Falownik jest jednym z najważniejszych urządzeń w systemie solarnym. Jest to urządzenie, które przekształca prąd stały (DC) generowany przez panele słoneczne w prąd przemienny (AC) wykorzystywany przez sieć. W przypadku prądu stałego prąd płynie w jednym kierunku przy stałym napięciu. W przypadku prądu przemiennego prąd płynie w obu kierunkach w obwodzie, gdy napięcie zmienia się z dodatniego na ujemne. Falownik to tylko jeden z typów urządzeń energoelektronicznych, które regulują przepływ prądu.
Zasadniczo falownik przekształca prąd stały w prąd przemienny poprzez bardzo szybkie przełączanie kierunku wejścia prądu stałego tam i z powrotem. W ten sposób wejście DC staje się wyjściem AC. Filtry i inne urządzenia elektroniczne mogą być używane do wytwarzania napięcia, które zmienia się w postaci czystej, powtarzalnej fali sinusoidalnej, którą można wprowadzić do sieci. Fala sinusoidalna to kształt lub wzór zmian napięcia w czasie i jest to wzór mocy, który sieć może wykorzystać bez uszkadzania urządzeń elektrycznych zaprojektowanych do pracy przy określonej częstotliwości i napięciu.
Pierwsze falowniki zostały stworzone w XIX wieku i były mechaniczne. Obracający się silnik mógł być używany do ciągłej zmiany połączenia do przodu lub do tyłu źródła zasilania prądem stałym. Obecnie przełączniki elektryczne są wykonane z tranzystorów, które są urządzeniami półprzewodnikowymi bez ruchomych części. Tranzystory są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem lub arsenek galu. Kontrolują one przepływ energii elektrycznej w oparciu o zewnętrzne sygnały elektryczne.
Jeśli maszdomowy system solarnyInwerter ma prawdopodobnie kilka funkcji. Oprócz przekształcania energii słonecznej w prąd przemienny, może on monitorować system i zapewniać portal do komunikacji z sieciami komputerowymi. Systemy magazynowania energii słonecznej i akumulatorów opierają się na zaawansowanych falownikach, które mogą działać bez wsparcia sieci podczas przerw w dostawie prądu (jeśli są do tego przystosowane).
W kierunku sieci opartej na falownikach
W przeszłości energia elektryczna była wytwarzana głównie poprzez spalanie paliwa w celu wytworzenia pary, która następnie obracała turbogeneratory. Ruch tych generatorów wytwarza prąd przemienny, gdy urządzenia się obracają, co również określa częstotliwość lub liczbę powtórzeń fali sinusoidalnej. Częstotliwość zasilania jest ważnym wskaźnikiem kondycji sieci. Na przykład, jeśli obciążenie jest zbyt duże (zbyt wiele urządzeń zużywających energię), wówczas energia jest pobierana z sieci szybciej niż może być dostarczana. W rezultacie turbiny zwalniają, a częstotliwość prądu przemiennego spada. Ponieważ turbiny są dużymi obracającymi się obiektami, są one odporne na zmiany częstotliwości, tak jak wszystkie obiekty są odporne na zmiany ruchu, co nazywa się bezwładnością.
Wraz ze wzrostem liczby systemów solarnych do sieci podłączanych jest więcej falowników niż kiedykolwiek wcześniej. Generacja inwerterowa może wytwarzać energię przy dowolnej częstotliwości, a ponieważ nie wykorzystuje turbiny, nie ma takiej samej charakterystyki bezwładności jak generacja parowa. Dlatego przejście na sieć z większą liczbą falowników wymaga budowy inteligentniejszych falowników, które mogą reagować na zmiany częstotliwości i inne zakłócenia występujące podczas pracy sieci oraz pomagać w stabilizacji sieci przed tymi zakłóceniami.
Usługi sieciowe i falowniki
Operatorzy sieci zarządzają podażą i popytem na energię elektryczną w systemie elektroenergetycznym poprzez świadczenie szeregu usług sieciowych. Usługi sieciowe to działania, które operatorzy sieci wykonują w celu utrzymania równowagi w całym systemie i lepszego zarządzania przesyłem energii elektrycznej.
Gdy sieć przestaje działać zgodnie z oczekiwaniami, na przykład w przypadku odchyleń napięcia lub częstotliwości, inteligentne falowniki mogą reagować na różne sposoby. Ogólnie rzecz biorąc, standardem dla małych falowników, takich jak te podłączone do domowego systemu solarnego, jest pozostawanie włączonym lub "przetrwanie" przerw, gdy występują niewielkie przerwy w napięciu lub częstotliwości, i automatycznie odłączają się od sieci i wyłączają, jeśli przerwa trwa przez długi czas lub jest większa niż normalnie. Reakcja na częstotliwość jest szczególnie ważna, ponieważ spadki częstotliwości są związane z nieoczekiwaną generacją offline. W odpowiedzi na zmiany częstotliwości falowniki są skonfigurowane do zmiany mocy wyjściowej w celu przywrócenia standardowej częstotliwości. Zasoby oparte na falownikach mogą również reagować na sygnały operatora, aby zmienić swoją moc wyjściową w miarę wahań podaży i popytu w systemie elektroenergetycznym, co jest usługą sieciową zwaną automatyczną kontrolą wytwarzania. Aby świadczyć usługi sieciowe, falownik musi mieć źródło zasilania, którym może sterować. Może to być wytwarzanie energii, takie jak panel słoneczny aktualnie generujący energię, lub magazynowanie, takie jak system akumulatorów, który może być wykorzystywany do dostarczania wcześniej zmagazynowanej energii.
Inną usługą sieciową, którą mogą świadczyć niektóre zaawansowane falowniki, jest formowanie sieci. Falowniki tworzące sieć mogą uruchomić sieć, gdy wystąpi awaria sieci, proces ten nazywany jest czarnym startem. Tradycyjne falowniki "podążające za siecią" wymagają zewnętrznego sygnału z sieci, aby określić moment przełączenia w celu wytworzenia fali sinusoidalnej, którą można wprowadzić do sieci. W tych systemach moc z sieci zapewnia sygnał, który falownik próbuje dopasować. Bardziej zaawansowane falowniki tworzące sieć mogą same generować sygnał. Przykładowo, mała sieć paneli słonecznych może wyznaczyć jeden ze swoich inwerterów do pracy w trybie grid-forming, a reszta inwerterów podąży za nim jak tańczący partnerzy, tworząc stabilną sieć bez generowania energii przez turbiny.
Moc bierna jest jedną z najważniejszych usług sieciowych, jakie mogą zapewnić falowniki. W sieci elektrycznej napięcie (siła, która popycha ładunki elektryczne) zawsze zmienia się tam i z powrotem, podobnie jak prąd (ruch ładunków elektrycznych). Gdy napięcie i prąd są zsynchronizowane, energia elektryczna jest zmaksymalizowana. Czasami jednak może wystąpić opóźnienie między dwoma naprzemiennymi trybami napięcia i prądu, na przykład podczas pracy silnika. Jeśli nie są one zsynchronizowane, część mocy przepływającej przez obwód nie może zostać pochłonięta przez podłączony sprzęt, co powoduje straty wydajności. Do wytworzenia takiej samej ilości mocy "rzeczywistej" (mocy, którą może pochłonąć obciążenie) wymagana jest większa moc całkowita. Aby temu przeciwdziałać, dostawcy energii dostarczają moc bierną, aby zsynchronizować napięcie i prąd, ułatwiając zużycie energii elektrycznej. Ta moc bierna sama w sobie nie jest wykorzystywana, ale raczej umożliwia wykorzystanie innej mocy. Nowoczesne falowniki mogą zarówno dostarczać, jak i absorbować moc bierną, aby pomóc sieci zrównoważyć ten ważny zasób. Ponadto, ponieważ moc bierna jest trudna do przesyłania na duże odległości, rozproszone zasoby energii, takie jak energia słoneczna na dachu, są szczególnie przydatnymi źródłami mocy biernej.
