Riešenie tzv. „fantomového spotrebovania energie“ v režime pohotovosti pri veľkých inverzorových inštaláciách pre podnikového zákazníka (B2B).

Úvod k stratám invertora v pohotovostnom režime

V veľkoplošných komerčných, priemyselných a sieťových akumulátorových systémoch na ukladanie energie (BESS) sa účinnosť vypočíta s presnosťou na desatinu percenta. Hoci sa veľká pozornosť venuje účinnosti konverzie výkonu invertorov počas maximálneho výkonu, skrytý finančný únik často nastáva, keď je systém neaktívny. Tento jav sa nazýva „phantom“ spotreba energie alebo strata v pohotovostnom/nečinnom režime.

Keď sa slnečné panely v noci stávajú neaktívnymi alebo keď sa priemyselné stroje v sobotu a nedeľu vypínajú, inverzorové banky s výkonom v niekoľkých kilowattoch zostávajú stále pripojené k systému. Aj keď nepreberajú žiadny striedavý výkon do záťaže, tieto jednotky na udržanie svojich vnútorných obvodov pod napätím stále odoberajú prúd z batériového DC zdroja alebo zo striedavého elektrického rozvodu. Počas jedného roka sa tento nepretržitý, nefunkčný odběr energie môže premeniť na tisíce kilowatthodín stratenej energie, čo priamo ovplyvňuje návratnosť investície (ROI) systému.

Tento článok analyzuje fyziku záložných strát v vysokovýkonných inverzoroch a popisuje technické stratégie na elimináciu „duchovského“ spotrebovania energie.

Otázka: Čo spôsobuje „duchovskú“ spotrebu energie v rozsiahlych inverzorových poliach a ako ju možno znížiť?

Spotreba energie v režime pohotovosti (tzv. „duchovská spotreba“) je spôsobená aktívnymi riadiacimi elektronikami, prevádzkou chladiaceho ventilátora a stratami v magnetickom jadre prehnaných transformátorov. Na zníženie týchto strát v režime pohotovosti v rozsiahlych B2B systémoch musia inžinieri implementovať dynamické prahy režimu spánku, nakonfigurovať inteligentné hlavné-podriadené paralelné zhlukovanie, nainštalovať externé DC izolačné kontaktory s nízkou spotrebou a vybrať vysokovýkonné toroidné invertory s nízkou alebo vysokou frekvenciou, ktoré navrhla spoločnosť JYINS a ktoré sú vybavené integrovanými režimmi úspory energie s nízkym výkonom.

Fyzika a zdroje spotreby v režime pohotovosti

Na elimináciu „duchovskej“ spotreby musíme najprv identifikovať miesta, kde sa táto energia spotrebúva v architektúre invertora. Za spotrebu v neaktívnom stave sú zodpovedné tri hlavné kategórie hardvéru:

• Aktívna elektronika pre riadenie a komunikáciu: Každý priemyselný menič obsahuje súpravu digitálnych signalových procesorov (DSP), mikroriadičov, telekomunikačných modulov Wi-Fi/GPRS a senzorových polí (monitorujúcich napätie, prúd a teplotu). Tieto riadiace dosky vyžadujú stále stabilné jednosmerné napätie (zvyčajne 5 V alebo 12 V), ktoré dodáva vnútorný pomocný zdroj napätia. Táto nepretržitá spotreba energie je konštantná bez ohľadu na to, či menič dodáva 0 % alebo 100 % zaťaženia.
• Ovládač brány a straty spôsobené prepínaním: Na vytvorenie striedavého sinusového prúdu mikroriadič meniča neustále posiela signály vysokofrekvenčnej pulzného šírkového modulovania (PWM) do brán výkonových MOSFETov alebo IGBTov. Fyzické prepínanie týchto polovodičov, aj pri nulovom zaťažení, spotrebuje prúd kvôli parazitnej kapacite brán polovodičov. Toto sa nazýva strata pri prepínaní v režime pohotovosti.
• Straty v magnetickom jadre a transformátoroch: Invertory s nízkou frekvenciou využívajú ťažké medené transformátory na zvýšenie napätia a izoláciu obvodov. Aj keď nie je k striedavému výstupu pripojená žiadna záťaž, primárne vinutie transformátora je budené prepínacím obvodom invertora. Toto budenie vytvára striedavé magnetické tokové čiary v oceľovom jadre, čo spôsobuje trvalé straty vírovými prúdmi a hysteréziou, ktoré sa spoločne označujú ako „straty v železe“ alebo výkon potrebný na budenie. V veľkom invertore s nízkou frekvenciou s výkonom 10 kW môžu straty v železe ľahko presiahnuť trvalý výkon 80 W až 150 W.
• Prevádzka chladiaceho ventilátora: Invertory s vysokým výkonom využívajú aktívne chladenie ventilátorom. Ak sa teplota invertora po období vysokého zaťaženia udržuje na vysokej úrovni alebo ak sú algoritmy riadenia ventilátorov zle naprogramované, chladiace ventilátory môžu pokračovať v prevádzke pri plnom rýchlostnom režime aj pri nulovej záťaži, čím spotrebujú 20 W až 100 W na každý ventilátor.

Kvantifikácia finančného dopadu na B2B systémy

Zvážme stredne veľkú priemyselnú mimo-sietovú mikrosieť, ktorá využíva päť nízkofrekvenčných paralelných invertorov s výkonom 10 kW každý, čo predstavuje celkový výkon 50 kW.

Ak má každý inverter spotrebu v režime pohotovosti 120 W, celková spotreba v režime pohotovosti celej skupiny je 600 W.

Počas typického 14-hodinového neproduktívneho obdobia (od 17:00 do 07:00 nasledujúceho rána) táto skupina spotrebuje:

0,6 kW × 14 hodín = 8,4 kWh energie denne.

Počas celého roka sa tieto straty v režime pohotovosti sčítajú na:

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

Ak systém využíva batériové úložisko, pričom cena uloženej energie je 0,15 USD za kWh (s ohľadom na kapitálové náklady na fotovoltické zariadenia a opotrebenie batérií počas ich životného cyklu), tento výkon v režime pohotovosti stojí prevádzku 460 USD ročne na každom mieste. Pre prevádzkovateľov telekomunikačných veží s 1000 vzdialených miest to predstavuje ročnú stratu takmer pol milióna dolárov.

Technické riešenia na odstránenie „duchovnej“ spotreby

Našťastie moderné výkonové technológie ponúkajú niekoľko robustných stratégií na minimalizáciu alebo úplné odstránenie týchto záložných spotrebov:

• 1. Aktivácia režimu Eco/Spanie s detekciou zaťaženia

Invertory JYINS disponujú vysoce účinným režimom „Eco Mode“ (režim úspory energie) alebo „Search Mode“ (vyhľadávací režim). Ak je tento režim aktivovaný, inverter vypne svoju vysokofrekvenčnú prepínaciu schému a prechádza do hlbokého režimu spánku, ak aktuálne zaťaženie klesne pod určitú hranicu (napr. 20 W). V tomto stave inverter každých 2 až 5 sekúnd pošle krátky „vyhľadávací impulz“, aby zistil, či sa zaplo nejaké zaťaženie. V režime Eco sa záložná spotreba zníži z 100 W na menej ako 5 W. Ak sa zapne nástroj alebo stroj, inverter sa okamžite prebudí a poskytne nepretržité napájanie do niekoľkých milisekúnd.

• 2. Zhlukovanie hlavného a podriadeného invertora (dynamické odpojenie fáz)

Pri paralelných konfiguráciách invertorov je prevádzka všetkých jednotiek súčasne za podmienok nízkeho zaťaženia veľmi neefektívna. Tento problém rieši zoskupenie typu master-slave. Pri nízkom zaťažení zostáva aktívny iba jeden „master“ invertor, ktorý zabezpečuje napájanie záťaže. Zvyšné „slave“ invertory sú prepnuté do pohotovostného režimu s nulovým odberom. Keď sa záťaž zväčší, riadiaci systém dynamicky aktivuje ďalšie invertory postupne, jeden po druhom, aby podporovali záťaž, a vypína ich, keď klesne záťaž. Tým sa zabezpečí, že aktívne invertory pracujú vždy v oblasti svojej maximálnej účinnosti.

• 3. Vonkajšie DC kontaktores a reléová automatizácia

Pre systémy, ktoré sú počas určitých časových období úplne neaktívne (napr. komerčné kancelárie počas víkendu), môžu inžinieri nainštalovať motorizované jednosmerné izolačné vypínače alebo kontaktory s vysokým výkonom na vstupných batériových vedeniach. Tieto kontaktores možno ovládať jednoduchým týždenným programovateľným časovačom alebo hlavným PLC systémom. O 18:00 v piatok kontaktores fyzicky odpoja meniče od batériového zásobníka, čím sa eliminuje spotreba jednosmerného prúdu v režime pohotovosti. Kontaktores sa znovu zapnú o 6:00 v pondelok ráno, pred príchodom zamestnancov.

• 4. Výber vysokoúčinných toroidných konštrukcií

Ak sú potrebné invertory nízkej frekvencie, systémoví integrátori by mali vybrať jednotky vybavené toroidnými (tvaru obdĺžnika) transformátormi namiesto tradičných štvorcových transformátorov s jadrom typu EI. JYINS využíva toroidné transformátory najvyššej kvality z orientovaného kremíkového ocele. Spojitý kruhový tvar toroidného jadra poskytuje výrazne tesnejšie magnetické spätne väzby a mnohonásobne nižší únikový magnetický tok, čím sa „železné straty“ v nezaťaženom stave znížia až o 50 % v porovnaní so štandardnými štvorcovými transformátormi.

Záver

Riešenie tzv. „duchovného“ spotrebovania energie je veľmi účinným spôsobom optimalizácie účinnosti a životnosti inverzorových inštalácií B2B. Keďže záložné straty vznikajú v dôsledku elektroniky riadenia, nečinného prepínania a magnetizácie jadra transformátora, môžu inžinieri prijať preventívne návrhové opatrenia. Aktiváciou integrovaných režimov Eco-search od JYINS, návrhom inteligentných hlavných-podriadených riadiacich slučiek a využitím vysokej účinnosti toroidných komponentov sa výrazne zníži energetická spotreba v nečinnom stave, ochráni sa kritická kapacita batérií a maximalizujú sa ekonomické návraty z rozsiahlych infraštruktúr na výrobu energie.