Ефективність (ККД) однофазного інвертора фотоелектричної станції та гармонічні спотворення при різних рівнях навантаження

 EFFICIENCY OF THE PHOTOVOLTAIC SINGLE-PHASE INVERTER AT DIFFERENT LOAD LEVEL

Keywords: PV-inverter, photovoltaic plant, inverter efficiency, power quality

Для сучасної енергетики характерне невпинне зростання частки розподіленої генерації від відновлюваних джерел енергії, в тому числі від фотоелектричних станцій (ФЕС). Значну частину вартості ФЕС складають перетворюючі пристрої - інвертори, які впливають на ефективність ФЕС і, як наслідок на величину виробленої енергії всієї станції. У зв'язку з цим актуальними є задачі моніторингу інверторів і дослідження їх ефективності (ККД) в мінливих умовах фотогенерації і при різному навантаженні.

ККД визначається відношенням вихідної потужності інвертора на стороні змінного струму до вхідної потуж-ності постійного струму. Особливістю інверторів ФЕС є залежність їх ККД від вхідної потужності, що надходить від фотомодулів, і відповідно рівня сонячної радіації.
У даній роботі був досліджений автономний інверторPowerStar IR1012 з номінальної потужністю 1000 Вт.  Для забезпечення стабільного живлення інвертора постійним струмом був використаний гелевий акумулятор Santakups FCG11 з ємністю 200А˖ч, що був здатний підт-римувати стабільне значення вхідної напруги 12.4В протягом часу проведення експерименту. Постійний струм вимірювався по падінню напруги на каліброваному шунті з опором 750мкОм за допомогою муль-тиметруUNI-T UT139C з похибкою 0,7%+3о.р.

В якості навантаження було використано магазин опорів, що був розрахований на діапазон потужності від 40 Вт до 1100 Вт. Навантаження мало активно-індуктивний характер з невеликою, але контрольованою індуктивною складовою (cosφ=0.994).
На АС-стороні інвертора були використані дільники для реєстрації напруги і струму через навантаження. Сигнали по двох каналах 50 кГц подавалися на мікросистему збору даних m-DAQ12 (компанії HolitDataSystems). Частота відліків дозволяла з високою точністю фіксувати відхилення від синусоїдаль-ного сигналу (аж до 100-ї гармоніки). Дані вимірювань записувалися в файли з метою подальшого аналі-зу амплітуд і фаз гармонік в середовищі LABView за допомогою створеного раніше віртуального приладу [5]. Проведене в [5] порівняння різних програмних систем обробки даних з використанням швидкого перетворення Фур'є (C ++ Builder, MATLAB і LABView) показало практично повний збіг результатів гармонійного аналізу. Програмна обробка сигналу дозволяла також обчислювати потужності на основній та на вищих гармоніках.

Для розгляду ККД були використані значення потужності першої гармоніки співвіднесені до потужності на стороні постійного струму інвертора. Відповідно до отриманих значень, залежність ККД від навантаження є нелінійною і змінюється в досить широкому діапазоні значень – від 51% (при навантаженні 5%) до 92% (при навантаженні 50%). Очевидно, що ККД по першій гармоніці (2) знижується з наростанням частки вищих гармонік в вихідній напрузі.
Inverter eff
Залежність ККД від вихідної потужності інвертора

При аналізі ефективності інверторів ФЕС доцільним є обчислення середньозваженого ККД, що враховує змінний рівень сонячної радіаціїї і відповідно потужність на вході інвертора. Найбільш відомі два підходи для врахування даного фактора – це рекомендації Каліфорнійської енергетичної комісії (СEC) іЄвросоюза[6].
Відповідно до цих двох підходів були отримані наступні ККД: = 88.1%, = 87.2%.

1. Характеристики напруги електропостачання в електричних мережах загальної призначеності: ДСТУ EN 50160:2014 (EN 50160:2010, IDT). [Чинний з 1.10.2014]. - К.: ДержстандартУкраїни, 2014. – 27 с.
2. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97. – К.: Изд-во стандартов, 1998; Госстандарт Украины, с доп. и попр., 1999. – 31 с.
3. R.S. Faranda, H.Hafezi, S. Leva, M.Mussetta and E.Ogliari. The optimum PV plant for a given solar DC/AC converter //Energies 2015, 8, 4853-4870
4. M. Armstrong, D.J. Atkinson, C. M. Johnson and T. D. Abeyasekera. Low order harmonic cancellation in a grid connected multiple inverter system via current control parameter randomization // IEEE Transac-tions on Power Electronics, Vol. 20, No. 4, July 2005, p. 885-892.
5. О.Ю. Гаєвський, В.В. Магада, С.О. Ужейко. Методи гармонічного аналізу вихідної напруги інвертора в реальному часі // Енергетика: економіка, технології, екологія, – 2014. – № 3(37). – С. 72–77.
6. N.Femia, G.Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli. Power electronics and control techniques for maximum energy harvesting in photovoltaic systems // CRC Press: BocaRaton, Florida. - 2012, - 366 p.
7. M.S. de-Cardona, J. Carretero. Analysis of the current total harmonic distortion for different single-phase inverters for grid-connected PV-systems // Solar Energy Materials & Solar Cells 87 (2005) 529–540.
8. C. Nemes, F. Munteanu, D. Astanei. Analysis of grid-connected photovoltaic system integraton on low-voltage distribution network // Journal of Sustainable Energy. – 2016. - Vol. 7, No. 1, p.9-14.