مبدل‌های تشکیل‌دهنده شبکه در مقابل مبدل‌های پیرو شبکه

در یک سیستم برق‌رسانی بدون اتصال به شبکه، انتخاب بین اینورتر تشکیل‌دهنده شبکه و اینورتر پیرو شبکه صرفاً مسئله‌ای نیست که چند درصد بازده را تحت تأثیر قرار دهد. بلکه تفاوتی است میان سیستمی که می‌تواند ولتاژ را ایجاد کند و سیستمی که اصلاً قادر به راه‌اندازی نیست. این تفاوت در نهایت به یک اصل کنترلی واحد برمی‌گردد: منبع جریان در مقابل منبع ولتاژ.

منبع جریان در مقابل منبع ولتاژ

یک اینورتر پیرو شبکه به‌عنوان یک منبع جریان کنترل‌شده رفتار می‌کند. این اینورتر از حلقه قفل فاز برای اندازه‌گیری فاز ولتاژ متناوب موجود استفاده می‌کند و جریانی را هم‌فاز با آن مرجع تزریق می‌کند. عملکرد آن کاملاً وابسته به یک مرجع خارجی ولتاژ و فرکانس است. در محیط‌های بدون شبکه، که چنین مرجعی وجود ندارد، اینورتر پیرو شبکه‌ای چیزی برای پیروی کردن ندارد.

در مقابل، یک اینورتر شکل‌دهنده شبکه به‌عنوان یک منبع ولتاژ عمل می‌کند. این اینورتر فازور ولتاژ داخلی خود را با بزرگی و فرکانسی که به‌صورت محلی تنظیم شده‌اند، ایجاد می‌کند و سایر منابع و بارها نسبت به آن مرجع همگام‌سازی می‌شوند. از این منظر، رفتار آن شبیه یک ژنراتور سنکرون است: این اینورتر منتظر وجود شبکه نمی‌ماند، بلکه شرایط لازم برای ایجاد آن را فراهم می‌کند.

دلیل نیاز سیستم‌های بدون شبکه به کنترل شکل‌دهنده شبکه

در یک ریزشبکه یا سیستم جزیره‌ای، شبکه برق عمومی وجود ندارد تا پایه‌ی ولتاژ و فرکانس را فراهم کند. اگر سیستم تبدیل توان (PCS) در حالت پیروی از شبکه کار کند، هیچ دستگاهی در سیستم مسئولیت ایجاد این پایه را بر عهده نخواهد داشت. ریزشبکه قادر به روشن‌شدن نخواهد بود. این محدودیتی نامحسوس در عملکرد نیست؛ بلکه یک شرط ضروری برای عملکرد است.

همین اصل هنگام اتصال بارهای موتوری با توان بالا نیز صادق است. موتورهای القایی در لحظه راه‌اندازی جریان نشست بالایی می‌کشند و این جریان می‌تواند روی حلقه‌های کنترل اینورتر در یک ریزشبکه جزیره‌ای تأثیر بگذارد. یک اینورتر تشکیل‌دهنده شبکه باید اجازه دهد که در محدوده‌های تحمل سقوط ولتاژ استاندارد IEEE Std. 1547، افت لحظه‌ای ولتاژ رخ دهد، در عین حال که تنظیم ولتاژ را حفظ کند و از قطع غیرمجاز جلوگیری نماید.

مبدل‌های وابسته به شبکه این قابلیت را در شرایط خارج از شبکه ندارند، زیرا این دستگاه‌ها اصلاً مسئول ایجاد ولتاژ نیستند. بنابراین در ریزشبکه‌ها، سایت‌های صنعتی جداشده از شبکه و عملیات معدنی یا فرآورشی دورافتاده، قابلیت شکل‌دهنده شبکه یک الزام پایه است، نه یک ارتقاء اختیاری.

ویژگی‌هایی که باید در یک سیستم کنترل توان شکل‌دهنده شبکه جستجو کرد

قابلیت‌های ضروری عبارتند از راه‌اندازی سیاه (ایجاد ولتاژ از حالت بدون انرژی)، پاسخ لختی در مقیاس زمانی میلی‌ثانیه‌ای، تأمین جریان اتصال کوتاه برای تحمل گذراهاي راه‌اندازی موتورها و انتقال هموار بین حالت متصل به شبکه و حالت جداشده از شبکه.

نمونه‌ای عملی، سیستم کنترل تبدیل قدرت شکل‌دهنده‌ی شبکه است که با ترانسفورماتور افزاینده ادغام شده، مانند آنچه شرکت ژونگمنگ (ژیانگسو ژونگمنگ الکتریکال) ارائه می‌دهد. واحد ادغام‌شده‌ی شکل‌دهنده‌ی شبکه‌ی این شرکت زمان پاسخ‌دهی ۱۰ میلی‌ثانیه یا کمتر و عملکرد پایدار در نسبت کوتاه‌مدار (SCR) زیر ۱٫۱ را مشخص می‌کند؛ محدوده‌ای که معمولاً تجهیزات متعاقب‌شبکه‌ی مرسوم قادر به پشتیبانی از آن نیستند.

این واحد همچنین شامل پاسخ لختی، کنترل میرایی، کار موازی چند واحد، راه‌اندازی سیاه (بلک استارت) و تحمل جهش زاویه‌ی فاز است و بازده تبدیل آن برابر یا بالاتر از ۹۸٫۵ درصد است. این مشخصات نه به‌عنوان اعداد تبلیغاتی، بلکه به‌دلیل ارتباط مستقیم‌شان با شرایط بیرون از شبکه‌ی توضیح‌داده‌شده در بالا، اهمیت دارند.

فهرست کوتاهی برای انتخاب

پیش از تعیین سیستم کنترل تبدیل قدرت برای یک پروژه‌ی بیرون از شبکه، پرسیدن چهار سؤال ارزشمند است.

1. آیا این پروژه واقعاً شامل عملیات جزیره‌ای است؟ در این صورت، کنترل شکل‌دهنده‌ی شبکه پیش‌شرطی ضروری است.

2. آیا سیستم کنترل تبدیل قدرت می‌تواند راه‌اندازی سیاه را انجام داده و ولتاژ را روی یک اتوبوس خالی ایجاد کند؟

3. زمان پاسخ لختی چقدر است و آیا به جای ثانیه، بر حسب میلی‌ثانیه مشخص شده است؟

4. آیا این دستگاه می‌تواند بدون قطع شدن، جریان راه‌اندازی بارهای موتوری را تحمل کند؟

اگر هر یک از این پاسخ‌ها نامشخص باشد، حالت کنترل به‌درستی تأیید نشده است.

سناریوهای کاربردی

یک اینورتر تشکیل‌دهنده شبکه، اینورتری «بهتر» از نوع پیرو شبکه نیست. بلکه دستگاهی متفاوت است که برای شرایط شبکه‌ای متفاوتی طراحی شده است. در سیستم‌های بدون اتصال به شبکه، انتخاب معماری کنترلی مناسب اهمیت بیشتری از مقایسه توان اسمی دارد.

پرسش‌های متداول

پرسش: تفاوت اصلی بین اینورترهای تشکیل‌دهنده شبکه و پیرو شبکه چیست؟

پاسخ: اینورتر تشکیل‌دهنده شبکه به‌عنوان یک منبع ولتاژ عمل می‌کند و ولتاژ مرجع خود را ایجاد می‌کند؛ درحالی‌که اینورتر پیرو شبکه به‌عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند و برای پیروی نیازمند ولتاژ موجودی است.

پرسش: آیا یک اینورتر پیرو شبکه می‌تواند در یک سیستم بدون اتصال به شبکه کار کند؟

پاسخ: خیر. بدون وجود یک مرجع ولتاژ خارجی، اینورتر پیرو شبکه هیچ سیگنالی برای همگام‌سازی ندارد و نمی‌تواند راه‌اندازی شود.

پرسش: قابلیت راه‌اندازی از حالت قطع (بلک استارت) چیست؟

پاسخ: توانایی فعال‌سازی یک باس غیرفعال و ایجاد ولتاژ بدون نیاز به هیچ منبع تغذیه خارجی.

سوال: چرا زمان پاسخ‌دهی برای سیستم‌های کنترل توان خارج از شبکه (PCS) مهم است؟

پاسخ: پاسخ سریع (۱۰ میلی‌ثانیه یا کمتر) ثبات ولتاژ را در شرایط تغییرات ناگهانی بار و راه‌اندازی موتورها در سیستم‌های جزیره‌ای تضمین می‌کند.

سوال: SCR کمتر از ۱٫۱ برای یک PCS به چه معناست؟

پاسخ: این نشان‌دهنده‌ی توانایی PCS در حفظ عملکرد پایدار در شرایط شبکه‌ی ضعیف است که در آن نسبت توان اتصال کوتاه (SCR) بسیار پایین است. قابلیت عملکرد در شرایط شبکه ضعیف که نسبت اتصال کوتاه آن بسیار پایین است.