در سیستم‌های خورشیدی، پنل‌ها انرژی تابیده‌شده توسط خورشید را به برق DC تبدیل می‌کنند. برق DC تولیدشده توسط پنل‌ها به‌وسیله اینورتر به برق AC مناسب برای تزریق به شبکه برق سراسری تبدیل می‌شود. از این رو می‌توان اینورتر را قلب تپنده سامانه‌های خورشیدی لقب داد. در پروژه‌های کوچک خانگی، اینورتر ممکن است تنها یک مبدل تبدیل توان تلقی شود، اما در مقیاس‌های نیروگاهی، اینورتر نقش و وظیفه حیاتی و پررنگی ایفا می‌کند و بر بسیاری از مولفه‌های نیروگاه خورشیدی مستقیم یا غیرمستقیم اثرگذار است. این مولفه‌ها عبارتند از:

• کیفیت توان خروجی.
• رفتار نیروگاه در برابر اختلالات شبکه.
• میزان انرژی تولیدی سالیانه.
• دسترس‌پذیری (Availability) و قابلیت اطمینان (Reliability) نیروگاه.
• هزینه نهایی تولید انرژی (LCOE).

از این رو، انتخاب و خرید اینورتر در پروژه‌های مقیاس نیروگاهی، صرفاً انتخاب یک تجهیز ساده نیست؛ انتخابی است تأثیرگذار بر راهبردهای کلان طراحی و هزینه‌های بهره‌برداری سیستم خورشیدی. این انتخاب باید با دید باز و مبتنی بر تحلیل دقیق پارامترهای فنی، شرایط محیطی، الزامات اتصال به شبکه و استانداردهای بین‌المللی باشد.

این مقاله از ینی سنا انرژی می‌کوشد با بررسی الزامات و معیارهای انتخاب اینورترهای خورشیدی در مقیاس نیروگاهی، چارچوبی کارآمد برای مهندسان، مشاوران و مدیران پروژه جهت انتخاب بهینه اینورتر برای پروژه‌های خورشیدی تدوین کند.

1. بررسی وظیفه اینورتر در نیروگاه‌های خورشیدی

پیش از بررسی معیارها و الزامات فنی انتخاب اینورتر برای پروژه‌های نیروگاهی، تشریح عملکرد اینورتر و نقش آن در فرآیند تبدیل انرژی در یک نیروگاه خورشیدی ضروری به‌ نظر می‌رسد.

شکل (1)، نمایی ساده از مسیر تبدیل انرژی از تابش خورشید تا اتصال به شبکه را نشان می‌دهد.

همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است، اینورتر تنها یک مبدل ساده نیست، بلکه سامانه کنترلی پیچیده‌ای است که چندین وظیفه را به صورت همزمان برعهده دارد. این وظایف عبارتند از:

• استخراج حداکثر توان از پنل‌ها
• کنترل توان راکتیو
• کنترل کیفیت توان
• پایداری دینامیکی سیستم
• حفاظت و ایمنی
• مانیتورینگ و ارتباط

از این رو، انتخاب اینورتر بدون تحلیل دقیق فنی می‌تواند منجر به کاهش عملکرد سیستم و بروز مشکلات جدی در شبکه برق سراسری شود.

2. انواع اینورترهای قابل استفاده در پروژه‌های نیروگاهی

به صورت کلی در نیروگاه‌های خورشیدی می‌توان از دو دسته اینورتر 1( رشته‌ای استرینگی) و 2( مرکزی (سنترال) بر اساس مشخصات فنی نیروگاه بهره برد.

• اینورترهای استرینگی

در این معماری، ظرفیت کلی نیروگاه به واحدهای کوچک‌تر تقسیم شده و چندین استرینگ (پنل‌ها) به صورت مستقیم به ورودی اینورتر متصل می‌شوند.

این معماری دارای ویژگی‌های زیر است:

• توان نامی اینورترها معمولاً در بازه 100 تا 350 کیلووات قرار دارد.
• دارای چندین نقطه MPPT
• توان خروجی در سطح فشارضعیف؛ معمولاً 800 ولت AC. البته می‌تواند بر اساس برند متفاوت باشد.

معماری استرینگی دارای مزایای زیر می‌باشد:

• با خروج هر واحد اینورتر، سهم پایینی از تولید نیروگاه از مدار خارج می‌شود (افزایش Redundancy).
• انعطاف‌پذیری بالا در طراحی
• مناسب برای سایت‌ها برای تابش نور غیریکنواخت و سایه‌اندازی بالا
• امکان توسعه‌ نیروگاه در آینده (راحت‌تر نسبت به معماری سنترال)
• مانیتورینگ راحت‌تر نسبت به معماری سنترال

در مقابل این معماری با چالش‌هایی نیز روبرو است:

• افزایش کابل‌کشی در نتیجه افزایش تلفات انرژی
• افزایش تعداد تجهیزات
• افزایش هزینه‌های اولیه
• اینورترهای سنترال

در این معماری، کل ظرفیت DC نیروگاه توسط چند اینورتر توان بالا مگاواتی به توان AC تبدیل می‌شوند.

این معماری دارای ویژگی‌های زیر است:

• توان اینورترها در محدوده مگاوات (از یک تا چند مگاوات بر اساس برند و ساختار نیروگاه)
• تعداد MPPTها کم‌تر از مدل‌های استرینگی
• جریان ورودی بسیار بالا

مزایای معماری سنترال عبارتند از:

• کاهش هزینه‌های اولیه.
• تعداد تجهیزات کاهش می‌یابد.
• کاهش کابل‌کشی در نتیجه کاهش تلفات (مقایسه دقیق منوط به طراحی نیروگاه است.)

در مقابل این معماری با چالش‌های زیر مواجه است:

• خرابی هر واحد منجر به خروج سهم بزرگی از تولید نیروگاه می‌شود (کاهش Redundancy)
• حساسیت بالا به عدم تطابق استرینگی
• مانیتورینگ پیچیده‌تر

همچنین، مقایسه میان دو معماری بررسی‌شده در جدول (1) نشان داده شده‌اند.

3. معیارهای فنی انتخاب اینورتر

انتخاب اینورتر برای نیروگاه‌های خورشیدی باید براساس مجموعه‌ای از پارامترهای الکتریکی، حرارتی، کنترلی و شبکه‌ای انجام شود.

پارامترهای مذکور را می‌توان به چهار دسته زیر دسته‌بندی کرد:

• پارامترهای سمت DC
• پارامترهای سمت AC
• راندمان و رفتار حرارتی
• قابلیت‌های شبکه‌ای و کنترلی

در ادامه به بررسی هر دسته می‌پردازیم:

• پارامترهای سمت DC

منظور از سمت DC، نقطه اتصال پنل‌های خورشیدی به اینورتر است. هر گونه عدم تطابق در این بخش می‌‌تواند منجر به کاهش راندمان، محدودیت عملکرد یا حتی آسیب جدی به تجهیزات شود.

این پارامترها عبارتند از:

• حداکثر ولتاژ DC

 حداکثر ولتاژ DC برای اینورترهای نیروگاهی معمولاً 1000 یا 1500 ولت درنظر گرفته می‌شود. در پروژه‌های مدرن این مقدار برابر 1500 ولت فرض می‌شود. زیرا:

• امکان افزایش تعداد پنل‌ها در استرینگ را فراهم می‌کند.
• تلفات اهمی کابل را کاهش می‌دهد.

لازم به ذکر است، ولتاژ مدارباز سمت DC در پایین‌ترین دمای سایت نیروگاه نباید از 1500 ولت تجاوز کند. به همین دلیل، در طراحی استرینگ‌ها معمولاً حداکثر ولتاژ را با احتساب ضریب 0.95 (1425 ولت DC) محاسبه می‌کنند.

• محدوده ولتاژ MPPT

این محدوده مشخص می‌کند اینورتر در چه بازه‌ای قادر است نقطه حداکثر توان (MPPT) را دنبال کند. اگر ولتاژ ورودی اینورتر از این محدوده خارج شود:

• اینورتر احتمالاً به نقطه بهینه نمی‌رسد.
• در نتیجه بخشی از انرژی بالقوه از دست می‌رود.
• حداکثر جریان ورودی و تعداد MPPT

هنگام انتخاب اینورتر باید به این نکات توجه کرد:

• استرینگ‌ها به صورت موازی به MPPT وارد می‌شوند.
• در نتیجه حداکثر جریان هر MPPT باید از مجموع جریان‌ استرینگ‌ها بیشتر باشد.
• هر چه تعداد MPPT هر اینورتر بیشتر باشد، انعطاف‌پذیری سیستم در طراحی افزایش می‌یابد.
• همچنین افزایش تعداد MPPT باعث کاهش تلفات ناشی از عدم تطابق و مدیریت بهتر سایه‌زنی می‌شود.
• پارامترهای AC

منظور از سمت AC نقطه اتصال اینورتر به ترانس افزاینده یا پست‌های فشارمتوسط کامپکت است. در نیروگاه‌های خورشیدی طراحی این بخش به دلیل بحث اتصال به شبکه و سنکرون‌سازی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

پارامترهای سمت AC عبارتند از:

• نسبت DC/AC

در طراحی نیروگاه‌های خورشیدی ظرفیت DC قابل نصب از ظرفیت AC بزرگ‌تر در نظر گرفته می‌شود؛ معمولاً بین 1.1 تا 1.3. این کار به دلایل زیر انجام می‌شود:

• استفاده بهتر از ظرفیت اینورتر در بازه‌های کم‌تابش
• افزایش تولید سالیانه و کاهش تلفات انرژی
• ضریب توان (PF)

اینورترها باید توانایی کار در ضریب‌توان‌های مختلف، معمولاً 0.8 پیش‌فاز تا 0.8 پس‌فاز را داشته باشند. این کار به دلایل زیر انجام می‌شود:

• کنترل ولتاژ
• کیفیت توان
• رعایت Grid Code
• اعوجاج هارمونیکی کل (THD)

طبق استانداردهای IEC 61727 و IEC 61000، شاخصه THD باید در محدوده مشخصی باقی بماند. این مقدار مقمولاً 3 یا 5 درصد درنظر گرفته می‌شود.

خروج اعوجاج هارمونیکی از بازه یادشده می‌تواند منجر به مشکلات زیر شود:

• گرم‌شدن ترانسفورماتور‌ها
• افزایش تلفات
• ایجاد اختلال در تجهیزات
• راندمان و رفتار حرارتی

در دیتاشیت اینورترهای خورشیدی دو راندمان متفاوت نوشته می‌شود:

• راندمان بیشینه (Maximum Efficiency): نشان‌دهنده بیشینه راندمانی است که اینورتر می‌تواند در شرایط ایده‌آل و در نقطه‌کاری مشخص از خود نشان دهد. طبیعتاً هر چه راندمان یک اینورتر بالاتر باشد، نشان‌گر کیفیت بالای ساخت و تلفات پایین تبدیل انرژی است.
• راندمان وزنی (European Efficiency): راندمان وزنی نشان‌گر این موضوع است که اینورتر در طول روز به دلیل عوامل مختلفی از جمله تابش متغیر خورشید و سایر عوامل محیطی، اکثراً در راندمان بیشینه خود کار نمی‌کند. این پارامتر عملکرد اینورتر را بسیار دقیق‌تر از راندمان ماکزیمم نشان می‌دهد.
• شاخصه Derating

به بیان ساده Derating به این معناست که هر چه دمای کاری اینورتر بالاتر می‌رود برای حفاظت از هادی‌ها، توان خروجی کاهش می‌یابد. این مولفه به ویژه در اقلیم‌های گرم می‌تواند بر تولید سالیانه نیروگاه تاثیرگذار باشد.

شکل (2) نمای ساده‌ای از Derating دمایی را نشان می‌دهد.

• قابلیت‌های شبکه‌ای و کنترلی

در پروژه‌های نیروگاهی، انتخاب اینورتر باید مطابق الزامات شبکه و Grid Codeهای ملی باشد. قابلیت‌های شبکه‌ای و کنترلی اینورترها عبارتند از:

• Ride-Through capability

 طبق استاندارد IEC1547 و سایر استانداردهای ملی و بین‌المللی معتبر، اینورتر باید قادر باشد در شرایط افت/ افزایش کوتاه‌مدت ولتاژ به کار خود ادامه دهد و از مدار خارج نشود.

• کنترل توان راکتیو و Volt-VAR

اینورتر باید در شرایط Volt-VAR mode کار کند. یعنی:

• در صورت کاهش ولتاژ، به شبکه توان راکتیو تزریق کند.
• در صورت افزایش ولتاژ، توان راکتیو مصرف کند.

به صورت کلی معیارهای فنی انتخاب اینورتر را در جدول (2) جمع‌بندی کرد.

نتیجه‌گیری

انتخاب اینورتر در پروژه‌های نیروگاهی صرفاً انتخاب یک مبدل ساده نیست، بلکه انتخاب بخشی فعال از سیستم کنترل و پایداری شبکه است. از این رو، تطابق پارامترهای DC و AC به همراه مطالعه و بررسی دقیق قابلیت‌های شبکه‌ای از جمله کیفیت توان، کنترل توان راکتیو و رفتار حرارتی از جمله کلیدی‌ترین مولفه‌های انتخاب اینورتر هستند. در نتیجه، اینورتری مناسب است که بیشترین همخوانی را با طراحی الکتریکی، الزامات شبکه و شرایط بهره‌برداری پروژه داشته باشد.

مقالات مرتبط: