Микроинвертори за фотоволтаични системи

Преобразуването на постоянно напрежение в променливо с помощта на инвертори се използва отдавна в енергетиката. Масово съвременно приложение то намира във фотоволтаичните системи (PV System) поради необходимостта от преобразуване на постоянното напрежение, създавано от техните панели. Цената на добиваната от тях електроенергия е по-висока от тази на традиционните електрогенериращи мощности, но тенденцията е към изравняването им в обозримо бъдеще.

Класическото решение, прилагано при на РV системите - общ преобразувател за всички или за група панели, е утвърдено в практиката, но има и някои недостатъци, преодоляването на които се постига чрез използване на микроинвертори (Microinverter). Принципът на действието им е утвърден още през 90-те години на миналия век: всеки микроинвертор преобразува напрежението от един панел и се монтира до или в него, с което двете устройства образуват самостоятелен енергиен възел с мощност няколкостотин вата. Това съответства на концепцията за разпределено захранване (Distributed Power Management), при която енергията необходима за даден обект се генерира не от един, а от множество възли. В статията се разглеждат характерните особености на микроинверторите и реализираните с тях  РV системи.

Фото-волтаичните системи

Първата експериментална РV система е създадена през 1979 г., а понастоящем общата мощност на инсталираните в световен мащаб системи надхвърля 20 GW. Основните им блокове за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа под формата на постоянно напрежение са фотоволтаичните панели (Solar Panel, Solar Module), всеки от които съдържа n колони от последователно свързани клетки и m паралелно съединени колони. При напрежение U (около 0,5V) на една клетка и неин ток I, напрежението на всяка колона е nU при ток I, а токът на всички колони e mI.

Волтамперната характеристика (ВАХ) на панелите е дадена на фиг.1, като напрежението им е по абсцисата. С Ump и Imp са означени теоретичните стойности на напрежението и тока, при които панелът осигурява максимална мощност и които представляват оптималната работна точка MPP (Maximum Power Point). Положението на волтамперната характеристика зависи от интензитета на падащата върху панела светлина и нейното намаляване по някаква причина (заоблачаване, засенчване от околни предмети, замърсяване, смяна на ъгъла на падане на слънчевите лъчи върху панела, промяна на температурата му) води до изменение на положението на оптималната работна точка и съответно, до по-малък ток и мощност (долната ВАХ). При това токът на всяка колона се определя от най-слабо осветената й клетка, т.е. дори частично засенчване или замърсяване на панела води до значително понижаване на мощността му.

Една от базовите конфигурации на класическа РV система, т.нар. String Inverter, представлява група (String) от последователно свързани панели (фиг. 2а), при което общото им постоянно напрежение Uo обикновено е между 100 V и 1000 V и чрез централния инвертор INV (Central Inverter, String Inverter) се преобразува в променливо напрежение 220 V за непосредствено захранване на консуматори или доставяне на енергия в мрежата. Поради производствените толеранси на панелите токовете им Imp са различни и INV осигурява режим на работа, който е само близък до МРР и реално мощността се оказва по-малка с 5 до 25% в сравнение с работата на всички панели в МРР. За намаляване на този недостатък (осигуряване на различие около 5%) панелите трябва да са с максимално близки параметри и да са еднакво ориентирани (което понякога е проблем), но дори това да е реализирано, те стареят различно, с времето разликата в параметрите им нараства, а мощността съответно намалява.  Освен всичко това, ако интензитетът на светлината дори върху един от панелите е под определена стойност, цялата система престава да работи, тъй като напрежението на входа на INV намалява под минималната си стойност и той се изключва. Същото се наблюдава и при повреда на панел.

За увеличаване на мощността се свързват паралелно няколко групи панели (фиг. 2б), но това е свързано с допълнителния проблем, че и групите трябва да са с еднакви параметри и ориентирани по аналогичен начин. Върху значителните разходи за инсталирането на системите с централен инвертор (30-40% от цената й) влияние оказват и специфичните изисквания към проводниците от панелите към разположения на значително разстояние INV, както и необходимостта от изключващ блок (DC Disconnect) DCD. Не трябва да се забравят и важните мерки за безопасната работа на персонала при пускане на системите в експлоатация и при ремонта им (напрежението Uo е най-голямо при изключен INV, защото панелите остават на празен ход). Към това се прибавя трудното локализиране и смяна на повреден панел (контролният блок в INV следи само параметрите на системата като цяло, а не на панелите поотделно), който при това трябва да бъде заменен със същия тип – производителите трябва да подържат в рамките на експлоатационния срок (не по-малък от 20 години) наличност от всички произвеждани панели.

Споменатото осигуряване на работа в близост до МРР при различни експлоатационни условия се осигурява от вградена в INV система за поддържане на максимална мощност MPPT (MPP Tracking). Тя е по-ефективна във втората класическа конфигурация (Multi-String Inverter System), показана на фиг. 2в. В нея по-сложният INV осигурява максимална мощност поотделно на всяка група панели, а не на всички заедно. Към всичко казано дотук трябва да се прибавят по-малкият (около 2 пъти) експлоатационен срок от този на панелите, значителните размери, тегло и цена на повечето централни инвертори, дължащи се на голямата им мощност, както и необходимостта от охлаждане, съпроводено с неизбежния шум на вентилатора им. Не е за пренебрегване и обстоятелството, че около 70% от повредите в класическите РV системи се дължат на INV и че повредата му означава прекратяване на електрозахранването на всички свързани към него товари.

Друга особеност на класическите РV системи е уязвимостта им към електромагнитните полета, създавани от атмосферните пренапрежения (светкавици). Тя е обусловена от дългите проводници между панелите и INV, индуцираното напрежение в които може да достигне няколко kV. За предпазване от това във входа на INV задължително има блок за защита.

Същност на микроинверторите

Това са инвертори с типична мощност между 100 и 400 W с вход напрежение от един панел и изход с мрежово напрежение. Поради сравнително малката мощност естественото им охлаждане обикновено е достатъчно и те не се нуждаят от вграден вентилатор. Понастоящем техният експлоатационен срок е между 5 и 20 години (по-малък от този на фотоволтаичните панели) и по време на работата на системата може да се наложи замяна на микроинвертор. Специфична особеност на някои микроинвертори е, че не могат да работят самостоятелно, а трябва да са свързани към мрежата (което задължително е отбелязано в техническата им документация). Друга особеност е, че по-голямата част от тях са предназначени само за монофазни мрежи, а само някои – и за трифазни.

Типичен монтаж на микроинвертори и PV панели върху покрив на сграда е показано на фиг. 3а, а простото им свързване към електрическата мрежа – на фиг. 3б.

Основната разлика на микроинверторните системи от класическите, която е и предимство, е поддържането на МРРТ поотделно за всеки панел. Така дори при различни работни условия на панелите (например някои огрени от слънцето, а други в сянка) всеки осигурява максимално възможната си мощност и я отдава в мрежата. В съвременните микроинверторни системи реалната стойност на тази мощност е по-малка от теоретически максималната само с няколко десети от %. Към това съществено предимство се прибавят други, свързани с монтажа и експлоатацията. На първо място не е нужен подбор на панели с еднакви параметри, а и всеки от тях може да се монтира с различен наклон (а не всички панели в една равнина, както в класическите РV системи), за да се осигури по-добър ъгъл на падане на слънчевите лъчи и съответно по-голяма мощност. Панелите могат да се разполагат и на двата склона на покрива – например, сутрин голяма енергия осигуряват тези на източния склон, докато тези на западния дават малко или не работят. След обед ролите се разменят, т.е. през целия ден системата осигурява значителна енергия. Същият монтаж на панелите на класическа РV система ще дава и сутрин, и следобед малка енергия, а е възможно тя да не работи поради винаги малката осветеност на част от панелите. Това предимство води до отпадане на сегашното реално ограничение за монтаж на панелите само на южен склон.

Подобно е положението и с зависимостта на  максималната мощност на панелите от температурата. Всяка нейна промяна с 1 °С изменя в обратна посока напрежението им с няколко десети от %. Микроинверторите осигуряват работата на своя панел в МРР независимо от температурата му, което не е възможно в класическите РV системи. Аналогичен е проблемът със замърсяването на част от панелите – единственият ефект при микроинверторните системи е слабо намаляване на максималната доставяна мощност. Същевременно, повредата на панел не изключва цялата система, както е при класическите, а само намалява максималната мощност. Поради това ремонтът дори не е спешен, а може да се направи по време на периодичната профилактика на системата.

Чрез микроинверторите се избягва необходимостта от осигуряване на място за големия инвертор и отпадат споменатите неудобства при неговата експлоатация. Нещо повече, към съществуващата система винаги и практически без затруднения могат да бъдат прибавени нови панели за увеличаване на мощността й. Монтажът на микроинверторна система изглежда по-лесен и бърз, тъй като не съществуват споменатите особености на постояннотоковата връзка между панелите и централния инвертор. Свързването на микроинверторите към панелите е просто, тъй като тяхното напрежение обикновено е 20 - 40 V и не надхвърля 60 V. Независимо от това много производители предлагат към микроинверторите специални кабели със свързващи елементи за  допълнително ускоряване на монтажа и улесняване на ремонта.

Външното монтиране на микроинверторите ги прави по принцип по-уязвими към споменатите електромагнитни полета, предизвикани от атмосферни пренапрежения. От друга страна, свързващите проводници към панела са много по-къси и индуцираните в тях напрежения – по-малки. Поради това микроинверторите нямат сложните защити на централния инвертор в класическите РV системи и обикновено работата им се гарантира при импулсни напрежения на входа им до 6 kV.

Съществена особеност е, че обикновено конструкцията на микроинверторите не позволява ремонтирането им – при повреда те се заменят с нови.

Както всяко устройство, така и микроинверторите, имат недостатъци. Общият коефициент на полезно действие на микроинверторните системи е с няколко (обикновено 2-3) процента по-малък от този на класическите РV системи, а цената им е по-висока. Техният експлоатационен срок е определен на базата на теоретични изчисления и ускорени тестове, а не на основата на статистика от продължителна работа. Поради по-тежките работни условия, на микроинверторите е възможно да се получат неочаквани повреди. И не на последно място, микроинверторните системи засега не се използват за мощност над 6 kW на фаза.

Основни параметри на микроинверторите

Първата група се отнася до входа на микроинверторите и включва входната мощност (Recommended input power) със стойности най-често 200-300 W, максималното постоянно входно напрежение (Maximum DC input voltage) със стойности 50-80 V, границите на входното напрежение за работа на микроинвертора (Min./Max. start voltage) като долната е 20 V, а горната - 65 V при отношение на двете между 1,5 и 2 и максималния входен ток (Maximum input current) в границите 5 - 10 А. Те се използват за определяне към какви панели може да се свързва микроинверторът, въпреки че много производители препоръчват в каталога типовете панели и най-вече броя на клетките им.

Втората група параметри е свързана с изхода и включва номиналната стойност на изходното напрежение (220 V) и границите, в които то може да е (Nominal voltage/range), номиналния изходен ток (Nominal output current) между 0,7 и 1,8А, максималната изходна мощност (Maximum output power), която най-често е от 170 до 210 W и гарантираната минимална стойност на cosj (Power factor) типично над 0,95. Към тях се прибавя максималният брой микроинвертори, които могат да бъдат свързани към една фаза – типичните стойности са между 10 и 20. Именно това определя максималната мощност на микроинверторните РV системи, която за всяка фаза обикновено е между 2 и 6 kW. За повечето битови приложения това е достатъчно, а за по-големи мощности трябва да се използват класическите РV системи.

Последната група параметри се отнася за ефективността на работа на микроинверторите и включва максималния им коефициент на полезно действие (Peak inverter efficiency) - над 95% и номиналния МРРТ (Nominal MPP tracking), представляващ отношението в % на реално получената изходна мощност и тази при оптималната работна точка (типично около 99,5%).

Познатият от други устройства параметър средно време между повредите (Mean Time Between Failure) MTBF при микроинверторите има впечатляващите стойности над 300 години, което не е свързано с експлоатационния срок, а показва вероятността от възникване на повреда през времетраенето му – по-големият MTBF означава по-малка вероятност. За сравнение може да се спомене, че MTBF на инвертора в класическите РV системи е 10-15 години, този на твърдите дискове в персоналните компютри е около 60 години, а на слънчевите панели е над 600 години.

Оптимизирани преобразуватели

Структурата на реализираните на тяхна основа т.нар. оптимизирани РV системи е нещо средно между класическа и микроинверторна система с качества като последната. Най-простата блокова схема на оптимизирана РV система е дадена на фиг. 4. Изходното напрежение на всеки панел постъпва в намиращ се непосредствено до него понижаващо-повишаващ преобразувател на постоянно в постоянно напрежение (Power Box) PB с коефициент на полезно действие близък до 1, който осигурява работата на панела в МРР. Изходите на така получените модули (панел+преобразувател) се свързват последователно и сумата на напреженията им е с неизменна стойност, независимо от степента на осветяване на панелите. Тя се подава на INV, който извършва само преобразуване на постоянното напрежение в променливо и има по-проста структура, включително и заради неизменното си входно напрежение. Последно определя по-малка разсейвана мощност с всички предимства от това.

Действието на системата може да се изясни с един пример. Да речем, че тя съдържа 5 модула, всеки от които при максимално осветяване осигурява мощност 200 W и има напрежение Vpm = 32V. При това положение преобразувателите работят като повишаващи с изходно напрежение 40 V и ако имат коефициент на полезно действие 95%, изходната им мощност и ток са съответно 190 W и 4,75 А. Това означава обща мощност на системата 950 W и входно напрежение на инвертора 200 V. Когато един от панелите по независимо какви причини осигурява мощност 40 W, общата става 800 W, а изходният ток на модулите е 800 W / 200 V = 4 A. В резултат на това преобразувателят на модула с намалена мощност има изходно напрежение 40 W / 4 A = 10V вместо 40 V, т.е. вече работи като понижаващ. За запазване на общото напрежение от 200 V останалите четири трябва да осигурят по 47,5 V.

За получаване на големи мощности се използва видоизменена структура от няколко паралелно свързани групи от модули, аналогично на дадената на фиг. 2б.

Максималната изходна мощност на преобразувателите е в границите на 250-350 W и те работят с входно напрежение с долна граница около 30 V и горна между 60 и 100V. В зависимост от изходното си напрежение, могат да се разделят на две групи – при нисковолтовите преобразуватели то обикновено е 50-60 V, а при високоволтовите е 250-350 V.

Фотоволтаични системи с микроинвертори

РV системите с микроинвертори имат своите особености в изграждането и експлоатацията. Обикновено, производителите на микроинвертори дават в каталози или в специални приложения препоръки за реализацията на системите и тяхното свързване с електрозахранващата мрежа. За изясняване на основните принципи на свързване на фиг. 5 е дадена схема на еднофазна инсталация, като за простота са показани само два панела Р с микроконтролери MI. Реално, по-големият брой панели и микроинвертори са свързани по същия начин. Паралелно свързаните изводи Н на микроинверторите с мрежово напрежение преминават през задължителната клемна кутия (Junction Box) JB, монтирана обикновено в единия край на носещата конструкция на панелите или в непосредствена близост до тях.

Законодателството в много страни изисква поставянето и на изключвател (Disconnect Switch) DW в сградата преди свързването към неговата електрическа инсталация и съответно товарите L. Поставянето се препоръчва дори да не е задължително, за да може при нужда РV системата да се изключи от инсталацията на сградата по същия начин, както това се прави чрез таблото Т за прекъсване на връзката с външната електрическа мрежа. Препоръчва се DW да съдържа автоматични предпазители с ток на задействане с 25% по-голям от максималния на РV системата. Не е маловажен и въпросът за сечението на проводниците между JB и DW, което трябва да съответства на доставяната мощност от системата. Самата РV система е свързана към съществуващата електрическа инсталация в сградата, а тя от своя страна през главното табло Т и електромера ЕМ – към външната мрежа. Електромерът трябва да може да отчита не само консумираната от електрическата мрежа енергия, но и доставяната в нея от РV системата. Последното е особено характерно за топли слънчеви дни, когато са включени малко консуматори. Един от мрежовите проводници L1 и L2 е “нулата”, а N е изискваният допълнителен проводник за корпусите на уредите. От схемата се вижда, че корпусите на микроинверторите N са съединени с проводник, а друг е използван за корпусите на панелите, като двата са свързани в таблото към допълнителния мрежов проводник. В зависимост от структурата на електрическата мрежа, в някои страни вместо този проводник се използва “нулата” на мрежата.

Свързването на трифазна електрическа мрежа е аналогично, но е необходимо използване на подходящи микроинвертори.

При монтажа на панелите с микроинверторите върху покрив е важно не само осигуряването на достатъчна механична здравина, но и достатъчно охлаждане на микроинверторите. На фиг. 6 е показано схематично разположението на елементите спрямо покрива заедно с разстоянието между него и долния край на панелите и означенията на температурите. Усреднените статистически данни от измерванията им за микроинвертор с мощност 120 W показват, че при температура на въздуха около панела 40°С, тази на покрива е tr=64°С и на повърхността на панелите е tР=52°С, а тази на въздуха под микроинверторите е tAm=44°С. Последната температура е малко по-висока от околната, което показва, че реално няма опасност от прегряване на микроинверторите при разстояние между панелите и покрива над 10 cm.

Все по-често в микроинверторните системи се осигурява възможност за контрол на получената от всеки инвертор енергия и на състоянието му, което позволява постоянна диагностика и своевременен ремонт. Идея за структурата на подобна система е дадена на фиг. 7а. Комуникационният модул ECG се поставя в който и да е контакт на електрическата мрежа и през определени интервали от време (5 - 15 минути) получава по нея данни от микроконверторите за моментната им мощност и доставената в интервала енергия, които се изписват на дисплея му. Модулът има IP адрес и по локална мрежа предава тези данни и такива за състоянието на микроинверторите и панелите към рутера (Router), а оттам - в уеб сървъра (Web) на доставчика. Така чрез интернет достъп до него (например от персоналния компютър в жилището) могат да се получат подробни данни за работата на системата, анализ и съобщения (e-mail) за функционални грешки и повреди. Без интернет връзка данните могат да се получат и непосредствено от РС. Пример за изписваната информация на екрана на последния е даден на фиг. 7б – на горния ред мощността на системата от последното отчитане, енергията за деня, за месеца и общата от началото на работата на системата. В средата е разположението на панелите, като цветът на всеки съответства на осигуряваната от него мощност. Могат да се получат сведения и за спестеното от системата количество въглероден двуокис, който би бил отделен при производство на електроенергията от ТЕЦ, както и графикът на доставяната електроенергия в определен период от време – като пример на фиг. 7в е дадена среднодневната й стойност за времето от 15.09 до 15.11.

Модулът ECG в една конкретна реализация може да следи работата на 250 микроинвертора, като при по-голям брой се налага добавяне към системата на комуникационен филтър, който последователно извлича данните от групите от по 250 (или по-малко) микроинвертори.

Описаната система за контрол не е единствената. Обикновено производителите на микроинвертори създават свои системи с практически същия принцип на действие и различия само в някои подробности. Полезно е да се прибави, че някои системи дават информация за свален панел или микроинвертор, например при кражба.

Променливотокови модули и системи с тях

Променливотоковият модул (AC PV Module) е фотоволтаичен панел с вграден (микро)инвертор и реално представлява самостоятелна РV система, на чийто единствен изход има мрежово напрежение. Това дава основание на производителите им да ги обозначават като Plug-and-Play – улесненият им монтаж се състои в закрепването на подходящо място и директно свързване към електрозахранващата мрежа, а разходите по него са по-малки в сравнение с описаните по-горе микроинверторни системи. Пример за конструкцията на променливотоков модул е даден на фиг. 8. Първото очевидно предимство на модулите е възможността за съгласуване в производствени условия на инвертора с панела, което осигурява работа още по-близо до оптималната работна точка. Модулите могат да се свързват паралелно, подобно на обикновените микроинвертори, но без каквито и да ограничения за броя им, т.е. по принцип може да се осигури произволна мощност. Различия в случая са допълнителните функции на микроинвертора за следене на работния режим на панела, например температурата му, промяната на параметрите с времето и наличието на сняг върху него, с което РV системата става още по-“интелигентна”. Типичните стойности на изходната мощност са около 200 W при входно напрежение между 20 и 60V, а cosj е над 0,99. Експлоатационният срок на променливотоковите модули е 25-30 години, типичният гаранционен срок е 15 години, а уязвимостта към индуцирани електромагнитни полета е сведена за минимум.

За променливотоковите модули също са създадени системи за дистанционен контрол с подобно действие през сървър на доставчика.