FALOWNIKI – NEWRALGICZNY PUNKT KAŻDEJ INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ

Poniższy tekst jest fragmentem wydanej pod patronatem www.portalfotowoltaika.pl książki pod tytułem „Jak zbudować elektrownię fotowoltaiczną?”, stanowiącej kompendium wiedzy dla osób interesujących się praktycznymi aspektami projektowania i funkcjonowania systemów PV.

Książka została wydana w formie ebooka i można ją nabyć m.in. tutaj i tutaj. Zachęcamy do lektury!

*****

Podział falowników

Falownik jest urządzeniem energoelektronicznym, które zamienia prąd i napięcie stałe DC na prąd i napięcie przemienne AC. Jest zbudowany z elementów półprzewodnikowych sterowanych (tzw. kluczy) np. tyrystorów, triaków, diaków, które są przełączane w odpowiedniej kolejności i z odpowiednią częstotliwością, przez
co wejściowe napięcie stałe jest zamieniane na napięcie przemienne. Napięcie wyjściowe ma charakter schodkowy, dlatego musi dodatkowo przejść przez szereg filtrów wygładzających, dzięki czemu finalnie ma kształt bardzo zbliżony do sinusoidy.

Falowniki można podzielić ze względu na charakter napięcia wyjściowego na:
– jednofazowe
– trójfazowe.

Falowniki jednofazowe dają na wyjściu napięcie fazowe o wartości skutecznej najczęściej 230V i częstotliwości 50Hz. Mają z reguły mniejsze moce i są stosowane głównie w niewielkich systemach fotowoltaicznych (np. w domkach jednorodzinnych), gdzie istnieje niewielkie zapotrzebowanie na energię i źródło jednofazowe w zupełności wystarczy.

W aplikacjach o większych wymaganiach stosuje się falowniki trójfazowe. Dają one dostęp do napięć fazowych 230V oraz do napięć międzyfazowych 400V o częstotliwości 50Hz. Charakteryzują się większymi mocami w porównaniu do urządzeń jednofazowych.

W fotowoltaice funkcjonuje jeszcze inny podział przekształtników DC/AC, zależny od ilości obsługiwanych przez urządzenie paneli/łańcuchów. Pod tym względem wyróżnia się następujące konfiguracje:
– falownik centralny
– falownik szeregowy
– mikro falownik.

W konfiguracji z falownikiem centralnym tylko jedno urządzenie obsługuje całą instalację fotowoltaiczną. Są do niego dołączone wszystkie panele PV, a więc należy go dobierać tak, by wytrzymywał panujące w instalacji napięcie i przepływ prądu sumarycznego ze wszystkich łańcuchów. Falownik taki ma zazwyczaj moc
od 100 kWp do 1000 kWp, więc najczęściej jest stosowany w dużych instalacjach gruntowych. Poleganie tylko na jednym urządzeniu niesie ze sobą spore ryzyko. W przypadku awarii falownika unieruchomieniu ulegnie cały system. Ułatwiona jest jednak konserwacja i eksploatacja systemu oraz odbiór energii (wystarczy wybudować jedną linię kablową AC).

Mniejszą awaryjnością charakteryzuje się układ z falownikiem szeregowym. W tej konfiguracji każdy falownik obsługuje jeden lub kilka łańcuchów, dzięki czemu uszkodzenie dowolnego przekształtnika nie eliminuje całego systemu, a jedynie jego niewielką część. Falowniki szeregowe mają niewielkie moce 1-10 kWp i są bardzo popularne, zwłaszcza w niewielkich budynkowych instalacjach fotowoltaicznych. Większa ilość urządzeń komplikuje jednak obsługę systemu, również odbiór energii wiąże się z koniecznością budowy większej liczby linii kablowych.

Rozwiązaniem najbardziej optymalnym w punktu niezawodności systemu PV jest układ z mikro falownikiem. W tej konfiguracji każdy moduł posiada przypisany do niego falownik, dzięki czemu awaria przekształtnika nie rzutuje znacząco na pracę instalacji- wyeliminowany zostaje tylko jeden panel. Mikro falowniki mają bardzo małe moce (od 100 Wp do 500 Wp) dostosowane do mocy paneli.

Konfiguracja ta jest w praktyce bardzo rzadko stosowana ze względu na duży koszt i ogranicza się do małych aplikacji (w większych instalacjach potrzeba by setek a nawet tysięcy falowników). Rozwiązanie jest poza tym kłopotliwe w eksploatacji i konserwacji.

Parametry falowników

Falowniki są skomplikowanymi urządzeniami w związku z czym charakteryzują się dużą liczbą parametrów. Muszą one być brane pod uwagę przy doborze samego falownika, jak i wszelkich urządzeń z nim współpracujących.

Karty katalogowe podają dane znamionowe elektryczne falowników z zachowaniem podziału na parametry strony DC (wejściowe) i AC (wyjściowe).

Parametry po stronie DC:
– maksymalna moc wejściowa- równa największej sumarycznej mocy paneli które można podłączyć do falownika
– maksymalne napięcie wejściowe- największe napięcie które może być doprowadzone do wejść falownika, związane z liczbą szeregowo połączonych paneli w łańcuchu
– minimalne napięcie wejściowe- najmniejsze napięcie doprowadzone do wejść falownika przy którym urządzenia zaczyna prawidłowo pracować
– dopuszczalny zakres zmienności napięcia w punkcie mocy maksymalnej UMPP
– maksymalny prąd wejściowy- największy sumaryczny prąd który może wpływać do falownika, związany z liczbą podłączonych do niego rzędów
– liczba wejść.

Parametry po stronie AC:
– moc znamionowa
– napięcie znamionowe
– częstotliwość znamionowa
– maksymalny prąd wyjściowy
– współczynnik odkształcenia harmonicznymi THD (Total Harmonic Distortion)
– współczynnik mocy przy mocy znamionowej
– liczba faz.

Dodatkowo określona jest sprawność falownika oraz opisane wyposażenie dodatkowe (m.in. zabezpieczenia zwarciowe i ziemnozwarciowe, ochronniki przeciwprzepięciowe, urządzenia do monitorowania stanu izolacji).

Parametry wejściowe falownika determinują strukturę całej instalacji fotowoltaicznej. System musi być tak skonfigurowany, by nie przekroczone zostały graniczne parametry przekształtnika. Dane wyjściowe z kolei określają jakie parametry będzie mieć energia elektryczna opuszczająca falownik. Są to informacje niezbędne do zaprojektowania instalacji odbiorczej bądź przyłącza do sieci elektroenergetycznej.

Oprócz danych typowo elektrycznych, dokumentacja urządzenia powinna zawierać szereg innych informacji niezbędnych przy projektowaniu systemu PV i umożliwiających prawidłowy dobór falownika. Te parametry to m.in.:
– wymiary falownika
– waga
– dopuszczalny zakres temperatur pracy
– natężenie emitowanego dźwięku
– straty mocy
– stopień ochrony IP.