System Master

rynek prezentacje
Maksymalny uzysk
Modularny system Fronius Mix™
Falowniki pracują najlepiej, gdy są silnie obciążone. Kiedy natężenie promieniowania
słonecznego jest bardzo małe, straty są relatywnie wysokie. Z jednej strony, jest to spowodowane wykorzystaniem energii przez sam falownik, który zużywa procentowo tym
więcej energii, im mniej jej produkuje. Z drugiej strony, straty energii są też spowodowane stratami łączeniowymi (przełączaniem tranzystorów), które są istotniejsze przy
niskich poziomach mocy wyjściowej.
N
iektórzy producenci falowników wybrali niżej omówiony
tryb pracy master-slave, ponieważ falowniki często pracują przy częściowym obciążeniu. Ulepszona wersja tego sposobu pracy, system Fronius MIXTM, jest wolna od wad koncepcji
master-slave i została dotychczas zastosowana w falownikach Fronius IG, Fronius IG Plus oraz Fronius CL.
Koncepcja pracy w trybie master-slave
Klasyczna koncepcja trybu master-slave polega na tym, że
w systemach składających się z dwóch lub więcej falowników
jeden z nich jest wyznaczany jako stały master. Jest on odpowiedzialny za kontrolę urządzeń slave, a więc za zarządzanie całym
systemem. Zaczyna on pracę rano i wraz ze wzrastającym natężeniem promieniowania słonecznego oraz w miarę potrzeb uruchamia kolejne falowniki typu slave. W dni pochmurne lub zimą
falownik master może pracować sam, zaś falowniki slave pozostają
wyłączone.
Ten tryb pracy oznacza, że liczba przepracowanych godzin
falownika master szybko staje się znacznie większa niż falowników slave. W porównaniu z falownikami, które nie pracują w trybie master-slave, falownik master pracuje dużo dłużej pod pełnym obciążeniem, co powoduje większe zużycie jego komponentów. Ze statystycznego punktu widzenia oznacza to oczywiście,
że prawdopodobieństwo wystąpienia awarii falownika master jest
większe niż normalnych falowników oraz dużo większe niż falowników pracujących jako slave. Jest to szczególnie niekorzystne ze
względu na to, że gdy falownik master przestanie działać, nie pracują również falowniki slave, ponieważ, jak wspomniano, falownik master jest odpowiedzialny za zarządzanie falownikami slave
i włączanie ich.
Rezultatem takiej pracy jest stosunkowo wysokie prawdopodobieństwo awarii falownika master oraz, w przypadku jego awarii, zatrzymanie pracy całego systemu. Może to skutkować kłopotliwymi spadkami uzysku energii, zwłaszcza w dużych systemach PV.
Podstawy: MIXTM system
System MIXTM to rozszerzenie koncepcji master-slave, które
posiada takie same zalety, jeśli chodzi o sprawność przy częściowym obciążeniu, jest zaś pozbawione wad związanych z rozłożeniem godzin pracy i awariami.
Nazwa „Master Inverter X-change” (MIXTM – zamiana falownika master) w ogólnych zarysach wyjaśnia sposób pracy sys-
magazyn fotowoltaika 3/2012
Thomas Mühlberger,
Fronius International GmbH
temu: jeden falownik/układ przekształcający (master) jest odpowiedzialny za koordynację i kontroluje uruchamianie pozostałych falowników/układów przekształcających (Fronius rozwinął
tę zasadę, umożliwiając połączenie do 15 układów przekształcających – ang. power stacks). Oprogramowanie sterujące przydziela
rolę mastera naprzemiennie kolejnym falownikom/układom
przekształcającym. Metoda podziału pracy redukuje liczbę godzin
pracy pojedynczych falowników oraz zwiększa uzyski w sytuacji
częściowego obciążenia.
Oto, jak ta metoda działa w szczegółach: wszystkie falowniki są zasadniczo równoważne i każdy może przejąć funkcję
zarówno falownika master, jak i slave. Każdy falownik jest wyposażony w licznik godzin pracy. Za każdym razem, gdy falownik jest restartowany (zwykle codziennie rano), oprogramowanie sterujące sprawdza, który układ przełączający przepracował
najmniejszą liczbę godzin, i przydziela mu rolę mastera na dany
dzień. Gdy tylko moc z przyłączonych modułów PV przekracza
określony poziom zależny od nominalnej mocy wyjściowej falownika, master uruchamia falowniki slave. Liczba przepracowanych
godzin jest sprawdzana ponownie następnego dnia rano i w zależności od niej inny falownik jest wyznaczany na mastera. Jeśli chodzi o stabilność, system ten ustanawia więc najwyższe standardy.
Jeżeli dojdzie do awarii falownika master, slave może przejąć jego
rolę i system może dalej oddawać energię elektryczną. Innymi
słowy, gdy master ma awarię, spadku uzysku energii z systemu
nie ma lub jest on niewielki. Jeśli awaria ma miejsce w godzinach
popołudniowych, w dni pochmurne lub zimą, falowniki, które nie
mają awarii, mogą wykonać całą pracę tak, że żadna kilowatogodzina nie jest tracona.
Szczegóły systemu MIXTM
Podział pracy oszczędza czas
Tabela 1 pokazuje liczbę godzin pracy zaoszczędzoną przez
falownik lub poszczególne układy przekształcające dzięki zastosowaniu systemu MIXTM. W tym przykładzie posłużono się falownikiem Fronius IG Plus 100 z 2 układami przekształcającymi, Fronius IG Plus 150 z 3 układami przekształcającymi oraz Fronius
CL 60.0 z 15 układami przekształcającymi. W pierwszej kolumnie (całkowity czas pracy falownika) zawarta jest informacja, ile
godzin dany falownik pracował w danym miesiącu. W drugiej
kolumnie pokazano średni czas pracy układu przekształcającego
w przypadku 2, 3 i 15 układów.
41
rynek prezentacje
Tabela 1. Zaoszczędzone godziny pracy układów przekształcających dzięki koncepcji MIXTM
Współczynnik MIXTM średni
Liczba zaoszczędzonych
Całkowity czas pracy
Średni czas pracy układu
czas pracy zaoszczędzony/ godzin pracy/ układ przekszt.
falownika [h]
przekształcającego [h]
jeden układ przekszt. [%]
[h]
Miesiąc
Liczba układów przekształcających
Grudzień
Lipiec
Średnia wartość z 12 miesięcy
241
469
357
2
3
15
2
3
15
2
3
15
139
334
234
109
299
201
71
265
166
42
29
34
55
36
44
71
43
53
102
135
123
132
170
156
170
204
191
W typowym miesiącu letnim, takim jak lipiec, godziny pracy
falownika wzrosły do 469. Układ przekształcający pracował średnio przez 334 godziny (2 układy), 299 (3 układy) i 265 godzin (15
układów). W czasie tego miesiąca o wysokim nasłonecznieniu,
współczynnik MIXTM wyniósł 29% dla dwóch układów i do 43%
dla 15 układów. W najlepszym przypadku współczynnik MIXTM
może osiągnąć wartość 50% dla dwóch układów przekształcających, 66% dla trzech układów i do 93% dla 15 układów – w sytuacji,
gdy tylko jeden układ pracuje każdego dnia, zaś drugi (i kolejne)
nie są w ogóle włączane. Średni odsetek zaoszczędzonych godzin
pracy osiąga jednak wartość 34–53% (2–15 układów).
Na wykresie 1 pokazano liczbę godzin pracy układu przekształcającego po 20 latach użytkowania. Odpowiada to w przybliżeniu 13 latom
pracy w przypadku dwóch układów, ok. 11 latom dla trzech układów
oraz ok. 9 latom dla 15 układów. Inaczej mówiąc, układy przekształcające starzeją się wolniej, gdy pracują w systemie MIXTM, gdzie 20-letni
falownik jest zużyty tak, jakby pracował 13 lat lub mniej.
Większa sprawność przy częściowym obciążeniu generuje
większe uzyski
W porównaniu z falownikiem z tylko jednym układem przekształcającym falownik Fronius CL 60.0 z 15 układami przekształcającymi pozwoli na osiągnięcie znacznie większego uzysku energii dzięki większej sprawności przy częściowym obciążeniu. Jeśli
policzymy średnią miesięczną wartość w ciągu roku, ten dodatkowy uzysk wyniesie 0,6%. Może on jednak wynieść 1,7% zimą,
a nawet osiągnąć 8% w czasie dni pochmurnych.
Miesięczny rozkład dla jednego roku pokazany jest na wykresie
2. Kwiecień 2009 r. był ponadprzeciętnym miesiącem, jeśli chodzi
o dodatkowy uzysk, ponieważ wartość tego uzysku wynosiła 0,2%
(lokalizacja: Sattledt, Austria, długość geograficzna 14°E, szero-
W typowym miesiącu zimowym, takim jak grudzień, falownik
pracował 241 godzin. Ten czas jest podzielony pomiędzy 2, 3 lub 15
układów przekształcających, z których każdy przepracował odpowiednio zaledwie 139, 109 lub 71 godzin. Z powodu stosunkowo
małego nasłonecznienia poszczególne układy przekształcające były
włączane pojedynczo. W przypadku Froniusa CL należy pamiętać, że falowniki tego typu są zawsze połączone w bloki po 3, jeśli
jest więcej niż 3 układy przekształcające. Udział procentowy czasu,
w którym układ przekształcający nie musiał pracować, jest podany
jako współczynnik MIXTM (do 70% w przypadku 15 układów).
20
20
Lata
15
13
11
10
9
5
0
85 000 h
56 000 h
48 000 h
40 000 h
1LT
2LT
3LT
15LT
Wykres 1. Godziny pracy na układ przekształcający (power stack) przy zastosowaniu koncepcji MIXTM
2,00
1,44
1,42
1,30
1,25
1,02
1,00
0,89
0,75
0,55
Październik
0,30
Wrzesień
Lipiec
Czerwiec
Marzec
Luty
Styczeń
Maj
0,21
0,25
0,00
0,52
0,38
Sierpień
0,40
0,50
Kwiecień
Dodatkowy uzysk [%]
1,50
Grudzień
1,68
Listopad
1,75
Wykres 2. Dodatkowy uzysk dzięki większej sprawności przy częściowym obciążeniu falownika
42
magazyn fotowoltaika 3/2012
rynek prezentacje
Tabela 2. Straty uzysku energii z powodu niższej dyspozycyjności falowników konwencjonalnych (niewykorzystujących MIXTM)
Czas niesprawności
Straty uzysku rocznie [kWh]
Straty uzysku rocznie [%]
[liczba dni w roku]
zima
średnia
lato
zima
średnia
lato
2
500
1500
3000
0,3
0,8
1,5
3
750
2250
4500
0,4
1,1
2,3
4
1000
3000
6000
0,5
1,5
3,0
5
1250
3750
7500
0,6
1,9
3,8
6
1500
4500
9000
0,8
2,3
4,5
7
1750
5250
10500
0,9
2,6
5,3
8
2000
6000
12000
1,0
3,0
6,0
9
2250
6750
13500
1,1
3,4
6,8
10
2500
7500
15000
1,3
3,8
7,5
kość: 48°N; porównywalne do Seattle, WA, USA).
Wykres 3 pokazuje typowy dzień zimowy. Można zauważyć
wyraźnie wyższą moc wyjściową w ciągu całego dnia. Zostało to
osiągnięte dzięki wyższej sprawności przy częściowym obciążeniu wskutek zastosowania koncepcji MIXTM oraz dzięki niższemu
zapotrzebowaniu na moc. Fronius CL zapewnia do 1,5 godziny
dłuższą produkcję energii elektrycznej w ciągu dnia niż konwen-
cjonalny falownik. Jest to spowodowane rozpoczęciem oddawania energii do sieci przez Fronius CL ok. 40 min wcześniej rano
i ok. 50 min dłużej wieczorem dzięki większej sprawności przy
częściowym obciążeniu.
Wyższa sprawność przy częściowym obciążeniu skutkuje
znacznie większym uzyskiem energii, co jest doskonale widoczne
na poniższym wykresie sprawności w funkcji obciążenia. Na
70
Nominalna moc wyjściowa [%]
60
50
40
30
Fronius CL z 15 układami przekształcającymi
Konwencjonalny falownik
20
10
0
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
Czas
Wykres 3. Wyższa moc wyjściowa z powodu większej sprawności przy częściowym obciążeniu falownika
100
Sprawność [%]
95
90
Fronius CL z 15 układami przekształcającymi
85
Konwencjonalny falownik
80
75
70
0
10
20
30
40
50
60
70
Nominalna moc wyjściowa[%]
Wykres 4. Wyższa sprawność przy częściowym obciążeniu dzięki koncepcji MIXTM
magazyn fotowoltaika 3/2012
43
rynek prezentacje
o 1% w miesiącach letnich. Konwencjonalny falownik obarczony
jest wadą większego poboru mocy w porównaniu z falownikiem
Fronius CL, który pracuje z wykorzystaniem koncepcji MIXTM.
Wykres 5 pokazuje dodatkowy uzysk wynikający z niższego
poboru mocy przez falowniki Fronius CL w rozbiciu na poszczególne miesiące. Średni dodatkowy uzysk energii dla całego systemu to 2,4% rocznie, co pozwala na zniwelowanie z nawiązką
efektu nieco niższej sprawności konwersji energii. Typowy pobór
mocy przez konwencjonalny falownik o mocy 250 kW to ok.
1000 W, podczas gdy falownik Fronius CL 60.0 zaczyna oddawać
energię do sieci już przy mocy 120 W.
6
5,20
5
4,84
4,23
Dodatk
datkowy uzy
uzysk [%]
4
3,38
3
2,37
2,29
2
Dodatkowy uzysk energii dzięki wyższej dyspozycyjności
Z reguły kosztowne gwarancje dyspozycyjności na poziomie
98–99% zakładają akceptowalny czas niesprawności na poziomie
4–8 dni rocznie (bez zwrotu utraconych przychodów ze sprzedaży energii). W przeciętny dzień (3 godziny pracy z mocą nominalną) powoduje to stratę 12–24 kWh/kWp lub do 3% rocznie.
W dobrze nasłonecznione dni letnie (6 godz. pracy z mocą nominalną) roczna strata wzrasta do 24–48 kWh/kWp lub 6%.
Dzięki koncepcji MIXTM zastosowanej w falownikach Fronius
CL awaria pojedynczego układu przekształcającego nie prowadzi do kompletnego wyłączenia urządzenia. Zapewnia to większą
dyspozycyjność bez dodatkowych kosztów.
Awaria jednego układu przekształcającego w falowniku Fronius CL 60.0 prowadzi do wyłączenia 3 z 15 układów przekształcających ze względu na pracę w układzie trójfazowym. Wykresy 6 i 7
porównują efekty wyłączenia trzech układów przekształcających
w dzień zimowy i letni. Falownik jest w pełni funkcjonalny aż do
poziomej niebieskiej linii, tj. do 48 kW. Można również zauważyć
niewielkie straty uzysku zimą i całkiem minimalne straty latem.
1,43
1
0
0,86
styczeń
luty
marzec
kwiecień
1,02
maj
1,19
czerwiec
0,97
0,96
lipiec
sierpień
wrzesień
październik
listopad
grudzień
Wykres 5. Dodatkowy uzysk energii dzięki mniejszemu poborowi mocy przezfalownik
wykresie 4 porównano falownik Fronius CL z 15 układami przekształcającymi z konwencjonalnym falownikiem z tylko jednym
układem przekształcającym.
Dodatkowy uzysk dzięki niższemu poborowi mocy
Przy częściowym obciążeniu, poza większą sprawnością, uzysk
energii jest dodatkowo zwiększany przez mniejszy pobór mocy.
Falownik Fronius CL zaczyna oddawać energię do sieci elektroenergetycznej znacznie wcześniej dzięki uruchamianiu tylko jednego
układu przekształcającego, co umożliwia również późniejsze zakończenie pracy. Oznacza to wzrost uzysku nawet do 5% w porównaniu
z falownikami niewykorzystującymi koncepcji MIXTM.
Jeśli porównać dwa systemy o mocy 250 kW, jeden z konwencjonalnym falownikiem o mocy 250 kW oraz jeden z czterema
falownikami Fronius CL 60.0 (60 kW każdy), okaże się, że można
osiągnąć o 5% większy uzysk energii w miesiącach zimowych oraz
Praktyczny przykład – system o mocy 250 kW
Jeśli porównać system z jednym falownikiem o mocy 250 kW
z systemem z czterema falownikami Fronius CL 60.0 o mocy
60 kW każdy, to roczna strata spowodowana przez awarię jednego
falownika o mocy 250 kW może sięgnąć 10 MWh.
100
Fronius CL 60.0 (uszkodzony jeden układ przekształcający)
90
Teoretyczna możliwa moc
Nominalna moc wyjściowa [%]
80
Konwencjonalny falownik (uszkodzony jeden układ przekształcający)
70
60
50
40
30
20
10
0
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
Czas
Wykres 6. Porównanie dyspozycyjności falownika tradycyjnego i falownika Fronius CL 60.0 (dzień zimowy)
44
magazyn fotowoltaika 3/2012
rynek prezentacje
100
90
Nominalna moc wyjściowa [%]
80
70
60
50
40
30
Fronius CL 60.0 (uszkodzony jeden układ przekształcający)
20
Teoretyczna możliwa moc
10
Konwencjonalny falownik (uszkodzony jeden układ przekształcający)
0
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
Czas
Wykres 7. Porównanie dyspozycyjności falownika tradycyjnego i falownika Fronius CL 60.0 (dzień letni)
W przypadku awarii jednego układu przekształcającego
w konwencjonalnym (tzn. niewykorzystującym MIXTM) falowniku, a więc awarii całego falownika, tracone jest 100% energii.
W falownikach Fronius CL awaria jednego z układów przekształcających nie powoduje zwykle żadnych strat energii, zaś całkowita
awaria jednego falownika prowadzi do straty zaledwie 25% energii uzyskiwanej z całego systemu. Ilustruje to tabela 2. Oczywiście,
uzysk zależy od nasłonecznienia i lokalizacji (lokalizacja: Sattledt,
Austria, długość geograficzna 14°E, szerokość: 48°N; porównywalne do Seattle, WA, USA; roczny uzysk energii – ok. 800 kWh/
kWp).
Dodatkowy uzysk dzięki koncepcji MIXTM
Biorąc pod uwagę zalety większej sprawności przy częściowym
obciążeniu, niższego poboru mocy na potrzeby własne falownika
i większej dyspozycyjności, można uzyskać średnie zwiększenie
uzysku energii o 6% dzięki koncepcji Fronius MIXTM. Zysk ten
może osiągać nawet 8% w zależności od pory roku, nasłonecznienia i regionu.
Zalety koncepcji MIXTM w porównaniu z metodą master-slave
Dwa falowniki pracujące razem w trybie master-slave dają
taką samą moc wyjściową jak falownik stosujący system Fronius
MIXTM. Nie mniej jednak system Fronius MIXTM różni się od
metody master-slave pod dwoma ważnymi względami:
− Brak stałego mastera
W metodzie master-slave ten sam falownik zawsze pełni rolę
mastera. W związku z tym master pracuje przez 100% godzin
pracy systemu. Falownik slave pracuje od 44% czasu latem do 14%
zimą, co oznacza średnie wykorzystanie na poziomie 29% w ciągu
całego roku. W systemie Fronius MIXTM godziny pracy są równo
podzielone pomiędzy poszczególne układy przekształcające, co
oznacza, że każdy układ przepracuje średnio 68% czasu pracy systemu w ciągu roku.
− Zabezpieczenie na wypadek awarii systemu
W przypadku awarii w systemie master-slave cały system przestaje pracować, ponieważ falowniki slave pracują tylko wtedy, gdy
magazyn fotowoltaika 3/2012
pracuje także master. W systemie MIXTM awaria jednego układu
przekształcającego sprawia, że inny przejmuje jego rolę. Straty
energii mogą pojawić się tylko wtedy, gdy natężenie promieniowania jest wysokie, lecz nawet wówczas będą ograniczone.
Falowniki Fronius wykorzystujące system Fronius MIXTM:
Fronius IG 40 (2 układy przekształcające)
Fronius IG 50 (2 układy przekształcające)
Fronius IG 60 (2 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 55 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 60 V-2 (2 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 60 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 70 V-2 (2 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 80 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 100 V-2 (2 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 100 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 120 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius IG Plus 150 V-3 (3 układy przekształcające)
Fronius CL 36.0 (9 układów przekształcających, połączonych
w bloki po 3)
Fronius CL 48.0 (12 układów przekształcających, połączonych
w bloki po 3)
Fronius CL 60.0 (15 układów przekształcających, połączonych
w bloki po 3).
Fronius International GmbH
Froniusplatz 1, 4600 Wels Austria
tel. +43 (664) 602-414-911
fax +43 (7242) 241-2240
[email protected]
www.fronius.com
45