Menu

Dobór falowników

    Wiadomości wstępne

 

Dobór falowników należy rozpocząć od określenia typu instalacji PV i sposobu jej pracy: on-grid, off-grid, hybrydowa. Każdy z wymienionych systemów ma inny dedykowany falownik  (zob. falowniki). Kolejnym elementem jest moc generatora PV i miejsce jego montażu. Przy mocach >5kWp stosowane są obowiązkowo falowniki trójfazowe, jednofazowe tylko w małych instalacjach. Miejsce montażu wymaga natomiast określonego stopnia zabezpieczenia IP. Falowniki produkowane są np. tylko do montażu tylko wewnętrznego, jak i uniwersalne (montaż wewnętrzny i zewnętrzny). Bardzo ważnym czynnikiem przy projektowaniu falowniku jest niedopasowanie prądowe paneli PV związane z:

- montażem wybranych paneli pod innym kątem,

- montażem paneli na różnych dachach w budynku o odmiennej orientacji względem południa

- problemem okresowego (w ciągu dnia) zacienienia paneli.

Wszystkie te czynniki wymagają decyzji o wyborze konkretnego modelu (np. falownika z dwoma MPP trackerami) lub kilku osobnych falowników w instalacji.

 

Wymagana moc falownika

 

Każdy falownik posiada w karcie charakterystyki dwie moce użytkowe:

- moc generatora PV

- moc nominalna prądu zmiennego

Moc generatora PV określa maksymalną dopuszczalną wartość mocy modułów fotowoltaicznych podłączonych do falownika. Moc nominalna po stronie AC (prądu zmiennego) jest zawsze trochę niższa (związana między innymi ze sprawnością falownika) i określa maksymalną moc odbiorników jakie można podłączyć do falownika, lub maksymalną ilość energii jaką można odprowadzić do sieci.

Moc generatora PV podawana jest zawsze dla warunków STC, które w praktyce są rzadko osiągane. W ciągu całego roku energia rzędu 1000W/m2 występuje tylko przez okres kilku do kilkunastu godzin, co stanowi zaledwie 1-2% całkowitego czasu nasłonecznienia paneli. W pozostałym czasie nasłonecznienie nie przekracza wartości 800-900W/m2. Oznacza to, ze przez 98% czasu panele pracują na maksymalnie 80-90% swojej mocy.  Pamiętajmy też, że moc paneli PV spada już po pierwszym ich uruchomieniu i związana jest z efektem starzenia się ogniw. Proces ten jest dość powolny, ale już w pierwszym roku pracy powoduje spadek mocy średnio o kilka procent. Wynika stąd, że generator PV nigdy nie osiąga mocy projektowej podawanej przez producenta. Z kolei falownik dla optymalnej sprawności powinien pracować możliwie blisko swojej mocy maksymalnej znamionowej. Sprawność falownika jest wtedy najwyższa i wynosi w zależności od modelu do 97%. Przy spadku mocy generatora <20% mocy nominalnej falownika (np. przy pochmurnym dniu i nasłonecznieniu 200 W/m2), sprawność falownika gwałtownie spada.

Wynika stąd, że korzystniej jest zawsze projektować falownik o nieco większej mocy niż moc generatora PV. Jak duża powinna być ta różnica? Według wytycznych producentów falowników zakres ich mocy powinien mieścić się w przedziale 0,8-1,2 mocy generatora PV.  

     PV73.h27.jpg

Rys. Specyfikacja techniczna falownika Fronius Symo ( w dalszych rozważaniach zostanie uwzględniony model 4,5-3S

 

Charakterystyka falownika

Zakres pracy falownika mieści się pomiędzy napięciem Ustart a napięciem Umax .Gdy napięcie po stronie DC uzyska wartość Vstart, falownik załącza się i rozpoczyna poszukiwanie punktu mocy maksymalnej. Jeżeli punkt ten znajduje się pomiędzy Vmin a Vstart, falownik załączy się i rozpocznie pracę. Dopóki napięcie nie przekroczy minimalnej wartości zakresu MPPT, pracuje z niepełną mocą. Najwyższą sprawność falownik uzyskuje przy napięciu Vnom, przez co konfiguracja łańcuchów paneli PV powinna dawać napięcie bliskie Vnom falownika.

PV73.h19.jpg

 

 

7.3.3 Minimalna i maksymalna moc modułów PV

 

Każdy falownik ma podany w karcie charakterystyki zakres napięcia MPPT. Jest to parametr który określa, przy jakiej wartości napięcia na wejściu DC falownika zostanie wykryty punkt mocy maksymalnej przez MPP tracker. Kolejnym ważnym parametrem decydującym o pracy, jest minimalne napięcie załączenia falownika. Jest to wartość napięcia ze strony modułów PV przy którym falownik w ogóle się uruchomi i zacznie generować energię. W naszym przypadku (tabela powyżej) zakres MPPT wynosi 200-800V, a napięcie minimalne 150V. Jak to się ma do doboru falownika?

Obie powyższe wartości decydują o budowie stringu paneli, ich ilości i sposobie połączenia (szeregowe, równoległe, równoległo-szeregowe). Każdy panel w stringu generuje określone napięcie i natężenie prądu zależne od chwilowego oświetlenia i zgodne z jego charakterystyką I-V. Połączone ze sobą panele w zależności od sposobu łączenia (szeregowe, równoległe) sumują napięcia lub natężenia prądu. W każdym przypadku suma ta nie może przekroczyć dopuszczalnych wartości dla danego modelu falownika po stronie DC. Spróbujmy prześledzi jak dobiera się ilość paneli w stringu. Dla poprawności obliczeń przyjmijmy panele o mocy 270Wp, firmy LG monokrytaliczne o charakterystyce poniżej.

 

Wśród parametrów tych dla nas najważniejsze będą:

- moc maksymalna - PMPP [Wp],

- tolerancja mocy - ±DPMPP [%] (coraz częściej tylko dodatnia),

- napięcie obwodu otwartego - UOC [V],

- prąd zwarcia - ISC [A],

- napięcie przy mocy maksymalnej - UMPP [V],

- prąd przy mocy maksymalnej - IMPP [A],

- temperatura pracy modułu w warunkach nominalnych - NOCT [°C] (zwykle ok. 43÷48°C,
   mniejsze wartości wskazują na wyższą jakość modułu),

- współczynniki temperaturowe odpowiednio dla: ISC, UOC, PMPP, - αT, βT, γT [%×°K-1 lub %×°C-1].

   

 

Rys. Charakterystyka paneli PV LG MonoX Black.

 

Współczynniki temperaturowe pozwalają na obliczenie wartości napięć i natężeń generowanych przez panel w warunkach skrajnych, przy stałej wartości promieniowania słonecznego. W Polsce panele mogą operować w zakresie temperatur od -25 do +70C i dla takich warunków brzegowych prowadzi się obliczenia.

 

Przy doborze stosuje się następujące zależności (algorytm na podstawie wytycznych Zeszytu dla elektryków cz.13-"Budowa i eksploatacja instalacji fotowoltaicznych):

A) maksymalna wartość prądu w stringu - prąd generowany przez połączone ze sobą panele zależy w głównej mierze od rodzaju połączenia. W szeregowym przyjmuje wartość najsłabszego ogniwa w stringu (np. częściowo zacienionego panelu), w równoległym stanowi sumę prądów z poszczególnych paneli. Wartość prądu zależy też od temperatury, im wyższa, tym panel generuje wyższe natężenie prądu. Zmianę natężenia prądu w zależności od temperatury podaje wskaźnik ISC panelu (w naszym przypadku 0,05%/K).

Maksymalne natężenie prądu jakie może generować pojedynczy panel możemy obliczyć ze wzoru.

 

 PV73.h20.jpg

 

gdzie:

ISC(Tr) - natężenie modułu w temperaturze 70ºC

ISC - natężenie prądu w warunkach STC podawane w charakterystyce modułu

αT  - współczynnik temperaturowy (ISC) w %

 

 PV73.h21.jpg

Z obliczeń wynika, że w temperaturze 70ºC pojedynczy moduł osiągnie maksymalną wartość prądu 9,32A <11A. Gdzie 11A jest dopuszczalną wartością natężenia prądu dopływającego do falownika. Z obliczeń wynika też, że w tym konkretnym przypadku jedynym rodzajem połączenia modułów w stringi jest układ szeregowy. W układzie równoległym już dwa moduły przekraczają dopuszczalne natężenie prądu.

 

B) maksymalna wartość napięcia w stringu - wartość ta nie może być większa niż dopuszczalna max wartość napięcia na wejściu do falownika, przy czym wartość tę oblicza się dla warunków skrajnych, czyli temperatura -15ºC, przy której napięcie stringu jest najwyższe. Teoretycznie wyższe napięcia wystąpią przy dalszym spadku temperatury, jednak należy mieć na uwadze, że w zimie uzyskanie warunków oświetlenia na wysokim poziomie jest praktycznie niemożliwe. Przy obliczaniu max wartości napięcia bierzemy pod uwagę następujące wartości:

Voc (napięcie obwodu otwartego) - w naszym przypadku 38,6V

współczynnik temperaturowy Voc - (-0,31%/K)

 

Wartość napięcia maksymalnego możemy obliczyć ze wzoru:

 PV73.h22.jpg

Gdzie:

 βT - współczynnik temperaturowy modułu (-0,31%K)

 Tr - temperatura minimalna pracy -25C

stąd

 

 PV73.h23.jpg

 

Na podstawie tej wartości możemy policzyć dopuszczalną ilość modułów w stringu połączonych szeregowo.

 PV73.h25.jpg

gdzie:

UDCmax - maksymalna dopuszczalna wartość napięcia na wejściu falownika

 PV73.h26.jpg

 

zaokrąglamy w dół, czyli przyjmujemy 22 moduły

 

C) Obliczanie minimalnej liczby modułów z uwagi na dopuszczalne napięcie startowe falownika - każdy falownik posiada wartość minimalnego napięcia na wejściu przy którym zacznie pracować tzw. napięcie startowe(w naszym przypadku jest to 200V). Z kolei moduły osiągają minimalną wartość napięcia pracy w skrajnie wysokiej temperaturze 70C. Minimalną ilość modułów w stringu liczy się więc dla tej temperatury przyjmując wartość w górę. Korzysta się przy tym ze wzorów.

 PV73.h28.jpg

 

 PV73.h31.jpg

 

Przyjęto 7 modułów

 

D) Określenie dopuszczalnej liczby modułów w stringu ze względu na MPPT falownika - każdy falownik podaje zakres napięcia dla pracy MPP trackera (nasz 300-800V). Przy określaniu liczby modułów podpiętych pod pojedynczy MPP Tracker należy określić taką ich ilość przy której cały string będzie w określonych warunkach generował napięcie w zakresie pracy MPP Trackera. Liczy się w tym przypadku maksymalne oraz minimalne napięcie modułu dla warunków MPPT, przy czym wartość maksymalna napięcia liczy się dla temp. -25ºC, a wartość minimalną dla temp. +70ºC. Na podstawie tych wartości oblicza się dopuszczalną liczbę modułów.

Korzystamy tutaj ze wskaźnika UMPP (w naszym przypadku 31,7 V)

 

napięcie minimalne obliczamy ze wzoru:

   PV73.h30.jpg

gdzie:

 βT - wskaźnik temperaturowy modułu (-0,31%/K)

nmin - minimalna ilość modułów w stringu

UDCmin - minimalna wartość MPPT falownika (w naszym przykładzie 300V)

 PV73.h32.jpg

 

 

Tym samym minimalna ilość modułów wyniesie:

 

PV73.h33.jpg

 

zaokrąglamy wartość w górę, przyjęto ostatecznie minimum 11 modułów.

 

E) Sprawdzenie maksymalnej ilości modułów ze względu na moc generatora i dopuszczalną moc docierająca do falownika. W naszym przypadku falownik ma dopuszczalna moc na wejściu PINV=4500W

 

PV73.h34.jpg

Stąd

PV73.h35.jpg

należy więc zmniejszyć liczbę modułów

PV73.h36.jpg

 

Dla konkretnego przypadku (modułu i falownika) przyjęto ostatecznie max 20 modułów w stringu i nie mniej niż 11. 

  

Maksymalna moc falownika z uwagi na sieć EE

 

Jak duży może być  falownik podłączony do sieci? Według wytycznych operatorów (np. INSTRUKCJA RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ WARUNKI KORZYSTANIA, PROWADZENIA RUCHU, EKSPLOATACJI I PLANOWANIA ROZWOJU SIECI Załącznik nr 2 SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA TECHNICZNE DLA JEDNOSTEK WYTWÓRCZYCH PRZYŁĄCZANYCH DO SIECI DYSTRYBU-CYJNEJ), Mikroźródło przyłączane do sieci dystrybucyjnej w określonym punkcie (PCC) powinno spełniać następujące kryterium, że moc zwarciowa w punkcie przyłączenia (PCC) powinna być przynajmniej 20 razy większa od sumy mocy znamionowych mikroźródeł przyłączonych do tego samego obwodu sieci nN zasilanego ze stacji SN/nN. Ze względu na koordynację zabezpieczeń minimalna moc przyłączeniowa odbiorcy (obiektu przyłączonego), do którego wewnętrznej instalacji elektrycznej ma zostać przyłączone mikroźródło, powinna być nie mniejsza niż 4,5 kW dla instalacji 1-fazowej oraz 12,5 kW dla instalacji 3-fazowej.

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});