Instalacja fotowoltaiczna (PV) – falowniki wróć

Czym jest falownik?
 

Falownik jest przekształtnikiem, który zamienia energię napięcia stałego na energię napięcia zmiennego (zwykle przemiennego, czy periodycznie zmieniającego polaryzację). Napięcie stałe określa jedna wartość, której jednostką są wolty [V]. Napięcie przemienne określają trzy parametry: napięcie, częstotliwość [Hz] i przesuniecie fazowe [stopnie]. I tu od razu w przypadku falowników zaczyna się problem, ponieważ wymienione wyżej trzy parametry są łatwe do zdefiniowania dla przebiegów sinusoidalnie zmiennych w czasie. Jeżeli mówimy natomiast o przebiegach przemiennych o innych kształtach, sytuacja komplikuje się, ponieważ wymienione wartości trzeba dokładniej określić. Najprościej jest skorzystać z koncepcji Fouriera, czyli rozkładu przebiegu (funkcji) okresowego na szereg sinusoid będących dokładnymi krotnościami okresu krzywej wyjściowej, które po zsumowaniu pozwalają na otrzymanie kształtu wyjściowego. Rozkład taki jest nieskończony, zatem rozpatrując tylko pierwsze wyrazy posługujemy się oczywiście przybliżeniem.
Wracając do wspomnianych trzech parametrów odnosi się je łatwiej do jedynie pierwszej sinusolidy składowej, zwanej pierwszą harmoniczną. Dla niej już bez problemu można określić wartość, czy częstotliwość. Jest ona niestety bardzo niedokładnym przybliżeniem przebiegu rzeczywistego, ale pozwala prowadzić skutecznie rozważania ilościowo-jakościowe.
W przypadku przebiegów sinusoidalnie zmiennych tradycyjnie posługujemy się wartością skuteczną, która jest mniejsza od maksymalnej chwilowej wysokości sinusoidy około 0,71 razy.
W instalacjach fotowoltaicznych źródłem napięcia stałego są połączone równolegle gałęzie paneli PV, które muszą dać w sumie kilkaset woltów. Falownik wytwarza energię napięcia przemiennego w celu przekazywania jej do sieci – jednofazowej dla małych instalacji i trójfazowej dla większych.
Kierunek przepływu energii jest stały: od obwodów prądu stałego do sieci prądu przemiennego. A napięcie wyjściowe falownika musi być w jak największym stopniu zgodne z napięciem sieci energetycznej we wszystkich trzech parametrach (wartości skutecznej, częstotliwości i kąta przesunięcia fazowego), zatem praca falownika musi być synchronizowana ze stanem sieci.

Rodzaje falowników stosowanych w instalacjach PV.
 

W instalacjach PV możliwe jest zastosowanie falowników:

• centralnych,
• wirtualnych centralnych,
• gałęziowych
• mikroinvertrerów (mikrofalowników) dla poszczególnych paneli lub ich par.

W dużych instalacjach opłacalne jest raczej instalowanie dwóch pierwszych rozwiązań.
Falownik centralny (rys.1.) przekształca całą energię wytworzoną w panelach fotowoltaicznych na energię napięcia przemiennego, zatem w instalacji tego rodzaju obwodem prądu zmiennego jest tylko ta część, która łączy falownik z siecią zasilania.
 
W przypadku tak zwanego falownika wirtualnego centralnego nie mówimy faktycznie o jednym urządzeniu, tylko o wielu falownikach zainstalowanych w bezpośredniej bliskości – faktycznie są to falowniki gałęziowe, tylko zgrupowane razem (rys.2.).
 
Kolejnym stosowanym rozwiązaniem jest zainstalowanie tak wielu falowników, ile jest gałęzi szeregowo połączonych modułów fotowoltaicznych. Każda z gałęzi generuje napięcie w przybliżeniu równe i o wartości pozwalającej na zamianę energii napięcia stałego, czyli o wartości ok. 800 V na energię napięcia zmiennego, czyli na przykład 400 V. Ponieważ dla modułów połączonych szeregowo napięcie wyjściowe jest sumą napięć poszczególnych paneli, parametry napięciowe falowników gałęziowych i centralnych są podobne, jedynie moc falowników gałęziowych jest mniejsza, ponieważ prąd pojedynczej gałęzi jest mniejszy niż sumaryczny prąd wielu gałęzi połączonych równolegle (prądy gałęziowe oczywiście sumują się).
Inaczej ma się sprawa z mikroinverterami, czyli falownikami małej mocy, dopasowanymi pod względem prądów i napięć do pojedynczych paneli/modułów PV. Takie rozwiązanie instalacji powoduje, że napięcie stałe występuje tylko w bezpośredniej bliskości modułu, a praktycznie cała instalacja jest instalacją napięcia zmiennego. Ze względów oszczędnościowych w jednej obudowie niektórych inwerterów są projektowane dwa urządzenia obsługujące dwa sąsiednie moduły.
 

Kompatybilność elektromagnetyczna.
 

W zależności od miejsca pracy instalacja fotowoltaiczna może podlegać wymaganiom dla środowiska:

• przemysłowego (dach hali produkcyjnej) lub
• mieszkalnego, handlowego i słabo uprzemysłowionego (dach domu mieszkalnego, magazynu, sklepu wielkopowierzchniowego, czy hotelu; do tego obszaru możemy zaliczyć też instalacje terenowe posadowione na gruncie).

Producent falownika deklaruje zgodność z wymaganiami kompatybilności elektromagnetycznej. Falowniki stanowią w rozumieniu EMC „aparaturę”, zatem powinny być przez producentów badane. Występuje on w roli tak zwanego producenta pierwotnego, czyli projektant instalacji PV powinien potraktować falownik jako przysłowiową „czarną skrzynkę” i uwzględnić zalecenia zawarte w instrukcji dołączonej do urządzenia.
Projektant tworzy w sensie EMC „instalację”, której z kolei nie bada się, tylko stosuje się komponenty („aparaturę”) przegadane przez producentów pierwotnych i łączy się je w sposób przez nich zalecany.
Generalnie, jeżeli:

• falownik zawiera zintegrowany filtr sieciowy (od strony napięcia przemiennego), to powinien on być zgodny z wymaganiami docelowego środowiska EMC (co trzeba sprawdzić w instrukcji) i kable mogą być dobrane jak do typowej sieci prądu zmiennego,
• falownik nie zawiera filtra i musi być on z nim połączony – odcinek kabla pomiędzy falownikiem i filtrem powinien być ekranowany i ekran powinien być połączony z masą układu na obu końcach za pomocą specjalnego osprzętu. Powinno być to również dokładnie opisane w instrukcji producenta.
• instalacja po stronie sieci prądu stałego nie wymaga oczywiście ekranowania.

Opisane wyżej postępowanie umożliwia wystawienie deklaracji zgodności z dyrektywą EMC (2014/30/UE) przez producenta/projektanta danej instalacji PV bez jej badań i certyfikacji.[1]
O zgodności świadczy deklaracja CE producenta, samo oznakowanie CE, ale i zapisy w instrukcjach. Projektant powinien wybrać urządzenia mogące pracować w określonej strefie. Brak dopasowania będzie prowadził, np. do zakłóceń odbioru sprzętu audio w domu, który instalację PV posiada. W takim przypadku użytkownik ma prawo żądać poprawy sytuacji.
Należy pamiętać, że poza samym inwerterem jego sposób podłączenia i wyposażenie współpracujące[2] muszą również być odpowiednio dobrane – zgodnie ze wspomnianymi wyżej wytycznymi producenta falownika, jako wiodącego producenta pierwotnego.
 

Inne wymagania zasadnicze (dyrektyw lub rozporządzeń UE).
 

Poszczególne elementy instalacji, jak moduły PV, falowniki, kable, czy osprzęt mogą podlegać też innym wymaganiom. Należą do nich:
- rozporządzenie dotyczące materiałów budowlanych CPR[3],
- dyrektywa o zakazie stosowania substancji niebezpiecznych w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym RoHS (III),
- dyrektywa niskonapięciowa LVD[4],
- dyrektywa o zużytym sprzęcie elektrycznym i elektronicznym WEEE i inne.
Generalnie, producenci poszczególnych elementów i urządzeń muszą spełnić określone zbiory wymagań zasadniczych dla produktów, które im podlegają. Muszą wystawić deklaracje zgodności i wspomnieć tym w instrukcjach[5] oraz oznakować w wymagany sposób produkty.
Podmioty projektujące i wykonujące instalacje powinny upewnić się, że elementy składowe spełniają określone wymagania (lektura kart katalogowych, instrukcji, komunikacja z producentami pierwotnymi itd.), uwzględnić zalecenia w instrukcjach przy realizacji oraz wykonać (pisemną) ocenę ryzyka, której wymaga część dyrektyw, jak na przykład LVD.
Obecnie jeżeli dana instalacja PV ma być budowana jako on-grid lub hybrydowa, falownik powinien zgodnie z ROZPORZĄDZENIEM KOMISJI (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiającym kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci należeć do certyfikowanych urządzeń, które zostały pozytywnie zweryfikowane przez Operatorów Systemów Dystrybucyjnych (OSD). W Polsce jednostką certyfikacyjną jest na przykład KOMAG, czy ICR Polska.
Tak więc dla falowników PV w instalacjach przyłączanych do sieci dystrybucyjnej samo oznakowanie CE nie jest obecnie wystarczające, choć zagadnienia opisane w rozporządzeniu są związane z kompatybilnością elektromagnetyczną.
 

Uwagi o kompatybilności środowiskowej.
 

Falowniki w instalacjach PV w zależności od rodzaju i wielkości samej instalacji oraz wybranych przekształtników mogą być instalowane w bardzo różnych warunkach:

• w pomieszczeniach,
• w szafach sterowniczych lub kontenerach,
• bezpośrednio na zewnątrz (w tym na poziomie gruntu lub w okolicy paneli PV).

Ponadto w zależności od rodzaju instalacji mogą być one narażone na działanie w większym lub mniejszym stopniu czynników biologicznych, jak np. gryzonie.
Oczywiście zadaniem obudów różnego rodzaju (rysunek 3.) jest separacja falownika od warunków środowiska zewnętrznego, przy czym obudowa może być z inwerterem zintegrowana – tak dzieje się w przypadku mniejszych jednostek (mikroinwertery i falowniki autonomiczne gałęziowe lub centralne do zastosowań zewnętrznych lub falownik może być nieodporny na oddziaływania środowiskowe i przeznaczony do instalacji w pomieszczeniu o warunkach normalnych.
 
W wypadku stosowania na otwartej przestrzeni, trzeba oczywiście wziąć pod uwagę układy antykondensacyjne w obudowach i/lub wymienniki ciepła.
 

Podsumowanie i wnioski.
 

1. Chcąc zrealizować instalację fotowoltaiczną należy wykorzystać falownik lub falowniki optymalne dla danego rozwiązania (docelowego miejsca pracy instalacji, wielkości systemu, warunków otoczenia).
2. Należy spełnić wymagania zasadnicze UE wynikające również z miejsca docelowego zainstalowania.
3. Należy ściśle przestrzegać zaleceń producentów komponentów, aby ich użytkowanie było zgodne z przeznaczeniem.
4. Należy zwrócić baczną uwagę na jakość komponentów.