อินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่ายกับอินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่าย

ในระบบจ่ายไฟแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า การเลือกระหว่างอินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่าย (grid-forming) กับอินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่าย (grid-following) ไม่ใช่เพียงเรื่องของประสิทธิภาพที่ต่างกันเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ แต่คือความแตกต่างระหว่างระบบที่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ กับระบบที่ไม่สามารถเริ่มทำงานได้เลยแม้แต่น้อย ความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับหลักการควบคุมเพียงหนึ่งเดียว คือ แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า เทียบกับ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า

แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า เทียบกับ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า

อินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่ายทำหน้าที่เสมือนแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ควบคุมได้ มันใช้ระบบลูปล็อกเฟส (phase-locked loop) วัดเฟสของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่มีอยู่แล้ว และจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปให้สอดคล้องกับค่าอ้างอิงนั้น มันพึ่งพาค่าอ้างอิงแรงดันและค่าความถี่จากภายนอกอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น ในสภาพแวดล้อมแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งไม่มีค่าอ้างอิงดังกล่าวอยู่เลย อินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่ายจึงไม่มีสิ่งใดให้ตาม

อินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่าย (grid-forming inverter) ทำงานเป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสร้างเฟสเซอร์แรงดันภายในของตนเองขึ้นโดยมีค่าแอมพลิจูดและค่าความถี่ที่ตั้งไว้ในท้องถิ่น และแหล่งจ่ายอื่น ๆ รวมทั้งโหลดจะปรับการซิงโครไนซ์ให้สอดคล้องกับอ้างอิงนั้น ดังนั้นพฤติกรรมของมันจึงคล้ายคลึงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส กล่าวคือ มันไม่รอให้มีโครงข่ายอยู่ก่อน แต่สร้างเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับโครงข่ายขึ้นมาเอง

เหตุใดระบบแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่าย (off-grid) จึงต้องใช้การควบคุมแบบสร้างโครงข่าย (grid-forming control)

ในไมโครกริดหรือระบบที่แยกตัวออกจากโครงข่ายหลัก (islanded system) จะไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าของหน่วยงานสาธารณูปโภคมาให้ค่าอ้างอิงด้านแรงดันและค่าความถี่ หากระบบแปลงพลังงานไฟฟ้า (PCS) ทำงานในโหมดตามโครงข่าย (grid-following mode) ก็จะไม่มีอุปกรณ์ใดในระบบทำหน้าที่กำหนดค่าอ้างอิงเหล่านั้น ทำให้ไมโครกริดไม่สามารถจ่ายพลังงานได้ นี่ไม่ใช่ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อย แต่เป็นเงื่อนไขพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการทำงาน

หลักการเดียวกันนี้ก็ใช้ได้เมื่อมีการต่อโหลดมอเตอร์ที่มีกำลังสูงเข้าด้วยกัน มอเตอร์แบบเหนี่ยวนำจะดึงกระแสเริ่มต้น (inrush current) ที่สูงมากในช่วงเริ่มทำงาน และกระแสดังกล่าวอาจรบกวนวงจรควบคุมอินเวอร์เตอร์ภายในไมโครกริดที่แยกตัวออกจากโครงข่ายหลัก (islanded microgrid) อินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่าย (grid-forming inverter) จำเป็นต้องยอมให้เกิดการลดลงของแรงดันชั่วคราวภายในขอบเขตการทนทานต่อการรบกวนตามมาตรฐาน IEEE Std. 1547 ขณะยังคงรักษาความสามารถในการควบคุมแรงดันไว้และหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดการตัดการทำงาน (trip)

อินเวอร์เตอร์แบบติดตามโครงข่าย (grid-following inverters) ไม่มีความสามารถนี้ในบริบทที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลัก (off-grid) เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ใช่ผู้สร้างแรงดันขึ้นมาเองแต่แรก ดังนั้น ความสามารถในการสร้างโครงข่ายจึงถือเป็นข้อกำหนดพื้นฐาน (baseline requirement) ไม่ใช่การอัปเกรดเพิ่มเติม (optional upgrade) สำหรับไมโครกริด สถานประกอบการอุตสาหกรรมที่แยกตัวออกจากโครงข่ายหลัก และการดำเนินงานด้านการทำเหมืองหรือการแปรรูปในพื้นที่ห่างไกล

สิ่งที่ควรพิจารณาเมื่อเลือก PCS แบบสร้างโครงข่าย

ความสามารถที่จำเป็น ได้แก่ การเริ่มต้นระบบจากสภาวะที่ไม่มีแรงดัน (black start) การตอบสนองเชิงอินเนอร์เชียในช่วงเวลาไม่กี่มิลลิวินาที การจ่ายกระแสลัดวงจรเพื่อรองรับการเปลี่ยนผ่านขณะสตาร์ทมอเตอร์ และการเปลี่ยนผ่านอย่างราบรื่นระหว่างโหมดเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและโหมดเกาะเดี่ยว

ตัวอย่างที่ใช้งานได้จริงคือ อุปกรณ์แปลงพลังงานแบบสร้างโครงข่าย (grid-forming PCS) ที่รวมหม้อแปลงเพิ่มแรงดันเข้าด้วยกัน เช่น ผลิตภัณฑ์ของ Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical) โดยหน่วยรวมแบบเสริมสมรรถนะของ grid-forming PCS รุ่นนี้ระบุเวลาตอบสนองไม่เกิน 10 มิลลิวินาที และสามารถทำงานอย่างเสถียรได้ที่อัตราส่วนกระแสลัดวงจร (SCR) ต่ำกว่า 1.1 ซึ่งเป็นช่วงที่อุปกรณ์แบบตามโครงข่าย (grid-following) ทั่วไปมักไม่สามารถรองรับได้

หน่วยนี้ยังมีความสามารถในการตอบสนองเชิงอินเนอร์เชีย การควบคุมการลดการสั่นสะเทือน การทำงานขนานกันของหลายหน่วย การเริ่มต้นระบบจากสภาวะที่ไม่มีแรงดัน (black start) และความทนทานต่อการเปลี่ยนผ่านของมุมเฟสอย่างฉับพลัน พร้อมประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไม่ต่ำกว่า 98.5% ข้อกำหนดเหล่านี้มีความสำคัญไม่ใช่ในฐานะตัวเลขเพื่อการตลาด แต่เพราะสอดคล้องโดยตรงกับสภาวะการทำงานแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าที่กล่าวมาข้างต้น

รายการตรวจสอบการเลือกอย่างย่อ

ก่อนระบุระบบควบคุมพลังงาน (PCS) สำหรับโครงการแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ควรพิจารณาคำถามสี่ข้อต่อไปนี้

1. โครงการนี้ใช้งานในโหมดเกาะจริงหรือไม่ หากใช่ การควบคุมแบบสร้างโครงข่าย (grid-forming control) ถือเป็นเงื่อนไขเบื้องต้น

2. ระบบ PCS สามารถเริ่มต้นทำงานจากสภาวะที่ไม่มีไฟฟ้า (black start) และสร้างแรงดันไฟฟ้าบนบัสที่ว่างเปล่าได้หรือไม่

3. เวลาตอบสนองความเฉื่อย (inertia response time) คือเท่าใด และระบุไว้เป็นมิลลิวินาที ไม่ใช่วินาทีหรือไม่

4. อุปกรณ์สามารถทนต่อกระแสเริ่มต้น (inrush current) ของโหลดมอเตอร์โดยไม่ตัดการทำงานหรือไม่

หากคำตอบใด ๆ ยังไม่ชัดเจน แสดงว่าโหมดการควบคุมยังไม่ผ่านการตรวจสอบอย่างเพียงพอ

สถานการณ์การใช้งาน

อินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่าย (grid-forming) ไม่ใช่อินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่าย (grid-following) ที่ดีกว่า แต่เป็นอุปกรณ์คนละประเภทกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งออกแบบมาให้เหมาะกับสภาพโครงข่ายที่ต่างกัน ในระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลัก (off-grid) การเลือกสถาปัตยกรรมการควบคุมที่เหมาะสมมีความสำคัญยิ่งกว่าการเปรียบเทียบค่ากำลังไฟฟ้า

คำถามที่พบบ่อย

คำถาม: ความแตกต่างหลักระหว่างอินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่ายกับอินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่ายคืออะไร

คำตอบ: อินเวอร์เตอร์แบบสร้างโครงข่ายทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสร้างแรงดันอ้างอิงของตนเองขึ้นมา ส่วนอินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่ายทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต้องอาศัยแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่แล้วเพื่อใช้อ้างอิง

คำถาม: อินเวอร์เตอร์แบบตามโครงข่ายสามารถทำงานในระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลักได้หรือไม่

ก: ไม่ได้ ไม่มีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าจากภายนอก ทำให้เครื่องแปลงกระแสแบบติดตามโครงข่าย (grid-following inverter) ไม่มีสัญญาณสำหรับการซิงโครไนซ์ และไม่สามารถเริ่มทำงานได้

ข: ความสามารถในการเริ่มระบบแบบแบล็กสตาร์ต (black start capability) คืออะไร

ก: ความสามารถในการจ่ายพลังงานให้กับบัสที่ไม่มีพลังงานอยู่ก่อนแล้ว และสร้างแรงดันไฟฟ้าขึ้นมาได้โดยไม่ต้องอาศัยแหล่งจ่ายไฟฟ้าจากภายนอกเลย

ข: ทำไมเวลาตอบสนองจึงสำคัญสำหรับระบบควบคุมพลังงานแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่าย (off-grid PCS)

ก: เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (ไม่เกิน 10 มิลลิวินาที) ช่วยรับประกันความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้าขณะเกิดการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน หรือขณะเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ในระบบที่แยกตัวออกจากโครงข่าย (islanded systems)

ข: SCR ต่ำกว่า 1.1 หมายความว่าอย่างไรสำหรับ PCS

ก: แสดงว่า PCS สามารถรักษาการดำเนินงานที่มั่นคงได้ ในสภาวะโครงข่ายอ่อนแอ ซึ่งอัตราส่วนกระแสลัดวงจร (short-circuit ratio) ต่ำมาก