Rozwiązywanie problemu tzw. „phantom power consumption” (poboru mocy w trybie czuwania) w dużych instalacjach falowników przeznaczonych dla klientów biznesowych.

Wprowadzenie do strat falownika w trybie czuwania

W dużych komercyjnych, przemysłowych oraz zastosowaniach na skalę elektrowni (BESS – systemy magazynowania energii w bateriach), wydajność jest obliczana z dokładnością do jednej dziesiątej procenta. Choć duża część uwagi skupia się na sprawności konwersji mocy falowników podczas szczytowego wytwarzania energii, ukryty koszt finansowy często występuje, gdy system nie działa. Zjawisko to określane jest mianem „pozornego poboru mocy” lub strat w trybie czuwania/jałowym.

Gdy panele fotowoltaiczne przestają działać w nocy lub gdy maszyny przemysłowe są wyłączone w weekendy, banki inwerterów o mocy wielu kilowatów pozostają nadal podłączone do systemu. Nawet wtedy, gdy nie dostarczają mocy prądu przemiennego do obciążenia, urządzenia te nadal pobierają prąd z baterii prądu stałego lub z sieci prądu przemiennego, aby utrzymać swoje układy wewnętrzne w stanie gotowości. W ciągu roku ten ciągły, niemieszczący się w produkcji pobór mocy może skutkować stratą tysięcy kilowatogodzin energii, co bezpośrednio wpływa na zwrot z inwestycji (ROI) systemu.

W niniejszym artykule przeanalizowano zjawiska fizyczne związane z mocą pobieraną w trybie czuwania w inwerterach wysokiej mocy oraz przedstawiono strategie inżynierskie eliminujące tzw. „fantomowy” pobór mocy.

Pytanie: Co powoduje tzw. „fantomowy” pobór mocy w dużych układach inwerterów i jak można go ograniczyć?

Pochłanianie mocy w trybie czuwania (tzw. moc fantomowa) wynika z aktywnych elektronik sterujących, pracy wentylatorów chłodzących oraz strat w rdzeniach magnetycznych przetwornic o nadmiernie dużych wymiarach. Aby ograniczyć te straty w trybie czuwania w dużych systemach B2B, inżynierowie muszą wprowadzić dynamiczne progi trybu uśpienia, skonfigurować inteligentne klastry równoległe typu główny-podrzędny, zainstalować zewnętrzne łączniki izolacyjne prądu stałego o niskim poborze mocy oraz wybrać wysokowydajne falowniki oparte na transformatorach toroidalnych, działające w zakresie niskich lub wysokich częstotliwości, zaprojektowane przez JYINS i wyposażone w zintegrowane tryby ekologiczne o niskim poborze mocy.

Fizyka i źródła poboru mocy w trybie czuwania

Aby wyeliminować moc fantomową, należy najpierw określić, w której części architektury falownika zużywana jest ta energia. Trzy główne kategorie sprzętu odpowiadają za pobór mocy w stanie bezczynności:

• Aktywne urządzenia sterujące i komunikacyjne: Każdy przemiennik przemysłowy zawiera zestaw procesorów sygnałów cyfrowych (DSP), mikrokontrolerów, modułów telekomunikacyjnych Wi-Fi/GPRS oraz układów czujników (monitorujących napięcie, prąd i temperaturę). Te płyty sterujące wymagają stałego, stabilnego napięcia stałego (zazwyczaj 5 V lub 12 V), dostarczanego przez wewnętrzną pomocniczą zasilaczkę. Ten ciągły pobór mocy jest stały niezależnie od tego, czy przemiennik dostarcza obciążenie na poziomie 0% czy 100%.
• Sterowniki bramek i straty przełączania: Aby wytworzyć falę sinusoidalną prądu przemiennego, mikrokontroler przemiennika w sposób ciągły wysyła sygnały modulacji szerokości impulsów (PWM) o wysokiej częstotliwości do bramek tranzystorów MOSFET lub IGBT. Fizyczne przełączanie tych elementów półprzewodnikowych, nawet przy zerowym obciążeniu, powoduje pobór prądu z powodu pojemności pasożytniczej bramek półprzewodnikowych. Jest to tzw. strata przełączania w stanie bez obciążenia.
• Straty w rdzeniu magnetycznym i transformatorze: Inwertery niskoczęstotliwościowe wykorzystują ciężkie transformatory miedziane do podwyższania napięcia i izolacji obwodów. Nawet przy braku obciążenia połączonego z wyjściem prądu przemiennego (AC) uzwojenie pierwotne transformatora jest wzbudzane przez obwód przełączający inwertera. To wzbudzenie generuje zmienne strumienie magnetyczne w rdzeniu stalowym, powodując ciągłe straty wirowe i histerezowe, które łącznie określane są jako „straty żelazne” lub pobór mocy wzbudzenia. W dużym, 10-kilowatowym inwerterze niskoczęstotliwościowym straty żelazne mogą łatwo przekraczać 80–150 W ciągłego poboru mocy.
• Działanie wentylatora chłodzącego: Inwertery o dużej mocy wykorzystują aktywne chłodzenie wentylatorami. Jeśli temperatura inwertera pozostaje wysoka po okresie pracy przy dużym obciążeniu lub jeśli algorytmy sterowania wentylatorami są słabo zaprogramowane, wentylatory chłodzące mogą nadal pracować z pełną prędkością przy zerowym obciążeniu, pobierając 20–100 W mocy na każdy wentylator.

Ocenianie wpływu finansowego na systemy B2B

Rozważmy średniej wielkości przemysłowy mikrosieć pozamacierzową wykorzystującą pięć niskoczęstotliwościowych falowników równoległych o mocy 10 kW każdy, co daje łączną moc 50 kW.

Jeśli każdy falownik ma pobór mocy w stanie czuwania wynoszący 120 W, całkowity pobór mocy układu w stanie czuwania wynosi 600 W.

W typowym 14-godzinnym okresie nieprodukcyjnym (od godz. 17:00 do godz. 7:00 następnego dnia) układ ten zużyje:

0,6 kW × 14 godzin = 8,4 kWh energii dziennie.

W ciągu całego roku straty związane z czuwaniem wyniosą:

8,4 kWh × 365 dni = 3066 kWh marnowanej energii.

Jeśli system opiera się na magazynowaniu energii w akumulatorach, a koszt przechowywanej energii wynosi 0,15 USD za kWh (uwzględniając inwestycje w fotowoltaikę oraz degradację cyklu życia baterii), to straty związane z czuwaniem kosztują obiekt 460 USD rocznie na każde miejsce instalacji. Dla operatorów wież telekomunikacyjnych posiadających 1000 zdalnych lokalizacji roczne straty wynoszą niemal pół miliona dolarów.

Rozwiązania techniczne eliminujące tzw. „moc fantomową”

Na szczęście nowoczesna technika energetyczna oferuje kilka skutecznych strategii minimalizacji lub wyeliminowania tych zużycia w trybie czuwania:

• 1. Włączanie trybu ekologicznego/trybu uśpienia z wykrywaniem obciążenia

Inwertery JYINS są wyposażone w bardzo wydajny „tryb ekologiczny” lub „tryb wyszukiwania”. Po jego włączeniu inwerter wyłącza swój obwód przełączania wysokiej częstotliwości i przechodzi w stan głębokiego uśpienia, gdy aktywne obciążenie spadnie poniżej określonego progu (np. 20 W). W tym stanie inwerter co 2–5 sekund wysyła krótki „impuls wyszukiwania”, aby sprawdzić, czy włączono jakieś obciążenie. W trybie ekologicznym zużycie w stanie czuwania spada z 100 W do mniej niż 5 W. Gdy włączony zostaje jakiś sprzęt lub maszyna, inwerter natychmiast się „obudzi” i dostarczy ciągłe zasilanie w ciągu ułamka sekundy.

• 2. Klastrowanie główny–podrzędny (dynamiczne wyłączanie faz)

W konfiguracjach falowników połączonych równolegle uruchamianie wszystkich jednostek jednocześnie w warunkach niskiego obciążenia jest wysoce nieefektywne. Klastrowanie typu główny-podrzędny rozwiązuje ten problem. W przypadku niskiego obciążenia aktywny pozostaje tylko jeden falownik „główny”, który obsługuje obciążenie. Pozostałe falowniki „podrzędne” przechodzą w stan czuwania z zerowym poborem mocy. W miarę wzrostu zapotrzebowania sterownik systemu dynamicznie aktywuje dodatkowe falowniki, po jednym, aby obsłużyć rosnące obciążenie, i wyłącza je, gdy obciążenie spada. Dzięki temu aktywne falowniki zawsze pracują w zakresie ich krzywej maksymalnej wydajności.

• 3. Zewnętrzne styczniki prądu stałego i automatyzacja przekaźników

Dla systemów całkowicie nieaktywnych w określonych okresach (np. biur komercyjnych w weekendy) inżynierowie mogą zainstalować silnikowe przełączniki izolacyjne prądu stałego lub kontaktory wysokiej mocy na liniach wejściowych akumulatora. Te kontaktery mogą być sterowane przez prosty tygodniowy, programowalny zegar lub główny system PLC. O godzinie 18:00 w piątek kontaktery fizycznie odłączają falowniki od banku akumulatorów, eliminując pobór prądu stałego w stanie postoju. Kontaktery ponownie się zamykają o godzinie 6:00 w poniedziałek rano, przed przybyciem personelu.

• 4. Wybór wydajnych konstrukcji toroidalnych

Gdy konieczne są falowniki niskoczęstotliwościowe, integratorzy systemów powinni wybrać jednostki wyposażone w transformatory toroidalne (w kształcie pierścienia) zamiast tradycyjnych kwadratowych transformatorów o rdzeniu EI. JYINS wykorzystuje wysokiej klasy, zorientowaną krystalicznie stal krzemową w transformatory toroidalne. Ciągły kształt pierścieniowy rdzenia toroidalnego zapewnia znacznie lepsze sprzężenie magnetyczne oraz znacznie mniejszy strumień wyciekający, co zmniejsza tzw. „straty żelazne” w stanie jałowym nawet o 50% w porównaniu do standardowych transformatorów kwadratowych.

Podsumowanie

Eliminacja tzw. zużycia mocy w stanie czuwania jest bardzo skuteczną metodą optymalizacji wydajności i czasu życia instalacji falowników B2B. Zrozumienie, że straty w stanie czuwania wynikają z elektroniki sterującej, bezczynnego przełączania oraz namagnesowania rdzenia transformatora, pozwala inżynierom podejmować proaktywne działania projektowe. Włączenie zintegrowanych trybów Eco-search firmy JYINS, zaprojektowanie inteligentnych pętli sterowania typu główny-podrzędny oraz wykorzystanie wysokowydajnego sprzętu toroidalnego znacznie zmniejszą zużycie energii w stanie bezczynności, zabezpieczą krytyczną pojemność akumulatorów oraz maksymalizują opłacalność dużych infrastruktur energetycznych.