อินเวอร์เตอร์แปลงพลังงานกระแสตรงจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็นพลังงานกระแสสลับได้อย่างไร

ผู้ติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในยุโรปตอนใต้ได้จัดตั้งระบบแผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาขนาด 100 กิโลวัตต์ แต่กลับพบว่าอินเวอร์เตอร์มีการจำกัดกำลังส่งออกที่ 82 กิโลวัตต์ในช่วงเวลาที่มีแสงแดดจัดที่สุด ซึ่งอินเวอร์เตอร์ที่มีขนาดเล็กเกินไปนี้ทำให้สูญเสียพลังงานที่สามารถผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์เกือบ 20 เปอร์เซ็นต์ — ข้อผิดพลาดดังกล่าวสามารถหลีกเลี่ยงได้หากเข้าใจกระบวนการแปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นกระแสสลับ (AC) อย่างถูกต้อง และเลือกความจุของอินเวอร์เตอร์ให้สอดคล้องกับคุณลักษณะของแผงโซลาร์เซลล์อย่างเหมาะสม อินเวอร์เตอร์คือศูนย์กลางอัจฉริยะของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ทุกแห่ง และเทคโนโลยีการแปลงของมันกำหนดว่าพลังงานแสงอาทิตย์ที่แผงรับมาจะถูกส่งต่อไปยังระบบไฟฟ้าภายในอาคารหรือสายส่งของบริษัทจำหน่ายไฟฟ้าได้มากน้อยเพียงใด

กระบวนการแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นกระแสสลับ

การติดตามจุดพลังงานสูงสุด

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่มีแรงดันและกระแสซึ่งแปรผันอย่างต่อเนื่องตามความเข้มของรังสีแสงอาทิตย์และอุณหภูมิของเซลล์ สำหรับเงื่อนไขใด ๆ ที่กำหนด จะมีจุดทำงานเพียงจุดเดียว — คือ จุดกำลังสูงสุด — ซึ่งเป็นจุดที่ผลคูณของแรงดันกับกระแสสูงที่สุด อัลกอริทึมการติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) ที่ฝังอยู่ในระบบควบคุมของอินเวอร์เตอร์จะปรับค่าอิมพีแดนซ์ขาเข้าที่มองเห็นโดยอาร์เรย์เซลล์แสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ระบบทำงานที่จุดที่เหมาะสมนี้ อัลกอริทึม MPPT แบบรบกวนแล้วสังเกต (perturb-and-observe) เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุด กล่าวคือ ตัวควบคุมจะปรับแรงดันทำงานขึ้นเล็กน้อย วัดว่ากำลังขาออกเพิ่มขึ้นหรือลดลง จากนั้นจึงปรับไปในทิศทางที่ทำให้กำลังดีขึ้น อินเวอร์เตอร์แบบสตริงรุ่นใหม่ ๆ มักมีช่องสัญญาณ MPPT หลายช่องที่ทำงานแยกจากกัน โดยแต่ละช่องเชื่อมต่อกับสตริงของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ที่แยกจากกันอย่างชัดเจน โครงสร้างนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ผลกระทบจากการบังแสงบนสตริงหนึ่งลดประสิทธิภาพของสตริงอื่นที่ไม่ถูกบังแสงแต่ต้องใช้ช่องสัญญาณ MPPT ร่วมกัน ประสิทธิภาพของ MPPT — ซึ่งหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของกำลังที่มีอยู่จริงจากอาร์เรย์ที่อัลกอริทึมนี้สามารถดึงออกมาได้จริง — โดยทั่วไปจะสูงกว่าร้อยละ 99 สำหรับระบบที่ออกแบบมาอย่างดีภายใต้สภาวะรังสีแสงอาทิตย์ที่คงที่

การเปลี่ยนพลังงานและการผลิตรูปคลื่น

พลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่ถูกจับโดยขั้นตอน MPPT จะไหลไปยังขั้นตอนการแปลงพลังงานของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ — โดยทั่วไปคือทรานซิสเตอร์แบบฉนวนเกตไบโพลาร์ (IGBT) ที่ออกแบบให้ทนแรงดันได้ระหว่าง 600 ถึง 1,200 โวลต์ — จะเปลี่ยนสัญญาณเข้าแบบกระแสตรงให้เป็นสัญญาณออกแบบเป็นจังหวะ (pulsed output) ที่เลียนแบบคลื่นไซน์กระแสสลับ (AC) อย่างใกล้เคียง ระบบปรับความกว้างของพัลส์ (PWM) ควบคุมลำดับการเปิด-ปิดของสวิตช์: โดยการปรับความกว้างของแต่ละพัลส์แรงดันตามคลื่นไซน์อ้างอิง ทำให้ค่าเฉลี่ยของแรงดันขาออก ณ จุดต่าง ๆ ภายในหนึ่งคาบเท่ากับค่าไซน์ที่ต้องการ ความถี่ในการเปิด-ปิด ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 16 ถึง 20 กิโลเฮิร์ตซ์สำหรับอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ มีค่าสูงพอที่ตัวกรองขาออก — ซึ่งประกอบด้วยคอยล์เหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ — จะสามารถเรียบสัญญาณแบบเป็นจังหวะให้กลายเป็นคลื่นไซน์ที่สะอาด โดยมีค่าความผิดเพี้ยนฮาร์โมนิกทั้งหมด (THD) ต่ำกว่าร้อยละ 3 ขั้นตอนการกรองนี้มีความสำคัญยิ่ง เพราะหากสัญญาณขาออกของอินเวอร์เตอร์มีส่วนประกอบฮาร์โมนิกมากเกินไป อาจทำให้มอเตอร์ที่เชื่อมต่อร้อนจัดเกินไป รบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อสัญญาณ และถูกปฏิเสธโดยรีเลย์ป้องกันของระบบจำหน่ายไฟฟ้า (grid protection relays) หากอินเวอร์เตอร์ส่งพลังงานกลับเข้าสู่ระบบสาธารณูปโภค

การซิงค์กับโครงข่ายไฟฟ้าและตัวเลือกหม้อแปลง

อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าต้องปรับให้แรงดันไฟฟ้า ความถี่ และมุมเฟสของกระแสขาออกสอดคล้องกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าสาธารณูปโภคก่อนทำการเชื่อมต่อ ระบบควบคุมของอินเวอร์เตอร์จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของระบบจ่ายผ่านวงจรตรวจวัด และปรับรูปแบบการเปิด-ปิดสวิตช์ให้สอดคล้องกันภายในขอบเขตที่แคบมาก — โดยปกติแล้วความถี่จะอยู่ในช่วง ±0.1 เฮิร์ตซ์ และมุมเฟสจะเบี่ยงเบนไม่เกินเพียงไม่กี่องศา อินเวอร์เตอร์ที่ใช้หม้อแปลงจะใช้หม้อแปลงความถี่ต่ำเพื่อสร้างการแยกฉนวนแบบกาล์วานิก (galvanic isolation) ระหว่างด้านกระแสตรง (DC) กับด้านกระแสสลับ (AC) ซึ่งให้การป้องกันโดยธรรมชาติจากการไหลของกระแสตรงเข้าสู่ระบบจ่ายไฟฟ้า และทำให้การออกแบบระบบต่อพื้นดินง่ายขึ้น อินเวอร์เตอร์แบบไม่ใช้หม้อแปลงจะไม่มีหม้อแปลงแกนเหล็ก จึงลดน้ำหนัก ขนาดทางกายภาพ และต้นทุนลง พร้อมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานขึ้น 1 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม การออกแบบแบบไม่ใช้หม้อแปลงนี้จำเป็นต้องใช้วงจรตรวจจับและยับยั้งกระแสรั่วของด้านกระแสตรงที่ซับซ้อนกว่า เพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานการเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้า และโดยทั่วไปจะจำกัดให้ใช้ได้เฉพาะกับโครงสร้างแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV array) แบบไม่ต่อพื้นดินเท่านั้น เพื่อป้องกันเส้นทางการรั่วแบบความจุผ่านโครงสร้างของแผงไปยังพื้นดิน

ประสิทธิภาพและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

ประสิทธิภาพสูงสุดของอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่สามารถเข้าถึงระดับ ๙๗ ถึง ๙๙ เปอร์เซ็นต์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด แต่ค่าประสิทธิภาพตามมาตรฐานยุโรป — ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยแบบมีน้ำหนักที่สะท้อนสภาวะการใช้งานจริง — ให้ข้อมูลประสิทธิภาพที่สมจริงยิ่งกว่า รูปแบบการคำนวณประสิทธิภาพของสหภาพยุโรปกำหนดน้ำหนักต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานที่ระดับโหลดต่าง ๆ ดังนี้: น้ำหนัก ๓ เปอร์เซ็นต์ที่โหลด ๕ เปอร์เซ็นต์, ๖ เปอร์เซ็นต์ที่โหลด ๑๐ เปอร์เซ็นต์, ๑๓ เปอร์เซ็นต์ที่โหลด ๒๐ เปอร์เซ็นต์ และน้ำหนักเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงโหลดเต็ม ซึ่งสอดคล้องกับการกระจายของสภาวะการใช้งานจริงตลอดวันแสงอาทิตย์โดยทั่วไป ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อโหลดต่ำ เนื่องจากกำลังไฟฟ้าที่ใช้ภายในอินเวอร์เตอร์ — สำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ควบคุม พัดลมระบายความร้อน และการสูญเสียจากการสลับสถานะ (switching losses) — มีค่าสัมพันธ์กับกำลังไฟฟ้าขาออกที่ส่งผ่านมากขึ้น การเลือกอินเวอร์เตอร์ที่มีขนาดเหมาะสม กล่าวคือ ให้ช่วงการใช้งานปกติของแผงโซลาร์เซลล์อยู่ภายในแถบประสิทธิภาพสูงสุดของอินเวอร์เตอร์ — โดยทั่วไปคือ ๓๐ ถึง ๗๐ เปอร์เซ็นต์ของกำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้ — จะทำให้ได้ผลผลิตพลังงานรายปีสูงสุด

คำถามที่พบบ่อย

ความแตกต่างระหว่างอินเวอร์เตอร์แบบสตริงกับไมโครอินเวอร์เตอร์คืออะไร

อินเวอร์เตอร์แบบสตริงเชื่อมโมดูลโฟโตโวลเทอิกหลายตัวเข้าด้วยกันแบบอนุกรมไปยังอินเวอร์เตอร์ตัวเดียว โดยทั่วไปมีกำลังไฟฟ้าจัดอันดับอยู่ระหว่าง 1 ถึง 100 กิโลวัตต์ ส่วนไมโครอินเวอร์เตอร์จะติดตั้งอินเวอร์เตอร์ขนาดเล็กหนึ่งตัวต่อโมดูลแต่ละตัว ทำหน้าที่แปลงกระแสตรง (DC) เป็นกระแสสลับ (AC) ที่ระดับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ไมโครอินเวอร์เตอร์ช่วยขจัดความเสี่ยงจากการล้มเหลวของจุดเดียว และลดการสูญเสียพลังงานจากเงาบัง แต่มีต้นทุนต่อวัตต์ที่ติดตั้งสูงกว่า

ระบบ MPPT จัดการกับสภาพเมฆที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วได้อย่างไร

อัลกอริธึม MPPT ขั้นสูงใช้เทคนิคการติดตามแบบคาดการณ์ ซึ่งพยากรณ์การเปลี่ยนแปลงของความเข้มรังสีโดยอิงจากแนวโน้มของกำลังไฟฟ้าที่ผ่านมา แทนที่จะปรับค่าแบบสุ่มแล้วสังเกตผลลัพธ์อย่างไร้ทิศทาง ในสภาวะที่มีเมฆบางส่วน ซึ่งความเข้มรังสีอาจผันผวนได้ถึงร้อยละ 50 ภายในไม่กี่วินาที อัลกอริธึมเหล่านี้ยังคงรักษาความแม่นยำในการติดตามไว้ได้มากกว่าร้อยละ 98

เหตุใดข้อกำหนดของระบบสายส่งไฟฟ้าจึงกำหนดให้อินเวอร์เตอร์ต้องมีระบบป้องกันการเกาะตัว (anti-islanding)

การป้องกันการเกิดเกาะ (anti-islanding protection) ทำให้อินเวอร์เตอร์ตัดการเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าภายในเวลาไม่เกินสองวินาที หลังจากที่ระบบจ่ายไฟฟ้าหยุดทำงาน เพื่อป้องกันไม่ให้ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) จ่ายไฟเข้าสู่ส่วนหนึ่งของระบบจ่ายไฟฟ้าที่ช่างเทคนิคของบริษัทจ่ายไฟฟ้าคาดว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้า นี่คือข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่บังคับใช้ในมาตรฐานการเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าทุกฉบับ รวมถึง IEEE 1547 และ IEC 62116

อะไรคือสาเหตุของการตัดยอดกำลัง (clipping) ของอินเวอร์เตอร์ และจะหลีกเลี่ยงได้อย่างไร

การตัดยอดกำลังเกิดขึ้นเมื่อกำลังไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่รับเข้าจากแผงโซลาร์เซลล์มีค่าสูงกว่าค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) สูงสุดที่อินเวอร์เตอร์สามารถส่งออกได้ อินเวอร์เตอร์จะจำกัดกำลังส่งออกให้อยู่ในระดับที่ระบุไว้ โดยส่วนเกินจะสูญเสียไป การออกแบบขนาดที่เหมาะสมคือการจับคู่กำลังสูงสุดของแผงโซลาร์เซลล์ (โดยทั่วไปอยู่ที่ 1.1 ถึง 1.3 เท่าของค่ากำลัง AC ที่ระบุไว้ของอินเวอร์เตอร์) กับความสามารถของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งยอมรับให้เกิดการตัดยอดกำลังเพียงเล็กน้อยในช่วงเวลาที่มีกำลังสูงสุดแบบหายาก เพื่อหลีกเลี่ยงการเลือกอินเวอร์เตอร์ที่มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น

อุณหภูมิแวดล้อมมีผลต่อประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์อย่างไร

ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์จะลดลงเมื่ออุณหภูมิของชิ้นส่วนภายในสูงขึ้น และโดยทั่วไปแล้ว อินเวอร์เตอร์จะลดกำลังขาออกเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเกิน 40 ถึง 45 องศาเซลเซียส การติดตั้งในสถานที่ที่ร่มและระบายอากาศได้ดี แทนที่จะติดตั้งภายใต้แสงแดดโดยตรงบนหลังคา จะช่วยลดอุณหภูมิในการทำงานลงได้ 10 ถึง 15 องศาเซลเซียส และเพิ่มผลผลิตพลังงานรายปีได้ 2 ถึง 4 เปอร์เซ็นต์

อินเวอร์เตอร์สามารถให้การสนับสนุนกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาแก่ระบบสายส่งไฟฟ้าได้หรือไม่

อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกับระบบสายส่งไฟฟ้าสมัยใหม่สามารถทำงานที่ค่าแฟกเตอร์กำลัง (power factor) ที่ไม่ใช่หนึ่งได้ โดยสามารถจ่ายหรือดูดซับกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาตามคำสั่งจากผู้ควบคุมระบบสายส่งไฟฟ้า หรือตัวควบคุมสถานี ความสามารถนี้ ซึ่งกำหนดไว้บังคับตามข้อกำหนดของระบบสายส่งไฟฟ้าที่ปรับปรุงใหม่ในหลายเขตอำนาจ จะทำให้ระบบที่ใช้แผงโซลาร์เซลล์ (PV) สามารถมีส่วนร่วมในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของระบบสายส่งไฟฟ้า แทนที่จะส่งออกเฉพาะกำลังไฟฟ้าจริงเท่านั้น