Išsprendžiant „fantominį energijos suvartojimą“ standby režime didelėse B2B invertorių sistemose.

Įvadinis straipsnis apie inverterių pasyvaus režimo nuostolius

Didelės apimties komercinėse, pramoninėse ir naudingumo masto akumuliatorių energijos kaupimo sistemose (BESS) efektyvumas apskaičiuojamas iki dešimtosios procento dalies. Nors daug dėmesio skiriama galios inverterių konvertavimo efektyvumui esant maksimaliam gamybos lygiui, kai sistema neveikia, dažnai pasireiškia paslėptas finansinis nuostolis. Šis reiškinys vadinamas „fantominiu energijos vartojimu“ arba pasyvaus/neveikiamosios būsenos nuostoliais.

Kai saulės elektrinės naktį nebeveikia arba pramoniniai įrenginiai šventinių dienomis ir savaitgaliais būna išjungti, daugiakilovatiniai invertorių bankai lieka prijungti prie sistemos. Net tada, kai jie į apkrovą nepateikia jokios kintamosios srovės (AC) galios, šie įrenginiai toliau ima srovę iš nuolatinės srovės (DC) akumuliatorių banko arba iš kintamosios srovės (AC) tinklo, kad palaikytų savo vidinius grandynus veikiančius. Per metus šis nuolatinis, neproduktyvus energijos sąnaudavimas gali sudaryti tūkstančius kilovatvalandžių prarastos energijos, tiesiogiai paveikdamas sistemos grąžos normą (ROI).

Šiame straipsnyje analizuojamos aukštos galios invertorių dalykinės nuostolių fizika ir pateikiamos inžinerinės strategijos, kurios leidžia pašalinti „šešėlinį“ energijos suvartojimą.

Klausimas: kas sukelia „šešėlinį“ energijos suvartojimą didelėse invertorių sistemose ir kaip jo galima sumažinti?

Šešėlinis energijos suvartojimas standby režimu kyla dėl aktyvių valdymo elektronikos, aušinimo ventiliatorių veiklos ir pernagrinėtų transformatorių magnetinių šerdžių nuostolių. Norint sumažinti šiuos standby nuostolius didelėse B2B sistemose, inžinieriai turi įdiegti dinamines miego režimo ribas, sukonfigūruoti protingą pagrindinio-pavaduotojo lygiagrečiąjį grupavimą, įdiegti išorinius mažo suvartojimo nuolatinės srovės izoliacijos kontaktorius ir pasirinkti aukšto naudingumo toroidinius žemo dažnio arba aukšto dažnio keitiklius, kuriuos sukūrė JYINS ir kurie turi integruotus mažos galios ekorežimus.

Standby suvartojimo fizika ir šaltiniai

Norint pašalinti šešėlinį energijos suvartojimą, pirmiausia reikia nustatyti, kur ši energija sunaudojama keitiklio architektūroje. Yra trys pagrindinės techninės kategorijos, kurios atsakingos už tuščiosios eigos energijos suvartojimą:

• Aktyvus valdymo ir ryšio elektronikos įrenginys: kiekvienas pramoninis inversijos keitiklis turi skaitmeninių signalų procesorių (DSP), mikrovaldiklių, „Wi-Fi“/„GPRS“ telekomunikacinės ryšio modulių ir jutiklių masyvų (stebint įtampą, srovę ir temperatūrą) rinkinį. Šiems valdymo moduliams reikia nuolatinės, stabilios nuolatinės srovės įtampos (dažniausiai 5 V arba 12 V), kurią tiekia vidinis papildomasis maitinimo šaltinis. Šis nuolatinis energijos suvartojimas yra pastovus nepriklausomai nuo to, ar inversijos keitiklis perduoda 0 % ar 100 % apkrovos.
• Vartų valdymo ir jungimo nuostoliai: norint sukurti kintamosios srovės sinusoidinę bangą, inversijos keitiklio mikrovaldiklis nuolat siunčia aukšto dažnio impulsinės plotmės moduliacijos (PWM) signalus galios MOSFET arba IGBT vartams. Šių puslaidininkių fizinis jungimas net nesant apkrovos sunaudoja srovę dėl puslaidininkių vartų parazitinės talpos. Tai vadinama tuščiosios eigos jungimo nuostoliais.
• Magnetinio šerdies ir transformatoriaus nuostoliai: žemo dažnio invertoriai naudoja sunkiuos varinius transformatorius įtampai padidinti ir grandinėms izoliuoti. Net kai prie kintamosios srovės išvesties nėra prijungta jokia apkrova, transformatoriaus pirminė apvija yra sužadinama invertoriaus jungimo grandinės. Šis sužadinimas sukuria kintamuosius magnetinius srautus plieninėje šerdyje, dėl ko nuolat atsiranda sūkurių srovių ir histerezės nuostoliai, kurie kartu vadinami „geležies nuostoliais“ arba sužadinimo galios sąnaudomis. Dideliame 10 kW žemo dažnio invertoriuje geležies nuostoliai gali lengvai viršyti nuolatinę 80–150 W galios sąnaudą.
• Aušinimo ventiliatorių veikimas: didelės galios invertoriai naudoja aktyvų ventiliatorių aušinimą. Jei po didelės apkrovos laikotarpio invertoriaus temperatūra išlieka aukšta arba jei ventiliatorių valdymo algoritmai yra netinkamai suprogramuoti, aušinimo ventiliatoriai gali toliau dirbti pilna galia net esant nulinės apkrovos sąlygoms, sunaudodami 20–100 W kiekvienam ventiliatoriui.

Verslo klientams skirtų sistemų finansinės įtakos įvertinimas

Panagrinėkime vidutinio dydžio off-grid pramoninį mikrotinklą, kuriame naudojami penki 10 kW žemo dažnio lygiagretiniai invertoriai, bendros galios 50 kW.

Jei kiekvieno invertoriaus neveikiantis (standby) sunaudojimas yra 120 W, visos sistemos neveikiantis sunaudojimas sudaro 600 W.

Per tipišką 14 valandų neveikimo laikotarpį (nuo 17:00 iki kitos dienos 07:00) ši sistema sunaudos:

0,6 kW × 14 val. = 8,4 kWh energijos per dieną.

Per visus metus šie neveikiantys nuostoliai sudaro:

8,4 kWh × 365 dienos = 3066 kWh švaistomos energijos.

Jei sistema remiasi akumuliatorių kaupiamąja sistema, kurios saugomos energijos kaina vertinama 0,15 USD už kWh (atsižvelgiant į saulės elektrinės kapitalines sąnaudas ir akumuliatorių ciklinio gyvenimo trukmės sumažėjimą), šie neveikiantys nuostoliai kiekvienam objektui kainuoja 460 USD per metus. Telekomunikacijų bokštų operatoriams, turintiems 1000 nuošalių objektų, tai reiškia beveik pusės milijono dolerių nuostolius per metus.

Techniniai sprendimai, skirti „phantom“ energijos pašalinimui

Laimės, šiuolaikinė energijos technika siūlo keletą patikimų strategijų, kad būtų sumažintos arba visiškai pašalintos šios rezervinės energijos sąnaudos:

• 1. Ekorežimo / miego režimo su apkrovos stebėjimu įjungimas

JYINS invertoriai turi labai efektyvų „Ekorežimą“ arba „Paieškos režimą“. Kai šis režimas įjungiamas, inverteris išjungia savo aukšto dažnio jungimo grandinę ir perėja į gilų miego būseną, jei aktyvi apkrova nukrenta žemiau tam tikros ribos (pvz., 20 W). Šioje būsenoje inverteris kas 2–5 sekundes siunčia trumpą „paieškos impulsą“, kad nustatytų, ar įjungta kokia nors apkrova. Ekorežime rezervinės energijos sąnaudos sumažėja nuo 100 W iki mažiau nei 5 W. Kai įjungiama įrankis ar įrenginys, inverteris nedelsdamas „pabunda“ ir per milisekundes pradeda tiekti nuolatinę energiją.

• 2. Pagrindinio ir pakopinio invertorių grupavimas (dinaminis fazės išjungimas)

Lygiagrečiose invertorių konfigūracijose visų vienetų vienu metu paleidimas esant mažai apkrovai yra labai neefektyvus. Šią problemą išsprendžia pagrindinio ir paklustamųjų invertorių grupavimas. Esant mažai apkrovai aktyvus lieka tik vienas „pagrindinis“ inverteris, kuris padeda išlaikyti apkrovą. Likę „paklustamieji“ invertoriai perkeliami į nulinės galios laukimo būseną. Kai apkrova didėja, sistemos valdiklis dinamiškai įjungia papildomus invertorius vieną po kito, kad palaikytų apkrovą, ir išjungia juos, kai apkrova sumažėja. Tai užtikrina, kad aktyvūs invertoriai visada veiktų savo maksimalios naudingumo kreivės srityje.

• 3. Išoriniai nuolatinės srovės kontaktoriai ir relės automatizavimas

Sistemoms, kurios tam tikru laiku visiškai neveikia (pvz., komercinėse ofisuose per savaitgalį), inžinieriai gali įdiegti varomuosius nuolatinės srovės izoliacijos jungiklius arba didelės galios kontaktorius prie baterijų įėjimo linijų. Šiuos kontaktorius galima valdyti paprastu savaitiniu programuojamu laikmatu arba pagrindine PLC sistema. Penktadienį 18:00 kontaktoriai fiziškai atjungia keitiklius nuo baterijų banko, pašalindami nuolatinės srovės pasyvų suvartojimą. Kontaktoriai vėl užsidaro pirmadienio ryte 6:00, dar prieš tai, kai į ofisą ateina darbuotojai.

• 4. Aukštos naudingumo toroidinės konstrukcijos pasirinkimas

Kai reikia žemos dažnio invertorių, sistemų integratoriai turėtų pasirinkti vienetus, pagamintus su toroidiniais (donutų formos) transformatoriais, o ne su tradiciniais stačiakampiais EI šerdies transformatoriais. JYINS naudoja aukščiausios kokybės, grūdų orientuotą silicio plieną turinčius toroidinius transformatorius. Toroidinės šerdies nuolatinė ratuotoji forma užtikrina žymiai geresnę magnetinę susijungimą ir kur kas mažesnį nutekėjimo magnetinį srautą, todėl „geležies nuostoliai“ veikiant tuščiąja eiga sumažėja iki 50 % palyginti su standartiniais stačiakampiais transformatoriais.

Išvada

Šešėlinės galios suvartojimo pašalinimas yra labai veiksmingas būdas optimizuoti B2B inverterių įrenginių naudingumą ir tarnavimo laiką. Supratę, kad režimo „laukimo“ nuostoliai kyla iš valdymo elektronikos, neveikiančių perjungimo elementų ir transformatoriaus šerdies magnetizavimo, inžinieriai gali imtis aktyvių projektavimo priemonių. Įjungus JYINS integruotus „Eco-search“ režimus, suprojektavus protingus pagrindinio–papildomo valdymo kontūrus bei panaudojus aukštos naudingumo toroidinius komponentus, žymiai sumažėja neveikiančios būsenos energijos suvartojimas, apsaugoma kritinė akumuliatorių talpa ir maksimaliai padidinami didelių elektros energijos infrastruktūros ekonominiai pajamų rodikliai.