי נחושת כדי להגביר את המתח ולבודד מעגלים. גם כאשר אין עומס מחובר ליציאת ה-AC, לולאת הראשית של הטרנספורמטור מופעלת על ידי מעגל ההחלפה של המפכה. הפעלה זו יוצרת זרמים מגנטיים מתחלפים בתוך הליבה הפלדה, מה שגורם לאובדן זרמי עירבוב ואובן היסטרזה רציפים, אשר ידועים כ"אובדן ברזל" או צריכת הספק להפעלה. במפכה נמוכה בתדר של 10 קילוואט גדולה, אובדן הברזל יכול בקלות לעלות על 80–150 וاط של צריכת הספק רציפה.
• תפעול מפריחת הקירור: מפככים בעלי הספק גבוה משתמשים בקירור פעיל באמצעות מפריחות. אם טמפרטורת המפכה נשארת גבוהה לאחר תקופת עומס גבוה, או אם אלגוריתמי הבקרה של המפריחות מתוכנתים באופן לקוי, המפריחות עשויות להמשיך לפעול במהירות מלאה גם ללא עומס, תוך צריכת הספק של 20–100 וاط למפריחה.

מדידת ההשפעה הכספית על מערכות B2B

נבחן רשת מיקרו תעשייתית מחוץ לרשת, בגודל בינוני, הכוללת חמישה ממירים נמוכי תדר במקביל, כל אחד בהספק 10 קילוואט, לסך של 50 קילוואט.

אם לכל ממיר יש צריכה סטטית של 120 וاط, הסך הכולל של הצריכה הסטטית של המערך הוא 600 וاط.

בתקופת אי-פעילות טיפוסית של 14 שעות (מהשעה 17:00 עד השעה 07:00 למחרת), המערך הזה יצרוך:

0.6 קילוואט × 14 שעות = 8.4 קילוואט-שעה לאנרגיה מדי יום.

במשך שנה שלמה, אובדן הצריכה הסטטית הזה מגיע לסך כולל של:

8.4 קילוואט-שעה × 365 ימים = 3,066 קילוואט-שעה של אנרגיה מבוזבזת.

אם המערכת מסתמכת על אחסון סוללות, כאשר עלות האנרגיה האגורה מוערכת ב-0.15 דולר אמריקאי לקילוואט-שעה (כולל עלויות ההשקעה בפאנלים פוטו-וולטאיים והידרדרות מחזור החיים של הסוללות), אובדן הצריכה הסטטית הזה עולה למשתמש 460 דולר אמריקאי לשנה בכל אתר. עבור חברות תקשורת שמנהלות 1,000 אתרים מרוחקים, זהו אובדן שנתי של כמעט חצי מיליון דולר אמריקאי.

פתרונות טכניים להסרת צריכת האנרגיה הלא מודעת

למרבה המזל, הנדסת הכוח המודרנית מציעה מספר אסטרטגיות עמידות כדי למזער או להיפטר לחלוטין מצריכת הסטנדבי הזו:

• 1. הפעלת מצב אקו/שינה עם זיהוי עומס

הממיר של JYINS כולל מצב 'אקו' או 'חיפוש' בעל יעילות גבוהה מאוד. כאשר הוא מופעל, הממיר מכבה את מעגל השינוי בתדר גבוה שלו ונכנס למצב שינה עמוקה אם העומס הפעיל יורד מתחת לסף מסוים (למשל, 20 וואט). במצב זה, הממיר שולח 'פולס חיפוש' קצר אחת ל-2–5 שניות כדי לבדוק האם נידלק עומס כלשהו. כאשר נמצא במצב אקו, צריכת הסטנדבי יורדת מ-100 וואט לפחות מ-5 וואט. ברגע שנידלק כלים או מכונות, הממיר מתעורר מיידית ומספק כוח רציף תוך מילישניות.

• 2. קיבוץ מנהל-משרת (הפחתת פאזות דינמית)

בתצורות של מַפְרִידֵי זרם חילופין במקביל, הפעלת כל היחידות בו זמנית בתנאי עומס נמוך היא לא יעילת מאוד. קיבוץ 'רב-שליט' פותר בעיה זו. תחת עומס נמוך, רק מַפְרִיד 'רב-שליט' יחיד נשאר פעיל כדי לתמוך לעומס. שאר המפרידים, הנקראים 'משועבדים', מועברים למצבスタンדביי ללא צריכה כלל. ככל שהדרישה עולה, בקר המערכת מעורר באופן דינמי מפרידים נוספים אחד אחרי השני כדי לתמוך לעומס, ומכבה אותם כאשר העומס יורד. בכך מבטיחים שמפרידי הזרם החילופין הפעילים תמיד עובדים על עקומת היעילות המירבית שלהם.

• 3. מגענים חיצוניים לזרם ישר ואוטומציה של רלים

עבור מערכות שפועלות באופן מלא רק בזמנים מסוימים (למשל, משרדים מסחריים בסופי שבוע), מהנדסים יכולים להתקין מפסקים חשמליים לזרם ישר מניעים או קונטקטורים בעלי הספק גבוה על קווי הכניסה של הסוללה. הקונטקטורים הללו ניתנים לשליטה באמצעות טיימר מתוכנת שבועי פשוט או באמצעות מערכת PLC מרכזית. בשעה 18:00 ביום שישי, הקונטקטורים מ desconect את הממירים מהבנק הסוללות, ובכך מבטלים את הצריכה החשמלית בזרם ישר במצב מישור. הקונטקטורים נסגרים שוב בשעה 06:00 בבוקר יום שני, לפני שהעובדים מגיעים.

• 4. בחירת עיצובים טורואידליים בעלי יעילות גבוהה

כאשר נדרשים ממריצים בתדר נמוך, על מרכיבי מערכות לבחור יחידות שמבוססות על טרנספורמטורים טורואידליים (בצורת דונט) במקום טרנספורמטורים מסורתיים עם ליבה מרובעת מסוג EI. JYINS משתמשת בטרנספורמטורים טורואידליים מפלדה סיליקונית מדרגה גבוהה עם גרעין מכוון-גרעינים. הצורה של הלולאה הרציפה של הליבה הטורואידלית יוצרת צימוד מגנטי הדוק בהרבה וזרם דלף נמוך בהרבה, מה שמפחית את 'האובדן בחומר' בזמן רגע השינה עד 50% לעומת טרנספורמטורים מרובעים סטנדרטיים.

מסקנות

פתרון הצריכה הלא מודעת של חשמל הוא דרך מאוד יעילה לאופטימיזציה של היעילות והאורך הממוצע של חיי התקנות של ממירים B2B. על ידי הבנת העובדה שזמני ההמתנה נובעים מהאלקטרוניקה של מערכת הבקרה, מתגיות לא פעילות ומגנוט ליבת הטרנספורמטור, מהנדסים יכולים לנקוט בצעדים תכנוניים פרואקטיביים. הפעלת מצבים משולבים של 'חיפוש אקולוגי' (Eco-search) של JYINS, תכנון לולאות בקרה חכמות של 'ראשי-משנה', ושימוש ברכיבים טורואידליים בעלי יעילות גבוהה יפחיתו באופן משמעותי את צריכת האנרגיה בזמן שהמערכת אינה פעילה, יحمירו את קיבולת הסוללות הקריטיות וימקסימו את התועלת הכלכלית של תשתיות הכוח בקנה מידה גדול.