EN
Instalatér solárních systémů v jižní Evropě nasadil střešní fotovoltaický systém o výkonu 100 kW, avšak zjistil, že invertor omezuje výstup na 82 kW v hodinách maximálního slunečního svitu. Příliš malý invertor tak plýtvá téměř 20 procenty potenciálního výkonu celého pole – chyba, kterou by bylo možné předejít pochopením procesu převodu stejnosměrného proudu (DC) na střídavý proud (AC) a správným přizpůsobením kapacity invertoru charakteristikám fotovoltaického pole. Invertor je inteligentním centrem každé fotovoltaické instalace a jeho technologie převodu rozhoduje o tom, kolik sluneční energie zachycené panely skutečně dorazí do elektrické sítě budovy nebo do veřejné distribuční sítě.
Proces převodu stejnosměrného proudu (DC) na střídavý proud (AC)
Sledování maximálního výkonu
Fotovoltaické panely vyrábějí stejnosměrný proud (DC) napětím a proudem, jejichž hodnoty se neustále mění v závislosti na intenzitě slunečního záření a teplotě článků. Pro každou danou kombinaci podmínek existuje jediný provozní bod – tzv. bod maximálního výkonu – kde je součin napětí a proudu maximální. Algoritmus sledování bodu maximálního výkonu (MPPT), který je integrován do řídicího systému střídače, neustále upravuje vstupní impedanci, kterou vidí fotovoltaické pole, aby bylo dosaženo tohoto optimálního bodu. Nejrozšířenějším MPPT algoritmem je metoda „rušení a pozorování“ (perturb-and-observe): řídicí jednotka provede malou úpravu provozního napětí, změří, zda se výstupní výkon zvýšil nebo snížil, a posune se směrem, který vedl ke zlepšení. Moderní řetězcové střídače obsahují několik nezávislých MPPT kanálů, přičemž každý je připojen k samostatnému řetězci fotovoltaických modulů – tato architektura zabrání tomu, aby stínění jednoho řetězce snížilo výkon nezastíněných řetězců, které sdílejí stejný MPPT kanál. Účinnost MPPT – tj. procento výkonu dostupného z fotovoltaického pole, které algoritmus skutečně zachytí – obvykle přesahuje 99 % u dobře navržených systémů za stabilních podmínek slunečního záření.
Přepínání napájení a generování průběhu
Stejnosměrný výkon zachycený ve stupni MPPT prochází do stupně převodu výkonu střídače, kde polovodičové spínače – obvykle izolované tranzistory s řízeným hradlem a napěťovým vyhodnocením 600 až 1 200 V – převádějí vstupní stejnosměrný proud na pulzní výstup, který přibližně napodobuje sinusový střídavý průběh. Řízení posloupnosti spínání zajišťuje modulace šířky pulsů: změnou šířky každého napěťového pulsu podle referenční sinusové vlny se průměrné výstupní napětí v každém bodě periody shoduje s požadovanou sinusovou hodnotou. Frekvence spínání, která u moderních střídačů činí obvykle 16 až 20 kHz, je dostatečně vysoká, aby výstupní filtr – tvořený kombinací cívek a kondenzátorů – mohl pulzní průběh vyhladit na čistou sinusovou vlnu s celkovým zkreslením harmonických složek pod 3 %. Tato filtrační fáze je kritická, protože nadměrný obsah harmonických složek ve výstupu střídače může způsobit přehřívání připojených motorů, rušení citlivé elektroniky a odmítnutí připojení k síti ochrannými relé, pokud střídač dodává výkon do veřejné sítě.
Synchronizace se sítí a možnosti transformátoru
Invertory připojené k síti musí synchronizovat své výstupní napětí, frekvenci a úhel fáze s napájecí sítí ještě před připojením. Řídicí systém invertoru sleduje napětí sítě prostřednictvím snímacích obvodů a upravuje spínací vzor tak, aby odpovídal požadovaným tolerancím – obvykle ±0,1 Hz pro frekvenci a několik stupňů pro úhel fáze. Invertory s transformátorem používají nízkofrekvenční transformátor k zajištění galvanické izolace mezi stejnosměrnou a střídavou stranou, čímž poskytují přirozenou ochranu proti vniknutí stejnosměrného proudu do sítě a zjednodušují návrh uzemňovacího systému. Transformátorové invertory eliminují železné jádro transformátoru, čímž snižují hmotnost, fyzické rozměry a náklady a zvyšují účinnost přeměny o 1 až 2 procenta. Kompenzací je to, že transformátorové konstrukce vyžadují sofistikovanější obvody pro detekci a potlačení unikajícího stejnosměrného proudu, aby splnily normy pro připojení k síti, a obvykle jsou omezeny na nepřipojené ke zemi konfigurace fotovoltaických polí, aby se zabránilo kapacitním unikacím přes rámy panelů ke zemi.
Účinnost a environmentální faktory
Moderní špičková účinnost invertorů dosahuje za optimálních podmínek 97 až 99 procent, avšak evropské hodnocení účinnosti – vážený průměr odrážející skutečné provozní podmínky – poskytuje realističtější ukazatel výkonu. Vzorec evropské účinnosti přiřazuje různé váhy účinnosti přeměny při různých zátěžích: 3procentní váha při zátěži 5 procent, 6 procent při zátěži 10 procent, 13 procent při zátěži 20 procent a postupně vyšší váhy až po plnou zátěž, což odráží skutečné rozložení provozních podmínek během typického slunečního dne. Účinnost klesá při nízké zátěži, protože vnitřní spotřeba energie invertoru – pro řídicí elektroniku, chladicí ventilátory a ztráty spínání – se stává významnou ve srovnání s přenášeným výkonem. Výběr invertoru vhodné velikosti, aby se typický provozní rozsah fotovoltaického pole nacházel v pásmu špičkové účinnosti invertoru – obvykle mezi 30 až 70 procenty jmenovitého výkonu – maximalizuje roční energetický výnos.
Často kladené otázky
Jaký je rozdíl mezi řetězcovými a mikroinvertory?
Řetězcové invertory spojují několik fotovoltaických modulů do série s jedním invertorem, obvykle s výkonem 1 až 100 kW. Mikroinvertory mají na každém jednotlivém modulu jeden malý inverter, který převádí stejnosměrný proud (DC) na střídavý proud (AC) přímo na úrovni panelu. Mikroinvertory eliminují riziko poruchy v jediném bodě a snižují ztráty způsobené stíněním, avšak jejich cena za nainstalovaný watt je vyšší.
Jak se funkce MPPT vyrovnává s rychle se měnícími podmínkami způsobenými oblačností?
Pokročilé algoritmy MPPT zahrnují prediktivní sledování, které předvídat změny intenzity ozáření na základě nedávných trendů výkonu místo slepého rušení a pozorování. V podmínkách částečné oblačnosti, kdy se intenzita ozáření může za několik sekund změnit o 50 procent, tyto algoritmy udržují přesnost sledování nad 98 procent.
Proč požadují síťové normy, aby měly invertory ochranu proti ostrovnímu provozu?
Ochrana proti anti-islanding zajistí, že střídač během dvou sekund po výpadku veřejné sítě odpojí fotovoltaický systém od sítě, čímž zabrání tomu, aby systém napájel úsek sítě, který pracovníci veřejné sítě považují za beznapěťový. Jedná se o povinný bezpečnostní požadavek všech norem pro připojení k síti, včetně IEEE 1547 a IEC 62116.
Co způsobuje ořez výkonu střídače (clipping) a jak se mu lze vyhnout?
Ořez výkonu (clipping) nastává, pokud je vstupní stejnosměrný výkon z fotovoltaického pole vyšší než maximální střídavý výkon střídače. Střídač omezuje svůj výstup na svou jmenovitou kapacitu a nadbytečnou energii zahazuje. Správné dimenzování spočívá v přizpůsobení špičkového stejnosměrného výkonu pole – obvykle 1,1 až 1,3násobku jmenovitého střídavého výkonu střídače – kapacitě střídače; přijímá se mírný ořez výkonu za vzácných špičkových podmínek, aby nedošlo k nadměrnému zvětšení střídače.
Jak ovlivňuje teplota okolí výkon střídače?
Účinnost střídače klesá s rostoucí teplotou vnitřních komponent a střídače obvykle snižují výstupní výkon, pokud překročí teplota okolí rozmezí 40 až 45 °C. Umístění střídačů ve stíněných a dobře větraných lokalitách namísto přímého slunečního světla na střechách může snížit provozní teplotu o 10 až 15 °C a zvýšit roční energetický výnos o 2 až 4 procent.
Mohou střídače poskytovat síti podporu jalovým výkonem?
Moderní síťově propojené střídače jsou schopny pracovat s účiníkem jiným než jednotkovým a vpravovat do sítě nebo z ní odebírat jalový výkon podle pokynů provozovatele sítě nebo řídícího zařízení lokality. Tato funkce, která je vyžadována aktualizovanými síťovými předpisy v mnoha jurisdikcích, umožňuje fotovoltaickým systémům přispívat k regulaci napětí v síti místo pouhého exportu činného výkonu.