Zasilanie komponentów instalacji fotowoltaicznej

Konwertery z rodziny PVxx-29Bxx pozwalają na uproszczenie okablowania oraz dają prostszą realizację sprzętową układu w porównaniu do równoważnego systemu wyposażonego w zasilacz AC lub dodatkowy akumulator. Warte uwagi są także ze względu na rozbudowane funkcje zabezpieczające, które poprawiają niezawodność całej instalacji.

Uzyskanie wysokiej efektywności działania instalacji fotowoltaicznej wymaga zapewnienia jej niezawodnej pracy, bez konieczności serwisowania i kontroli. Z tego powodu, aby mieć jak najtańszą zieloną energię konieczne jest wykorzystanie najlepszych komponentów składowych. Aktualnie system fotowoltaiczny jest projektowany z uwzględnieniem wartości napięcia 1000 V_DC jako granicznej wartości wejściowej dostarczanej przez zespół paneli PV.

Niemniej im większe napięcie tym straty mocy w okablowaniu są mniejsze, więc podniesienie tej wartości ma sens. Zyskać można 1,5-2% w zakresie sprawności, co może nie wydaje sie dużą wartością, niemniej przy dużej liczbie instalacji ma to już wymierny aspekt ekonomiczny. Badania rynkowe GTM mówią, że liczba systemów PV o napięciu 1500 V_DC sięgnie w 2016 roku 9%, co oznacza że będą one dostarczały 4,6 GWp energii elektrycznej.

Przykładowa instalacja fotowoltaiczna

Rys. 1. Ilustracja konstrukcji typowej instalacji PV

Typowa instalacja fotowoltaiczna zawiera kilka elementów składowych. Jej podstawą są oczywiście zespoły paneli PV przetwarzające energię słońca w prąd. Dalej w instalacji jest panel połączeniowy, szafka zawierająca zabezpieczenia i wyłączniki poszczególnych sekcji, następnie inwerter oraz opcjonalny transformator podwyższający napięcie (rys. 1). Aby ograniczyć liczbę przewodów wchodzących w skład systemu, panele PV są łączone w grupy, w gałęzie szeregowo-równoległe.

Ich napięcie wyjściowe zmienia się w dużym zakresie wraz ze stopniem oświetlenia przez słońce. Stąd każda gałąź musi mieć swoje obwody zabezpieczające oraz monitorujące stan do celów diagnostyki. Ponieważ napięcie wyjściowe gałęzi paneli PV przekracza 1 kV, w monitoringu stanu zabezpieczeń oraz instalacji do niedawna nie było możliwe zasilanie obwodów monitoringu z napięcia generowanego przez panele.

Rys. 2. Przykładowa konstrukcja układu monitorującego pojedynczą gałąź ogniw PV z zaznaczonymi na niebiesko blokami zasilającymi

Konieczne były dodatkowe zasilacze separowane, co zwiększało koszt, skomplikowanie instalacji i podatność na uszkodzenia. Skomplikowanie powiększa to, że instalacja zawiera zwykle kilka urządzeń i zespołów PV pracujących równolegle.

Dlatego rozwiązanie układowe bazujące na zasilaczach pomocniczych dostarczających energię dla komponentów składowych systemu, które mogą być zasilane napięciem dostarczanym przez panele PV i mają wyjście separowane od wejścia, gwarantuje bezpieczeństwo i niezawodność oraz prostotę. Aby to było możliwe, takie konwertery powinny pozwalać na zasilanie napięciem zmieniającym się w bardzo szerokich granicach, np. od 200 do 1500 V_DC, dostarczać na wyjściu stabilizowane napięcie o typowej wartości jak 12, 15 lub 24 V.

Dodatkowo wytrzymałość bariery galwanicznej na przebicie powinna być jak największa, aby system był niezawodny i odporny na przepięcia lub wyładowania atmosferyczne. Przykładowa wartość 4000 V_AC jest tutaj dobrym punktem wyjścia. Na koniec warto wspomnieć o rozbudowanych zabezpieczeniach.

Rys. 3. Przykładowy blok monitorowania stanu instalacji PV z zaznaczonymi obwodami zasilania

Skoro instalacja ma być niezawodna i nie wymagać obsługi serwisowej, konwertery takie muszą być odporne na wszystkie typy przeciążeń i stanów nieustalonych, jakie mogą się zdarzyć podczas pracy (zwarcie, przeciążenie, odwrotne podłączenie, za wysokie lub za niskie napięcie wejściowe, za wysokie napięcie wyjściowe itd.).

Konstrukcja konwerterów musi być ponadto odporna na surowe warunki klimatyczne, gdyż instalacja zwykle jest narażona na silny wpływ środowiska, jak wilgotność, niskie i wysokie temperatury. Takie właściwości ma nowa seria konwerterów DC-DC firmy Mornsun PVxx-29Bxx. Elementy te pracują w zakresie temperatur -40...+70°C, mają wysoką sprawność przetwarzania i niski poziom szumów i tętnień w napięciu wyjściowym.

Spełniają wymagania norm EN62109, UL1741 i są dostępne w wersji do montażu na płytkach drukowanych oraz na szynie DIN. Schemat blokowy tych jednostek pokazano na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat blokowy konwerterów z rodziny PVxx-29Bxx

Konstrukcja bazuje na topologii zaporowej konwersji energii z podwójnym tranzystorem kluczującym oraz sterowniku z modulacją PWM. Z uwagi na szeroki zakres napięć zasilania oraz obszar aplikacyjny w układzie jest wiele obwodów zabezpieczających, a także specjalny układ startowy.

Komponenty instalacji PV

Poza panelami PV w instalacji niezbędne są zabezpieczenia: przepięciowe z uwagi na wyładowania atmosferyczne, przetężeniowe oraz komponenty sterująco- kontrolne i monitorujące stan działania. Konieczne jest też mierzenie prądów w wielu obwodach, do czego wykorzystuje się czujniki z sensorami Halla. Takie elementy także trzeba zasilać, tak samo jak mikrokontroler oraz układ komunikacyjny.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.mornsun-power.com