Przetwornice napięcia


Przetwornice napięcia (przemienniki częstotliwości, falowniki), są używane do zamiany napięcia stałego na napięcie zmienne 230 V lub 400 V. Parametrem charakterystycznym tego urządzenia jest wielkość napięcia i prądu wejściowego (DC), 259 wielkość napięcia i prądu po stronie wyjściowej (AC), moc znamionowa i szczytowa, zakres temperaturowy jego pracy. Efektywność przetwarzania energii przez falownik – definiuje się jako stosunek mocy wyjścia (napięcie przemienne AC), do mocy wejścia – od strony PV, napięcie stałe DC. Straty mocy w przetwornicy wynoszą do ok. 5% (przy pracy w warunkach znamionowych). Moc falowników zawiera się w granicach od kilku watów do setek kilowatów. W praktyce do sieci jednofazowej przyłączane są falowniki do mocy 5 kW, powyżej pracują w układach trójfazowych. Falownik pracujący na sieć wydzieloną (Zakładu Energetycznego) automatycznie synchronizuje się z siecią, posiada układy elektroniczne odcinające go od sieci w razie zaniku napięcia w niej. Do obliczeń projektowych zakłada się obciążenie znamionowe falownika na poziomie 80% mocy znamionowej baterii fotoogniw. W celu poprawy efektywności pracy falownika instalację fotowoltaiczną projektuje się w ten sposób, aby zasilała ona falownik napięciem w dolnych granicach napięć pracy falownika. Wymagania ogólne dotyczące parametrów pracy falowników: – stała częstotliwość i amplituda; – niskie zniekształcenia przebiegu napięcia i prądu po stronie AC (wyższe harmoniczne <5%, wartości pierwszej harmonicznej); – odpowiednie cosφ – dla obciążeń indukcyjnych +0,8, pojemnościowych –0,8; – zgodność z PN-EN 50438:2010. Podział falowników ze względu na rodzaj budowy: 1. Elektroniczne. 2. Transformatorowe. Zaletą konstrukcji falowników pracujących na bazie transformatora jest: – galwaniczna izolacja uzwojeń; – możliwość uziemienia bieguna ujemnego lub dodatniego modułu fotowoltaiczne- go (DC); – kompaktowa budowa; – wysoka sprawność; – bezpieczeństwo poprzez rozdział galwaniczny. Wady: – wyższa cena niż falowników elektronicznych; – technicznie skomplikowany; – wyższa waga niż falowników elektronicznych tej samej mocy.

Falowniki transformatorowe zapewnią łatwy montaż, najwyższy stopnień wydajności oraz bezproblemowe działanie z każdym typem modułów fotowoltaicznych w szczególności z modułami cienkowarstwowymi i wymagających specjalnego uziemienia. Osiągają one znakomitą wydajność sięgającą do 96%. Instalacja tych urządzeń i ich obsługa jest stosunkowo prosta. Wszystkie wymagane przyłącza są zlokalizowane na jednej płytce drukowanej, znajdującej się w obudowie falownika i z łatwością można podłączyć wszystkie wymagane kable. Wyłącznik strony DC to standard w każdym falowniku tego typu. Za pomocą falowników tego typu, można zbudować kolejną instalację PV. Po- siadają najczęściej fabrycznie wgrane oprogramowanie, zna wszystkie wymagania dotyczące parametrów sieci. To pomaga szybko i łatwo podłączyć instalację PV do sieci. Szeroki zakres napięcia wejściowego tych urządzeń pozwala na elastyczne planowanie instalacji PV, tam gdzie beztransformatorowe jednostki są wykluczone. W ofercie wraz z falownikiem producenci proponują zakup zestawu uziemiające- go generator fotowoltaiczny. Należy zaznaczyć, że cienkowarstwowe moduły często wymagają uziemienia paneli dla długiego okresu użytkowania. Ponadto falowniki mogą wyświetlać stan uziemienia generatora fotowoltaicznego – wyjątkowo ważne informacje dla bezpiecznego użytkowania modułów cienkowarstwowych. Moce tego typu falowników oscylują w granicach od 1 do 5 kW. Falowniki elektroniczne nie posiadają izolacji galwanicznej między obwodami DC (prąd stały), a obwodami prądu przemiennego (AC).

Zalety:

– kompaktowy;

– lekki; – wysoka sprawność;

– niższa cena niż falowników transformatorowych tej samej mocy.

Wady:

– konieczne dodatkowe zabezpieczenia – brak galwanicznego rozdziału.

 

Inwerter w instalacji fotowoltaicznej

Falowniki zależnie do sposobu pracy dzielą się na dwie zasadnicze grupy: Wyspowe: – „off-grid” – pracują niezależnie od zewnętrznej sieci energetycznej i tym samym wymagają budowy instalacji tzw. wyspowych (odseparowanych od zewnętrznej sieci energetycznej). Nie synchronizują się z siecią przez co nie mogą oddawać energii do sieci. Mogą ładować akumulatory i kontrolują ich pracę. Zasilają urządzenia AC w budynku korzystając z energii z paneli PV jak i akumulatorów. Sieciowe: – „on-grid” – pracują w powiązaniu z siecią energetyczną, stale dopasowując pod- stawowe parametry pracy (amplituda, faza oraz częstotliwość napięcia) do para- metrów sieci energetycznej. Synchronizują się z siecią i mogą oddawać energię do sieci. Nie ładują akumulatorów. W przypadku zaniku napięcia w sieci energetycznej następuje automatyczne wy- łączenie inwertera. Mikroinstalacje pracują na sieć niskiego napięcia – 0,4 kV.

 

Kolejny podział falowników:

Mikrofalowniki – współpracują z jednym panelem PV. Mają moc ok. 250 W.

Falowniki stringowe – współpracują z łańcuchami paneli PV. Mają moc od 1 do 15 kW.

Centralne – współpracują z farmami PV. Mają moc od 100 kW do 1 MW.

 

Moc falownika zależy od mocy planowanej instalacji fotowoltaicznej i w przypadku małych instalacji do ok. 5 kW instaluje się jeden inwerter o mocy zbliżonej do mocy znamionowej instalacji. W przypadku instalacji większych montuje się kilka inwerterów, gdyż: – przy większej liczbie inwerterów zmniejsza się ryzyko wyłączenia instalacji pod- czas uszkodzenia jednego z nich; – istnieje możliwość lepszego porównania wydajności poszczególnych inwerterów i stwierdzenia ewentualnej nieprawidłowości ich pracy. Jednym z ważniejszych kryteriów oceny inwertera jest jego sprawność, która dla inwerterów osiąga wartość ok. 98%. Również istotnym kryterium oceny inwertera jest jego dobór pod względem optymalnego wykorzystania jego parametrów pracy (należy zaznaczyć, że sprawność inwerterów spada wraz ze spadkiem poziomu wy- korzystania jego mocy). Dlatego nie należy instalować inwerterów o mocy znacz- nie przekraczającej moc szczytową instalacji fotowoltaicznej, ponieważ będą one pracowały z niższą sprawnością. Optymalne warunki pracy falownika rozpoczynają się od ok. 0,8 wartości jego mocy znamionowej. Wśród istotnych kryteriów wyboru inwertera należy wymienić: – okres gwarancji – minimalny okres gwarancji wynosi 2 lata; – parametry elektryczne – zakres napięcia wejścia, zakres prądu wejścia, napięcie i prąd wyjścia należy dopasować do parametrów modułu fotowoltaicznego; – klasę ochronności falownika – instalowane na zewnątrz powinny być klasy IP54 do IP65; – rodzaj inwertera – z transformatorem lub z układem elektronicznym, przy czym przy transformatorach rdzeniowych występują straty dlatego też najczęściej w sprzedaży dostępne są falowniki o konstrukcji elektronicznej; – budowę inwertera: zintegrowany z modułem fotowoltaicznym o mocy do 1 kW; – w wykonaniu do podłączenia ciągów modułów o mocy do 50 kW; – pracujące jako jednostki centralne i posiadające najczęściej moc powyżej 100 kW; – liczba wejść po stronie DC – przy inwerterach do 100 kW najczęściej są to 2 lub 3 wejścia, każdy łańcuch modułów powinien posiadać takie same parametry elektryczne (prąd, napięcie); – w przypadku podłączenia do inwertera łańcucha modułów, które mogą być zasłaniane przez obiekty zewnętrze, należy je podłączyć do oddzielnego falownika; – możliwości serwisowania, napraw gwarancyjnych i pogwarancyjnych oraz ewentualnej wymiany falownika. Miejsce montażu inwertera należy tak dobrać, aby znajdował się możliwie blisko instalacji fotowoltaicznej, w celu obniżenia strat elektrycznych i był chroniony od deszczu, śniegu. Ze względu na generowanie szumu podczas pracy inwertera należy instalować go z dala od pomieszczeń mieszkalnych. Z uwagi na możliwość chłodzenia inwertera, powinny one być zlokalizowane w miejscach chłodnych i wolnych od kurzu. Zabezpieczenia temperaturowe inwerterów często powodują ich wyłączenie przy przekroczeniu wartości temperatury, wynoszącej ok. 70°C. Należy wskazać, że wraz ze wzrostem temperatury pracy inwertera spada jego wydajność oraz żywotność.