Nr 167 7 Paweł BARGIEŁ ABB Sp. z oo WPROWADZENIE

Instalacje fotowoltaiczne
Paweł BARGIEŁ
ABB Sp. z o.o.
WPROWADZENIE DO FOTOWOLTAIKI
– UKŁADY ELEKTRYCZNE
Streszczenie: W odpowiedzi na aktualne oczekiwania rynkowe inwestorów, związane z zapowiadaną nową ustawą o OZE, artykuł przedstawia podstawowe pojęcia związane z elektrownią fotowoltaiczną z perspektywy układu elektrycznego, począwszy od połączeń modułów PV
w układy szeregowe, do przyłączenia do sieci energetycznej SN. Grupa ABB opracowała modułowe rozwiązanie, pozwalające na szybką i efektywną realizację projektów elektrowni PV
charakteryzujących się wysokimi wartościami wskaźników jakości systemu i dyspozycyjności
urządzeń.
1. Podstawy fotowoltaiki
Instalacja fotowoltaiczna składa się z szeregu elementów, takich jak: moduły
PV, skrzynki zabezpieczeniowo-łączeniowe, okablowanie, inwertery, transformator
nN/SN, rozdzielnica SN, układ pomiarowy rozliczeniowy oraz system nadzoru nad
pracą elektrowni PV. Przykładowy schemat instalacji elektrycznej elektrowni PV
o mocy 1 MW przedstawiono na rysunku 1.
Modułowa koncepcja opracowana przez ABB zakłada wykorzystanie inwerterów
centralnych, do których podłączone są moduły PV. Dobór układu szeregowo-równoległego modułów PV (tzw. stringi) zależy od wielkości instalacji, wybranego inwertera (mocy i parametrów U i I), wymiarów i kształtu działki. Optymalne zaprojektowanie układu połączeń ma istotne znaczenie dla zapewnienia poprawnej pracy układu,
rozumianej jako najbardziej efektywnego wykorzystania możliwości technicznych
inwerterów i całego układu, minimalizacji straty mocy na kablach DC, uwzględnianie wpływu temperatury na parametry prądowo-napięciowe (niedopuszczalne jest
przekraczanie maksymalnych parametrów pracy inwerterów, co spowoduje ich wyłączenie, a w skrajnych przypadkach może prowadzić do ich uszkodzenia). Szeregowe
połączenia modułów PV zbierane są w skrzynkach łączeniowych, w których zabudowane są m.in.: układ zabezpieczeń każdego obwodu (rozłącznik bezpiecznikowy),
układ monitorujący pracę każdego obwodu (poprzez pomiar prądu), ograniczniki
przepięć oraz rozłącznik izolacyjny.
Inwertery centralne umieszczane są w kompaktowych stacjach kontenerowych.
Poza inwerterami, kontener wyposażony jest w transformator suchy oraz rozdzielnicę SN, za pośrednictwem której przyłączamy się do sieci energetycznej. Dobór
poszczególnych urządzeń elektrycznych wyprowadzenia mocy, zależy od wielkości
instalacji. Możemy stosować m.in. transformatory dwu- lub trójuzwojeniowe. Poza
podstawowymi urządzeniami elektrycznymi, stacja wyposażona jest w układy pomiarowe (w Polskich warunkach są to dwa układy: jeden na potrzeby rozliczania
Nr 167
7
Instalacje fotowoltaiczne
tzw. zielonych certyfikatów, zabudowany pomiędzy inwerterem a transformatorem,
oraz drugi rozliczeniowy w miejscu przyłączenia do sieci, zależnie od technicznych
warunków przyłączeniowych do sieci energetycznej) oraz komplet układów pomocniczych. W zakres układów pomocniczych wchodzą m.in. system nadzoru nad pracą elektrowni (układu elektrycznego), system wentylacji komory inwerterów, układ
ogrzewania i oświetlenia. Stacje kontenerowe produkcji ABB nie wymagają stosowania układów klimatyzacji.
Rys. 1. Przykładowy schemat elektryczny elektrowni PV o mocy 1 MW
2. Szczególnie istotne elementy układu elektrycznego elektrowni PV
Zabezpieczenia nN DC – zapewniają bezpieczeństwo ludzi i majątku. Projektując
układ elektryczny należy pamiętać o prawidłowym doborze zabezpieczeń, zgodnie
z obowiązującymi przepisami i normami.
Monitoring stringów – układ ten zapewnia obsłudze elektrowni pełną wiedzę o poprawności pracy poszczególnych modułów PV, a tym samy pozwala na identyfikację
uszkodzonych obwodów, które wpływają na zmniejszenie produkcji energii. Układ
ten realizuje się jako pomiar prądu dla każdego obwodu, a wszystkie pomiary przesyłane są do systemu nadzoru nad pracą elektrowni PV za pośrednictwem np. magistrali Modbus.
8
Instalacje fotowoltaiczne
System nadzoru nad pracą elektrowni PV – odpowiada za informowanie obsługi
o aktualnym stanie pracy instalacji. Zbiera informację o pracy poszczególnych stringów, inwerterów, parametrach pracy transformatora, stanie położenia łączników
(nN i SN) i inne w zależności od wymagań projektowych (np. liczniki energii). System nadzoru produkcji ABB nazywa się SymphonyPlus. Symphony realizuje ponadto
funkcje archiwizacji krótko- i długookresowej, generuje raporty i trendy, alarmuje
o stanach awaryjnych. Obsługa elektrowni zwyczajowo dysponuje zdalnym połączeniem, zatem może nadzorować pracę elektrowni z dowolnego miejsca za pomocą
komputera osobistego czy smartphona.
Inwerter – urządzenie, które pełni rolę serca i mózgu elektrowni PV. Inwerter odpowiada za pracę instalacji. Zatem muszą to być urządzenia wysokosprawne, niezawodne oraz bezobsługowe w normalnych warunkach pracy. Szczegółowy opis inwerterów nie jest przedmiotem niniejszego referatu.
Transformator solarny – specjalne wykonanie transformatora dystrybucyjnego,
które zapewnia bezawaryjną pracę transformatora z inwerterem solarnym, generującym wyższe harmoniczne (które z kolei powodują przyspieszoną degradację izolacji
transformatora). Bazując na doświadczeniach, ABB opracowało specjalną konstrukcję transformatorów, która to zapewnia długookresową (zgodną z okresem życia
elektrowni PV) i bezawaryjną ich eksploatację. Szczegółowy opis transformatorów
solarnych nie jest przedmiotem niniejszego referatu.
Serwis – układ elektryczny elektrowni PV, składający się z szeregu urządzeń elektrycznych, wymaga regularnego serwisu prewencyjnego, jak również szybkiego serwisu w przypadku awarii. Awaria jednego urządzenia może spowodować wyłączenie
z pracy części elektrowni PV, a tym samym wpłynąć na zmniejszenie produkcji energii. Dlatego też szczególnie istotnym aspektem, który należy rozważyć przy doborze
urządzeń, jest dostęp do lokalnego (krajowego) serwisu, który dysponuje magazynem
części zamiennych, oraz jest w stanie usunąć usterkę w możliwie najkrótszym czasie
(zgodnie z zapisami umowy serwisowej, gdzie zdefiniowane są czasy reakcji serwisowej oraz czasy usunięcia usterek), przywracając elektrownię PV do pełnej zdolności
produkcyjnej. Szczególnie pomocny jest tutaj system zdalnego nadzoru nad pracą
elektrowni PV. System nadzoru ABB, SymphonyPlus, zwyczajowo jest połączony
z centrum serwisowym ABB. W ten sposób obsługa elektrowni natychmiastowo
uzyskuje informacje o awariach i może podjąć działania bezzwłocznie.
3. Wskaźniki jakości systemu PV
Performance Ratio
Głównym wyzwaniem, które stoi przed Generalnym Wykonawcą (gwarantem) elektrowni PV jest utrzymanie wskaźników wydajności i jakości, określonych
w kontrakcie. Dzieje się to z chwilą, gdy obliczenia projektowe muszą potwierdzić się
w rzeczywistości. Elektrownia PV to projekt łączący wiele dyscyplin: projekt budowalny, mechaniczny, elektryczny, systemowy. Tylko pełne skoordynowanie wszystNr 167
9
Instalacje fotowoltaiczne
kich działań, w połączeniu z doświadczeniem i wiedzą Generalnego Wykonawcy,
zapewnią osiągnięcie założonych wskaźników produkcyjnych. Jakość elektrowni PV
mierzy się głównie dwoma parametrami: wskaźnik jakości systemu (z ang. Performance Ratio PR) oraz wskaźnik dyspozycyjności urządzeń. Te dwie wartości mierzą
jakość (sprawność) przekształcania energii promieniowania słonecznego na energię
elektryczną oraz potwierdzają, że wszystkie urządzenia – od modułów PV do połączenia z siecią – pracują z maksymalną sprawnością, czyli powodują możliwie najmniejsze straty w czasie słonecznych godzin dnia.
Wskaźnik jakości systemu (PR) mierzy jakość konwersji w W/m 2 w odniesieniu
do energii dostarczonej do sieci w W/h, wg wzoru (1)
PR =
Ei
(1)
H
Pp × i
Go
gdzie:
PR – wskaźnik jakości systemu [%],
Ei – energia w punkcie pomiarowym (rozliczeniowy licznik energii) w jednostce
czasu [kWh],
P P – moc zainstalowanych paneli [kWp],
Hi – promieniowanie zmierzone przez skalibrowany układ pomiarowy na obszarze danej elektrowni w jednostce czasu [Wh/m 2/rok],
Go – promieniowanie STC [1000 W/m 2].
Straty, które są zależne od faktycznych charakterystyk urządzeń, możemy podzielić
na następujące grupy:
1. Straty związane z modułami PV.
2. Straty związane z układem DC.
3. Straty związane z konwersją DC/AC.
4. Straty związane z układem AC.
Przyjmuje się, że PR ≥ 80% oznacza dobrze jakościowo wykonany system.
ABB dysponuje doświadczeniem i wiedzą, jak minimalizować wyżej wymienione straty. ABB opracowało zaawansowany system nadzoru, który oblicza wskaźnik
PR dla elektrowni w czasie rzeczywistym. Dostęp do tych rzeczywistych wartości
pozwala podejmować obsłudze niezwłocznie, niezbędne działania prewencyjne lub
naprawcze (pozwalające poprawić produkcję energii), w celu uniknięcia średniookresowych odchyleń, których nadrobić w czasie roku się nie da. ABB dysponuje referencyjnymi instalacjami PV, na których PR średnioroczny przekracza nawet 85%.
10
1,13%
3,70%
2,70%
0,00%
0,50%
3,10%
0,10%
3,00%
1,50%
15,74%
1,60%
0,20%
0,50%
0,00%
1,51%
0,20%
0,15%
4,12%
80,79%
Straty spowodowane
niskim promieniowaniem
Straty spowodowane
efektem odbicia
Straty spowodowane
degradacją modułów PV
Straty niedopasowania modułów
Straty spowodowane zacienieniem
Straty spowodowane
nachyleniem i orientacją
Straty spowodowane zakurzeniem
Straty w układzie DC
Straty całkowite przed inwerterem
Straty na inwerterach
Straty spowodowane
algorytmem MPP
Straty w układzie AC
Straty przeciążeniowe
Straty na trafo
Straty SN wew
Straty na przyłączu energetycznym
Straty całkowite przed przyłączem
energetycznym
Całkowity PR
I
Straty spowodowane
temperaturą
Straty [%]
Nr 167
79,96%
4,11%
0,15%
0,20%
1,50%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
16,62%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
3,21%
2,51%
II
78,23%
4,09%
0,15%
0,20%
1,48%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
18,44%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
2,61%
4,92%
III
Tabela 1. Przykładowe poziomy strat w elektrowni PV
77,14%
4,12%
0,15%
0,20%
1,51%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
19,55%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
2,40%
6,25%
IV
75,58%
4,11%
0,15%
0,20%
1,51%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
21,18%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
2,23%
8,05%
V
73,32%
4,12%
0,15%
0,20%
1,51%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
23,53%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
1,91%
10,73%
VI
72,45%
4,13%
0,15%
0,20%
1,52%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
24,43%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
1,92%
11,61%
VII
72,54%
4,10%
0,15%
0,20%
1,49%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
24,36%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
1,86%
11,61%
VIII
74,00%
4,08%
0,15%
0,20%
1,47%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
22,85%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
1,93%
10,03%
IX
76,14%
4,10%
0,15%
0,20%
1,49%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
20,60%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
2,50%
7,20%
X
78,87%
4,11%
0,15%
0,20%
1,50%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
17,74%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
3,20%
3,64%
XI
80,41%
4,12%
0,15%
0,20%
1,51%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
16,14%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
3,60%
1,64%
XII
75,98%
4,11%
0,15%
0,20%
1,50%
0,00%
0,50%
0,20%
1,60%
20,77%
1,50%
3,00%
0,10%
3,10%
0,50%
0,00%
2,70%
2,44%
7,42%
ŚREDNIA
Instalacje fotowoltaiczne
11
Instalacje fotowoltaiczne
Wskaźnik dyspozycyjności urządzeń (D) mierzy ilość godzin, w których dane
urządzenie pracuje względem godzin słonecznych w ciągu roku dla danej lokalizacji
elektrowni PV, a oblicza się go wg wzoru (2)
D = 100 −
100
∑ pi t i
(2)
P ×T
gdzie:
D – dyspozycyjność w okresie [%],
P – moc elektrowni PV [kW],
T – promieniowanie w okresie (ilość godzin, w którym promieniowanie oddziałowywuje na moduły PV w okresie obliczeniowym) [h],
pi – niedyspozycyjna moc w wyniku niedyspozycyjności urządzenia [kW],
ti – czas niedyspozycji w okresie promieniowania [h].
Dyspozycyjność zależy od:
1. Jakości zastosowanych urządzeń.
2. Stopnia automatyzacji elektrowni umożliwiającego zdalne zarządzanie.
3. Okresowej kontroli urządzeń elektrycznych i modułów PV.
4. Możliwości wczesnej detekcji usterek (analiza zdarzeń i alarmów).
5. Zdalnego nadzorowania pracy elektrowni w trybie rzeczywistym oraz prezentowania danych w sposób przejrzysty, szybki i intuicyjny.
6. Poprawnego przeszkolenia obsługi.
Przyjmuje się, że D > 98% oznacza, że zastosowane urządzenia są najwyższej jakości/
niezawodności.
4. Podsumowanie
ABB dostarcza dla elektrowni PV wyjątkowo niezawodne i wysokosprawne
urządzenia elektryczne, systemy oraz kompleksowe rozwiązania (np. kompleksowe układy elektryczne oraz Generalne Wykonawstwo). Ponadprzeciętne wartości
wskaźników jakościowych uzyskiwane są dzięki stosowaniu własnych sprawdzonych
urządzeń/układów i rozwiązań, wysokiego stopnia automatyzacji oraz kompleksowemu podejściu do projektowania, które skutkują dostarczaniem maksymalnej ilości
energii do sieci, minimalizując straty i postoje.
5. Literatura
1. Materiały wewnętrzne Grupy ABB.
12