อินเวอร์เตอร์ Grid Tie ของกังหันลมแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานกริดที่ใช้งานได้อย่างไร

อินเวอร์เตอร์ Grid Tie ของกังหันลมทำอะไรได้จริง

อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดกังหันลมเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่อยู่ระหว่างเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของกังหันลมและโครงข่ายสาธารณูปโภค งานหลักของบริษัทคือการนำเอาเอาท์พุตไฟฟ้าแบบแปรผันจากกังหันลม ซึ่งมาในรูปแบบความถี่ AC แบบแปรผันหรือ DC แบบไร้การควบคุม ขึ้นอยู่กับประเภทของกังหัน แล้วแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับแบบกริดซิงโครไนซ์ด้วยแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และเฟสที่ถูกต้อง หากไม่มีการแปลงนี้ ไฟฟ้าที่สร้างจากกังหันลมจะไม่สามารถป้อนเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้ามาตรฐานหรือนำไปใช้จ่ายให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ทั่วไปได้

นอกเหนือจากการแปลงแบบธรรมดาแล้ว อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดยังซิงโครไนซ์กับโครงข่ายสาธารณูปโภคแบบเรียลไทม์ โดยจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าและความถี่ของกริดอย่างต่อเนื่อง — โดยทั่วไปคือ 50 Hz หรือ 60 Hz ขึ้นอยู่กับภูมิภาค — และปรับเอาต์พุตให้ตรงกันอย่างแม่นยำ การซิงโครไนซ์นี้จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายที่ปลอดภัย ความไม่ตรงกันระหว่างเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์และโครงข่ายอาจทำให้อุปกรณ์เสียหาย รีเลย์ป้องกันสะดุด หรือสภาวะป้อนกลับที่เป็นอันตรายสำหรับพนักงานสาธารณูปโภค อินเวอร์เตอร์กริดไทของกังหันลมที่ได้รับการออกแบบอย่างดีจะจัดการทั้งหมดนี้โดยอัตโนมัติ ในขณะเดียวกันก็เก็บเกี่ยวพลังงานและปกป้องระบบจากสภาวะข้อผิดพลาด

ผลผลิตของกังหันลมแตกต่างจากพลังงานแสงอาทิตย์อย่างไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

นักออกแบบระบบจำนวนมากสันนิษฐานว่าอินเวอร์เตอร์กริดไทแสงอาทิตย์มาตรฐานสามารถนำกลับมาใช้ใหม่สำหรับการใช้งานด้านลมได้ นี่เป็นความเข้าใจผิดที่สำคัญ แผงโซลาร์เซลล์ผลิตเอาท์พุตกระแสตรงซึ่งแปรผันค่อนข้างช้าตามความเข้มของแสง ในขณะที่กังหันลม โดยเฉพาะเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแม่เหล็กถาวร (PMA) ทั่วไปในการติดตั้งขนาดเล็กและขนาดกลาง จะผลิตเอาท์พุตไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส ซึ่งแรงดันไฟฟ้าและความถี่แปรผันอย่างต่อเนื่องและรวดเร็วตามความเร็วลม กังหันขนาด 400 วัตต์ที่หมุนด้วยความเร็วลม 5 เมตร/วินาทีอาจผลิตกระแสไฟฟ้า 30V ที่ 15 เฮิร์ตซ์ ในขณะที่กังหันตัวเดียวกันที่ความเร็วลม 12 เมตร/วินาทีจะผลิตกระแสไฟฟ้า 90V ที่ 45 เฮิร์ตซ์

อินเวอร์เตอร์ผูกกริดกังหันลมจะต้องแก้ไข AC ความถี่แปรผันแบบ Wild ให้เป็น DC จากนั้นควบคุมและแปลง DC นั้นเป็น AC ที่ซิงโครไนซ์กับกริดที่เสถียร การแปลงแบบสองขั้นตอนนี้ บวกกับความจำเป็นในการจัดการกับความผันผวนของอินพุตที่รวดเร็วโดยไม่สะดุดขณะออฟไลน์ คือสาเหตุที่อินเวอร์เตอร์เฉพาะลมเป็นหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันโดยมีสถาปัตยกรรมภายใน รูปแบบการป้องกัน และอัลกอริธึมการติดตามจุดไฟ (MPPT) ที่แตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ การใช้อินเวอร์เตอร์ที่เข้ากันไม่ได้อาจเสี่ยงทั้งการจับพลังงานที่ไม่ดีและความล้มเหลวของอุปกรณ์ก่อนเวลาอันควรจากสภาวะแรงดันไฟเกินหรือสภาวะเรโซแนนซ์ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของพฤติกรรมของเครื่องกำเนิดลม

ประเภทของอินเวอร์เตอร์ Grid Tie ของกังหันลม

โทโพโลยีอินเวอร์เตอร์ที่เหมาะกับการติดตั้งด้วยลมขึ้นอยู่กับขนาดกังหัน ประเภทเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ข้อกำหนดในการเชื่อมต่อโครงข่าย และการจัดเก็บแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องหรือไม่ หมวดหมู่หลักแต่ละประเภทเสนอประสิทธิภาพที่แตกต่างกันและการแลกเปลี่ยนต้นทุน

อินเวอร์เตอร์แบบสตริงสำหรับระบบลมขนาดเล็ก

สำหรับกังหันลมที่อยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์ขนาดเล็กในช่วง 400W ถึง 10kW อินเวอร์เตอร์กริดไทแบบสายเดี่ยวคือวิธีแก้ปัญหาทั่วไป หน่วยขนาดกะทัดรัดเหล่านี้ยอมรับเอาต์พุต DC แบบเรียงกระแสจากกังหัน ดำเนินการ MPPT เพื่อแยกพลังงาน และป้อน AC ที่มีการควบคุมเข้าไปในโครงข่าย ติดตั้งง่าย ราคาไม่แพง และมีจำหน่ายจากผู้ผลิตหลายราย ข้อจำกัดของพวกเขาคือเอาต์พุตของระบบทั้งหมดผ่านเส้นทางการแปลงเดียว ซึ่งหมายความว่าข้อผิดพลาดหรือประสิทธิภาพที่ลดลงในอินเวอร์เตอร์จะส่งผลต่อการมีส่วนร่วมของพลังงานลมโดยสมบูรณ์

อินเวอร์เตอร์สามเฟสสำหรับกังหันขนาดกลางและขนาดใหญ่

กังหันลมขนาดกลางและขนาดใหญ่ — ตั้งแต่ 10kW จนถึงช่วงเมกะวัตต์ — โดยทั่วไปแล้วจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสามเฟส อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดแบบสามเฟสจัดการระดับพลังงานที่สูงขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการกระจายโหลดไฟฟ้าไปยังทั้งสามเฟส ลดกระแสต่อเฟส และลดความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกให้เหลือน้อยที่สุด ในฟาร์มกังหันลมระดับสาธารณูปโภค กังหันแต่ละตัวจะจับคู่กับอินเวอร์เตอร์สามเฟสเฉพาะที่รวมอยู่ในโครงกังหันหรือฐานทาวเวอร์ โดยมีการเชื่อมต่อโครงข่ายที่ได้รับการจัดการผ่านหม้อแปลงเฉพาะและสวิตช์ป้องกันที่จุดเชื่อมต่อร่วม

อินเวอร์เตอร์ไฮบริดพร้อมการรวมแบตเตอรี่

อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดพลังงานลมแบบไฮบริดผสมผสานความสามารถในการป้อนเข้าของกริดเข้ากับการจัดการประจุแบตเตอรี่ ช่วยให้สามารถจัดเก็บพลังงานลมส่วนเกินได้แทนที่จะลดทอนลงเมื่อกริดไม่สามารถยอมรับได้ หรือเมื่ออัตราภาษีนำเข้าทำให้การจัดเก็บมีความน่าสนใจในเชิงเศรษฐกิจ ระบบเหล่านี้ยังสามารถจ่ายไฟสำรองในระหว่างที่โครงข่ายไฟฟ้าขัดข้อง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนืออินเวอร์เตอร์แบบผูกโครงข่ายบริสุทธิ์ ซึ่งจะต้องปิดระบบในระหว่างที่โครงข่ายขัดข้องด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย อินเวอร์เตอร์แบบไฮบริดได้รับความนิยมมากขึ้นในการติดตั้งแบบ off-grid และไมโครกริด โดยที่ความเป็นอิสระด้านพลังงานเป็นสิ่งสำคัญควบคู่ไปกับการเชื่อมต่อโครงข่าย

อินเวอร์เตอร์ที่มีการป้องกันโหลดทิ้ง

กังหันลมไม่สามารถปิดได้ง่ายๆ ภายใต้สภาวะที่ความเร็วเกินหรือเกิดข้อผิดพลาดเช่นเดียวกับวิธีตัดการเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์ กังหันที่สูญเสียภาระไฟฟ้าขณะหมุนด้วยความเร็วสูงจะเกิดความเร็วเกินอย่างเป็นอันตราย อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดเฉพาะลมรวมตัวควบคุมโหลดการถ่ายโอนข้อมูลในตัว — แผงเบรกแบบต้านทานที่ดูดซับเอาท์พุตของกังหันหากการเชื่อมต่อกริดขาดหายหรืออินเวอร์เตอร์ตัดการทำงาน — ทำให้กังหันอยู่ภายใต้ภาระที่ได้รับการควบคุมตลอดเวลา ฟังก์ชันดัมพ์โหลดนี้เป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่จำเป็น ซึ่งไม่เทียบเท่ากับการออกแบบอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

การติดตาม Power Point สำหรับการใช้งานลม

การติดตามจุดจ่ายไฟเป็นอัลกอริธึมที่จะปรับโหลดไฟฟ้าบนกังหันอย่างต่อเนื่องเพื่อดึงพลังงานที่มีอยู่ที่ความเร็วลมที่กำหนด สำหรับกังหันลม MPPT ต้องคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานที่มีอยู่จากกังหันเป็นไปตามความสัมพันธ์ลูกบาศก์กับความเร็วลม - การเพิ่มความเร็วลมเป็นสองเท่าจะเพิ่มพลังงานที่มีอยู่เป็นแปดเท่า อัตราส่วนความเร็วปลาย (TSR) ของโรเตอร์ยังแปรผันตามความเร็วลม ซึ่งหมายความว่าการโหลดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในอุดมคติจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง

โดยทั่วไปแล้ว อัลกอริธึม MPPT ของลมจะใช้วิธี perturb-and-observe (P&O) หรือวิธีการตามแบบจำลองที่อ้างอิงเส้นโค้งกำลังของกังหันเพื่อกำหนดจุดปฏิบัติงาน อินเวอร์เตอร์ผูกกริดพลังงานลมคุณภาพสูงอัปเดตการคำนวณ MPPT หลายสิบครั้งต่อวินาที ทำให้สามารถตอบสนองต่อลมกระโชกและลมพัดได้อย่างรวดเร็ว ความแตกต่างระหว่างอัลกอริธึม MPPT ลมที่มีการใช้งานอย่างดีและอัลกอริธึมที่ได้รับการปรับแต่งไม่ดีสามารถแสดงถึงความแปรปรวน 10–20% ของผลผลิตพลังงานต่อปีจากกังหันเดียวกัน ซึ่งส่งผลกระทบทางเศรษฐกิจอย่างมากตลอดอายุการใช้งาน 20 ปีของการติดตั้งกังหันลม

ข้อมูลจำเพาะหลักที่ควรเปรียบเทียบเมื่อเลือกอินเวอร์เตอร์

การจับคู่ข้อมูลจำเพาะของอินเวอร์เตอร์ให้ตรงกับข้อกำหนดการเชื่อมต่อกังหันลมและโครงข่ายของคุณอย่างแม่นยำถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยและการเก็บเกี่ยวพลังงาน พารามิเตอร์ต่อไปนี้ควรได้รับการประเมินอย่างเป็นระบบสำหรับอินเวอร์เตอร์ตัวเลือกใดๆ

ข้อกำหนดการปฏิบัติตามรหัสกริดและการเชื่อมต่อโครงข่าย

เขตอำนาจศาลของประเทศและสาธารณูปโภคทุกแห่งกำหนดข้อกำหนดทางเทคนิคเฉพาะเกี่ยวกับอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับโครงข่าย เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพไฟฟ้า ความเสถียรของระบบ และความปลอดภัยของพนักงาน ข้อกำหนดเหล่านี้ ซึ่งเรียกรวมกันว่ารหัสกริด ระบุช่วงที่อนุญาตสำหรับแรงดันเอาต์พุต ความทนทานต่อความถี่ ตัวประกอบกำลัง ความเพี้ยนของฮาร์มอนิก การตอบสนองต่อข้อบกพร่องของกริด และพฤติกรรมต่อต้านการหลุดออก การปฏิบัติตามรหัสกริดที่เกี่ยวข้องนั้นไม่ใช่ทางเลือก เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการอนุมัติการเชื่อมต่อโครงข่ายสาธารณูปโภคและในเขตอำนาจศาลได้รับคำสั่งตามกฎหมาย

ในยุโรป มาตรฐานหลัก ได้แก่ EN 50549 และการใช้งานระดับชาติของข้อกำหนดการเชื่อมต่อโครงข่ายกริดของ European Network of Transmission System Operators (ENTSO-E) ในอเมริกาเหนือ IEEE 1547 และ UL 1741 ควบคุมการเชื่อมต่อโครงข่ายอินเวอร์เตอร์ ออสเตรเลียใช้ AS 4777 เมื่อซื้ออินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดกังหันลม ให้ตรวจสอบเสมอว่ามีการรับรองมาตรฐานเฉพาะที่ใช้บังคับในเขตอำนาจศาลของคุณ — หน่วยที่ได้รับการรับรองสำหรับตลาดยุโรปอาจไม่ตรงตามข้อกำหนดการเชื่อมต่อโครงข่ายในอเมริกาเหนือโดยไม่มีการดัดแปลงหรือการทดสอบเพิ่มเติม

• การป้องกันการเกาะติด: อินเวอร์เตอร์จะต้องตรวจจับการสูญเสียของกริดภายในมิลลิวินาทีและปิดเครื่องเพื่อป้องกันการจ่ายไฟให้กับส่วนกริดที่ไม่ได้รับพลังงาน — ปกป้องผู้ปฏิบัติงานด้านสาธารณูปโภคจากวงจรไฟฟ้าที่ไม่คาดคิดในระหว่างที่ไฟฟ้าดับ
• แรงดันไฟทะลุ: รหัสกริดสมัยใหม่ต้องการให้อินเวอร์เตอร์ยังคงเชื่อมต่ออยู่และทำงานต่อไปในระหว่างที่แรงดันไฟฟ้ากริดตกหรือขยายช่วงสั้นๆ เพื่อรองรับเสถียรภาพของกริดในระหว่างการกู้คืนข้อผิดพลาด แทนที่จะตัดการเชื่อมต่อและทำให้สัญญาณรบกวนแย่ลง
• ความสามารถในการใช้พลังงานปฏิกิริยา: การติดตั้งกังหันลมขนาดใหญ่มีความจำเป็นมากขึ้นเพื่อให้การสนับสนุนพลังงานปฏิกิริยาแก่โครงข่าย ช่วยรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าในพื้นที่ที่มีการจ่ายพลังงานหมุนเวียนสูง
• การควบคุมตัวประกอบกำลัง: อินเวอร์เตอร์จะต้องรักษาความเป็นเอกภาพหรือตัวประกอบกำลังที่ใกล้เคียงกัน หรือทำงานที่ตัวประกอบกำลังที่ระบุซึ่งกำหนดโดยสาธารณูปโภค เพื่อลดการไหลของพลังงานรีแอกทีฟบนเครือข่ายการกระจาย

ข้อควรพิจารณาในการติดตั้งและข้อผิดพลาดทั่วไป

แม้แต่อินเวอร์เตอร์ผูกกริดพลังงานลมที่ระบุอย่างถูกต้องก็ยังมีประสิทธิภาพต่ำกว่าหรือล้มเหลวก่อนเวลาอันควรหากมองข้ามรายละเอียดการติดตั้ง ระบบลมนำเสนอความท้าทายเฉพาะที่การติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ไม่มี และการจัดการปัญหาเหล่านี้ในระหว่างการออกแบบระบบจะช่วยป้องกันการแก้ไขที่มีค่าใช้จ่ายสูงในภายหลัง

ขนาดของสายเคเบิลและแรงดันไฟฟ้าตก

กังหันลมมักตั้งอยู่ในระยะห่างที่สำคัญจากอินเวอร์เตอร์และจุดเชื่อมต่อโครงข่าย - ความสูงของหอคอย 20–40 เมตรบวกกับระยะวิ่งภาคพื้นดิน 50 เมตรขึ้นไปเป็นเรื่องธรรมดาในการติดตั้งในที่พักอาศัย การเดินสายไฟ DC ขนาดเล็กระหว่างเทอร์ไบน์และอินเวอร์เตอร์ทำให้เกิดการสูญเสียความต้านทานและแรงดันไฟฟ้าตก ซึ่งช่วยลดการเก็บเกี่ยวพลังงาน และอาจทำให้อินเวอร์เตอร์ทำงานนอกช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต คำนวณแรงดันตกคร่อมสำหรับการเดินสายเคเบิลแบบเต็มที่กระแสเอาต์พุตของกังหันและตัวนำขนาดที่คาดหวังไว้เสมอ เพื่อรักษาค่าตกให้ต่ำกว่า 2% ภายใต้สภาวะที่กำหนด

ระบบป้องกันไฟกระชากและฟ้าผ่า

กังหันลมบนอาคารที่เปิดโล่งจะไวต่อแรงดันไฟกระชากที่เกิดจากฟ้าผ่าได้ง่ายมาก ควรติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ที่ทั้งเอาท์พุตของกังหันและอินพุตของอินเวอร์เตอร์เพื่อยึดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวก่อนที่จะไปถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของอินเวอร์เตอร์ที่มีความละเอียดอ่อน การต่อสายดินที่เหมาะสมของหอกังหัน ห้องโดยสาร และปลอกสายเคเบิลทั้งหมดมีความสำคัญเท่าเทียมกันสำหรับการป้องกันไฟกระชากที่มีประสิทธิภาพและความปลอดภัยของบุคลากร

สภาพแวดล้อมทางความร้อนของอินเวอร์เตอร์

อินเวอร์เตอร์แบบผูกกริดจะสร้างความร้อนระหว่างการทำงาน และต้องการการระบายอากาศที่เพียงพอเพื่อรักษาประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของส่วนประกอบ การติดตั้งอินเวอร์เตอร์ในพื้นที่ปิดที่มีการระบายอากาศไม่ดี เช่น ตู้อเนกประสงค์ขนาดเล็กหรือตู้ปิดสนิท ทำให้เกิดการควบคุมความร้อนซึ่งจะช่วยลดกำลังเอาท์พุตและเร่งการเสื่อมสภาพของตัวเก็บประจุและเซมิคอนดักเตอร์ ติดตั้งอินเวอร์เตอร์ในตำแหน่งที่ร่มและมีอากาศถ่ายเทสะดวก โดยมีช่องว่างตรงกับคำแนะนำของผู้ผลิต และหลีกเลี่ยงสถานที่ซึ่งโดนแสงแดดหรือแหล่งความร้อนโดยตรง

การติดตาม การบำรุงรักษา และความคาดหวังอายุการใช้งาน

ทันสมัย อินเวอร์เตอร์ผูกกริดกังหันลม โดยทั่วไปจะมีการบันทึกข้อมูลในตัวและความสามารถในการตรวจสอบระยะไกลผ่านการสื่อสาร Wi-Fi, อีเทอร์เน็ต หรือ RS485 Modbus คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้เจ้าของระบบและผู้ติดตั้งสามารถติดตามการผลิตพลังงาน ระบุประสิทธิภาพที่ลดลง และวินิจฉัยข้อผิดพลาดโดยไม่ต้องไปเยี่ยมชมสถานที่จริง ตัวชี้วัดหลักที่ต้องตรวจสอบ ได้แก่ ผลผลิตพลังงานรายวันและสะสม ประสิทธิภาพ MPPT เมื่อเวลาผ่านไป แรงดันไฟฟ้าอินพุตและโปรไฟล์ปัจจุบัน และอุณหภูมิการทำงานของอินเวอร์เตอร์ การเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญจากประสิทธิภาพพื้นฐาน — โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลผลิตที่ลดลงในสภาพลมที่คล้ายกัน — เป็นตัวบ่งชี้เริ่มต้นของการพัฒนาข้อผิดพลาดในอินเวอร์เตอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหัน

อายุการใช้งานที่คาดหวังของอินเวอร์เตอร์ผูกกริดไทลมที่มีคุณภาพโดยทั่วไปคือ 10 ถึง 15 ปี โดยตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบที่สึกหรอโดยทั่วไป ผู้ผลิตบางรายเสนอชุดเปลี่ยนตัวเก็บประจุหรือบริการตกแต่งใหม่เพื่อยืดอายุการใช้งานของอินเวอร์เตอร์เกินกว่ากรอบเวลานี้ ซึ่งมีความสำคัญทางเศรษฐกิจ เนื่องจากส่วนประกอบทางกลของกังหันลม เช่น ใบพัด หอคอย แบริ่ง อาจมีอายุการออกแบบ 20 ปีขึ้นไป การเลือกอินเวอร์เตอร์จากผู้ผลิตที่ได้รับการสนับสนุนในท้องถิ่น เอกสารความพร้อมของอะไหล่ และเงื่อนไขการรับประกันที่ชัดเจนช่วยลดความเสี่ยงในการดำเนินงานระยะยาวสำหรับการติดตั้งพลังงานลมทุกขนาดได้อย่างมาก