Усунення «фантомного споживання електроенергії» у режимі очікування в масштабних B2B-інверторних установках.

Вступ до втрат інвертора в режимі очікування

У потужних комерційних, промислових та мережевих системах акумулювання електроенергії на основі акумуляторів (BESS) ефективність розраховується з точністю до десятої частки відсотка. Хоча значна увага приділяється ефективності перетворення потужності інверторами під час пікового навантаження, прихований фінансовий збиток часто виникає, коли система неактивна. Це явище називають «фантомним споживанням електроенергії» або втратами в режимі очікування/спокою.

Коли сонячні панелі не працюють уночі або коли промислове обладнання вимикається на вихідних, інверторні банки потужністю кілька кіловатт залишаються підключеними до системи. Навіть коли вони не подають змінний струм на навантаження, ці пристрої продовжують споживати струм від постійного струму акумуляторної батареї або від мережі змінного струму, щоб підтримувати живлення своїх внутрішніх кіл. Протягом року таке постійне, непродуктивне споживання енергії може скласти тисячі кіловат-годин втраченої енергії, що безпосередньо впливає на повернення інвестицій (ROI) системи.

У цій статті аналізуються фізичні причини простою в інверторах великої потужності та описано інженерні стратегії для усунення «привидового» споживання енергії.

Питання: Що викликає «привидове споживання енергії» в масивних інверторних системах і як його можна зменшити?

Споживання потужності в режимі очікування («призрак») викликане активною електронікою керування, роботою вентилятора охолодження та втратами в магнітному осерді надмірно великих трансформаторів. Щоб зменшити ці втрати в режимі очікування в масштабних B2B-системах, інженери повинні реалізувати динамічні порогові значення для режиму сну, налаштувати інтелектуальні паралельні кластери «головний–підлеглий», встановити зовнішні постійного струму контактори низького споживання з гальванічною розв’язкою та обрати високоефективні інвертори на основі тороїдальних трансформаторів низької або високої частоти, розроблені компанією JYINS із вбудованими екорежимами низького енергоспоживання.

Фізична природа та джерела споживання в режимі очікування

Щоб усунути «призракове» споживання, спочатку необхідно виявити, у яких саме частинах архітектури інвертора відбувається це споживання енергії. Існує три основні категорії апаратного забезпечення, відповідальні за споживання потужності в стані простою:

• Активна електроніка керування та зв’язку: будь-який промисловий інвертор містить набір процесорів цифрової обробки сигналів (DSP), мікроконтролерів, модемів бездротового (Wi-Fi) або супутникового (GPRS) зв’язку та масивів датчиків (для контролю напруги, струму та температури). Ці плати керування потребують постійної, стабільної постійної напруги (зазвичай 5 В або 12 В), яку забезпечує внутрішній допоміжний джерело живлення. Цей постійний споживаний струм залишається незмінним незалежно від того, чи видає інвертор 0 % чи 100 % навантаження.
• Драйвери затворів та втрати при перемиканні: для генерації синусоїдальної змінної напруги мікроконтролер інвертора безперервно надсилає високочастотні сигнали широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) на затвори потужних MOSFET або IGBT. Фізичне перемикання цих напівпровідників, навіть за відсутності навантаження, споживає струм через паразитну ємність затворів напівпровідників. Це явище називають втратами при холостому перемиканні.
• Втрати в магнітному осерді та трансформаторі: інвертори низької частоти використовують важкі мідні трансформатори для підвищення напруги та гальванічної розв’язки кіл. Навіть за відсутності навантаження на вихідному змінному струмі первинна обмотка трансформатора збуджується перемикальним пристроєм інвертора. Це збудження створює змінні магнітні потоки всередині сталевого осердя, що призводить до постійних вихрових та гістерезисних втрат, які разом називають «втратами в залізі» або споживанням збуджувальної потужності. У великому низькочастотному інверторі потужністю 10 кВт втрати в залізі можуть легко перевищувати 80–150 Вт постійного споживання потужності.
• Робота вентилятора охолодження: інвертори великої потужності використовують активне охолодження вентиляторами. Якщо температура інвертора залишається високою після періоду роботи під великим навантаженням або якщо алгоритми керування вентиляторами погано запрограмовані, вентилятори охолодження можуть продовжувати працювати на повній швидкості навіть за відсутності навантаження, споживаючи 20–100 Вт на кожен вентилятор.

Оцінка фінансового впливу на B2B-системи

Розглянемо середньомасштабну промислову мікромережу поза загальною електромережею, що використовує п’ять низькочастотних паралельних інверторів потужністю по 10 кВт кожен, загальною потужністю 50 кВт.

Якщо кожен інвертор має споживання в режимі очікування 120 Вт, загальне споживання масиву в цьому режимі становить 600 Вт.

Протягом типового 14-годинного періоду непродуктивної роботи (з 17:00 до 7:00 наступного ранку) цей масив споживатиме:

0,6 кВт × 14 годин = 8,4 кВт·год енергії щодня.

Протягом цілого року ці втрати в режимі очікування становлять:

8,4 кВт·год × 365 днів = 3066 кВт·год втраченої енергії.

Якщо система ґрунтується на акумуляторних батареях, де вартість збереженої енергії становить 0,15 USD за кВт·год (з урахуванням капітальних витрат на фотовольтаїчні установки та деградації терміну служби акумуляторів), то втрати в режимі очікування обходяться об’єкту в 460 USD щорічно на кожному місці розташування. Для операторів телекомунікаційних веж із 1000 віддалених об’єктів це означає щорічні втрати майже півмільйона доларів США.

Технічні рішення для усунення «фантомної» потужності

На щастя, сучасна електроенергетика пропонує кілька надійних стратегій для мінімізації або повного усунення цих споживань у режимі очікування:

• 1. Активація режиму «Еко»/«Сон» із виявленням навантаження

Інвертори JYINS оснащені дуже ефективним «режимом Еко» або «режимом пошуку». Під час його ввімкнення інвертор вимикає свою високочастотну перемикальну схему й переходить у глибокий стан сну, якщо активне навантаження падає нижче певного порогу (наприклад, 20 Вт). У цьому стані інвертор кожні 2–5 секунд надсилає короткий «пошуковий імпульс», щоб виявити, чи було ввімкнено навантаження. У режимі Еко споживання в режимі очікування зменшується з 100 Вт до менше ніж 5 Вт. Як тільки інструмент або машина вмикаються, інвертор одразу «прокидається» й забезпечує безперервну подачу живлення протягом кількох мілісекунд.

• 2. Кластеризація «Головний–Підлеглий» (динамічне відключення фази)

У паралельних конфігураціях інвертерів одночасна робота всіх одиниць у режимі низького навантаження є дуже неефективною. Кластеризація за принципом «головний–підлеглий» вирішує цю проблему. За умов низького навантаження активним залишається лише один «головний» інвертер, який забезпечує живлення навантаження. Інші «підлеглі» інвертери переводяться в стан очікування з нульовим споживанням енергії. Під час зростання навантаження контролер системи динамічно активує додаткові інвертери по одному для забезпечення навантаження й вимикає їх, коли навантаження зменшується. Це забезпечує те, що активні інвертери завжди працюють у режимі максимальної ефективності.

• 3. Зовнішні постійного струму контактори та автоматизація реле

Для систем, які повністю неактивні певний час (наприклад, комерційні офіси у вихідні дні), інженери можуть встановити моторизовані постійного струму вимикачі ізоляції або високопотужні контактори на лініях введення батареї. Ці контактори можна керувати за допомогою простого тижневого програмованого таймера або центральної системи ПЛК. О 18:00 у п’ятницю контактори фізично відключають інвертори від акумуляторної батареї, що елімінує споживання постійного струму в режимі очікування. Контактори знову замикаються о 6:00 у понеділок ранком, до приходу персоналу.

• 4. Вибір високоефективних тороїдальних конструкцій

Коли необхідні інвертори низької частоти, системним інтеграторам слід вибирати пристрої, оснащені тороїдальними (у формі бублика) трансформаторами замість традиційних квадратних трансформаторів з ЕІ-сердечником. JYINS використовує тороїдальні трансформатори високої якості з орієнтованої кремнієвої сталі. Неперервна кільцева форма тороїдального сердечника забезпечує значно щільніше магнітне зв’язування та набагато нижчий рівень розсіювання магнітного потоку, що зменшує «залізні втрати» у стані холостого ходу до 50 % порівняно зі стандартними квадратними трансформаторами.

Висновок

Усунення «фантомного» енергоспоживання — це дуже ефективний спосіб оптимізації ефективності та терміну служби B2B-інверторних установок. Розуміння того, що втрати в режимі очікування виникають через електроніку керування, пасивне перемикання та намагнічення осердя трансформатора, дозволяє інженерам вживати проактивних проектних заходів. Активація інтегрованих режимів Eco-search компанії JYINS, проектування розумних керуючих контурів «головний–підлеглий», а також використання високоефективного тороїдального обладнання суттєво зменшать енергоспоживання в режимі очікування, захищатимуть критичну ємність акумуляторів та максимізуватимуть економічну вигоду від масштабної енергетичної інфраструктури.