Dlaczego panele fotowoltaiczne wyłączają się w słoneczne dni?

Urząd Regulacji Energetyki podpowiada, jak sobie poradzić, kiedy domowa instalacja fotowoltaiczna nie działa prawidłowo.

Wiosna to idealny moment, aby podjąć temat związany z wytwarzaniem energii ze słońca. W dni słoneczne mikroinstalacje fotowoltaiczne mają coraz lepsze warunki do produkcji energii elektrycznej. Warto jednak wiedzieć, że przyłączenie dużej liczby nowych instalacji i dodatkowych mocy do nieprzystosowanej do tego sieci niskiego napięcia może oznaczać ryzyko występowania problemów ze współpracą tych źródeł z siecią elektroenergetyczną.

Wpływające do Urzędu Regulacji Energetyki dość liczne skargi prosumentów (odbiorców, którzy produkują energię elektryczną w mikroinstalacjach i zużywają ją na własne potrzeby) potwierdzają, że w Polsce występują obszary sieci, w których pojawiają się problemy z funkcjonowaniem mikroinstalacji oraz oddawaniem energii elektrycznej do sieci operatora.

Problemy z tym związane opisali eksperci z katowickiego Oddziału Terenowego URE: Jolanta Skrago i Piotr Furdzik w artykule pt. „Mikroinstalacja fotowoltaiczna – dlaczego się wyłącza i nie produkuje energii elektrycznej?”. Warto sięgnąć do tego opracowania nie tylko po to, by dowiedzieć się, dlaczego tak się dzieje, lecz także, aby sprawdzić, na co zwrócić uwagę przed przyłączeniem paneli fotowoltaicznych do sieci, a gdy już jesteśmy prosumentami – jak można rozwiązać problemy z przydomową fotowoltaiką.

Świeci słońce, a panele fotowoltaiczne się wyłączają. Dlaczego?

Gwałtowny przyrost instalacji przydomowych spowodował, że to nie prosument oraz możliwości wytwórcze jego mikroinstalacji decydują o tym, ile energii elektrycznej oraz w jakim okresie doby zdoła wytworzyć (jak by można zakładać w idealnym stanie rzeczy), a zapotrzebowanie (popyt) na energię w poszczególnych godzinach doby kształtowane przez lokalną społeczność odbiorców (w tym również przez samych prosumentów), wynikające m.in. z nawyków, rodzajów i liczby posiadanych urządzeń elektrycznych, trybu życia.

Problemy z przydomową instalacją występują najczęściej z powodu wysokiego poziomu napięcia na tym odcinku sieci dystrybucyjnej, do której jest przyłączona. Dlatego w godzinach największego nasłonecznienia, a więc przy pogodzie zapewniającej najlepsze warunki generacji energii elektrycznej (kiedy zdolność wytwórcza mikroinstalacji wielokrotnie przekracza popyt na energię ogółu odbiorców z bezpośredniego jej otoczenia), instalacja pracuje niestabilnie, nieustannie zmieniając stan z aktywnego na nieaktywny. Z tego samego powodu obniża się jakość energii dostarczanej do naszych gniazdek.

Jak piszą autorzy artykułu, użytkownicy instalacji fotowoltaicznych często nadmiernie wprowadzają energię do sieci przyczyniając się do znaczącego wzrostu napięcia, a tym samym niestabilnej pracy instalacji.

Kto ma problemy z fotowoltaiką?

Problemy dotyczące współpracy instalacji z siecią lub obniżenia parametrów jakości dostarczanej energii często wynikają ze struktury sieci elektroenergetycznej.

Autorzy artykułu zauważają, że wiele mikroinstalacji fotowoltaicznych powstaje w miejscach, w których – patrząc z perspektywy uwarunkowań i wymagań technicznych – nie powinno ich być. Infrastruktura sieciowa, która przewidziana była tylko do dostarczania, a nie również do odbierania energii produkowanej w rozproszonych źródłach, często nie jest w stanie temu sprostać.

Jeśli wokół przydomowej instalacji jest niewiele innych mikroinstalacji, wówczas ta instalacja może swobodnie produkować i wprowadzać do sieci energię. Otaczająca ją sieć elektroenergetyczna w takiej sytuacji jest w stanie pracować jak magazyn energii (chociaż w rzeczywistości nim nie jest).

Instalacje konkurują ze sobą

Problemy ze współpracą instalacji z siecią lub jakością dostarczanej energii pojawiają się wtedy, gdy w danej sieci wzrasta liczba wytwórców energii i zaczyna być porównywalna z liczbą odbiorców energii. Często zdarza się to w skupiskach domów jednorodzinnych. Obwód sieci niskiego napięcia, do którego przyłączone są te źródła, nie jest w stanie poradzić sobie z rozpływem produkowanej energii, co w efekcie pogarsza parametry napięciowe całego układu.

Energia produkowana przez panele pv i wprowadzana do sieci sprawia, że falowniki będące elementami wyposażenia mikroinstalacji konkurują ze sobą starając się utrzymać strumień generowanej energii, co wymaga wyregulowania na zaciskach coraz wyższego napięcia. Gdy osiąga ono wartość krytyczną, falownik wyłącza się, poprawiając nieco warunki pracy falownika w sąsiednim gospodarstwie domowym. Jednak ten też w końcu wyłączy się gdy osiągnie wartość krytyczną napięcia konkurując z kolejnymi falownikami. W końcu tamte również zatrzymają się powodując nieznaczny spadek napięcia, co z kolei wykorzystają te falowniki, które zostały wyłączone wcześniej i powrócą do pracy.

W takiej sytuacji użytkownik paneli fotowoltaicznych nie może decydować o tym, ile energii elektrycznej oraz w jakim okresie doby chce wytworzyć, ponieważ produkcja będzie ściśle uzależniona od zapotrzebowania (popytu) na energię lokalnej społeczności odbiorców w poszczególnych godzinach doby.

Ryzyko braku współpracy mikroinstalacji z siecią elektroenergetyczną

Ryzyko, że mikroinstalacje nie będą współpracowały z siecią, wzrasta w przypadku występowania jednego lub więcej z poniższych warunków:

• dużej ilości i dużej łącznej mocy mikroinstalacji na obszarze zasilanym z jednej stacji transformatorowej,
• dużej odległości mikroinstalacji od stacji zasilającej SN/nN,
• dużej impedancji linii (małe przekroje przewodów, długie odcinki obwodów),
• niewielkiego zapotrzebowania na energię w okresach największej zdolności wytwórczej (godziny największego nasłonecznienia),
• rozbudowie istniejącej mikroinstalacji przez właściciela bez poinformowania operatora systemu dystrybucyjnego (OSD).

Optymalizacja działania przydomowych źródeł energii. Co zrobić?

• Zainwestuj w magazyn energii elektrycznej
  Najlepszym i najbardziej skutecznym rozwiązaniem problemu z działaniem przydomowych źródeł energii elektrycznej będą zintegrowane z nimi magazyny energii. Rozwiązanie to pozwoli prosumentowi w sposób optymalny wykorzystać wyprodukowaną energię. Będzie on mógł korzystać ze swoich urządzeń elektrycznych bez zakłóceń, bowiem nadmiar produkowanej energii zostanie odłożony w przydomowym magazynie i albo zostanie wykorzystany w późniejszym okresie przez samego prosumenta, albo trafi do sieci elektroenergetycznej, kiedy tam pojawi się zapotrzebowanie.

• Zużywaj energię w godzinach największego nasłonecznienia
  Dopóki nie przybędzie magazynów energii, w dużej mierze od zachowania prosumentów będzie zależała prawidłowa praca sieci elektroenergetycznej, do której przyłączone są przydomowe źródła. Kluczem jest tu autokonsumpcja, tj. zużywanie energii w miejscu i w czasie, w którym jest ona produkowana. Duże znaczenie będzie też miało odpowiedzialne użytkowanie posiadanej instalacji pv, w tym dbanie o prawidłową i optymalną konfigurację falowników. W pewnym stopniu niepożądanemu wzrostowi napięcia podczas wytwarzania energii elektrycznej w mikroinstalacjach mogą zapobiegać rozwiązania techniczne (np. w konstrukcjach samych falowników), które prosument może wdrożyć we własnym zakresie zlecając je instalatorowi mikroinstalacji.

• Ustaw optymalny tryb pracy falownika
  Kolejnym rozwiązaniem jest ustawienie odpowiedniego trybu regulacji mocy biernej dla falownika, polegających na:
  • sterowaniu mocą bierną w funkcji napięcia na zaciskach falownika (tryb Q(U) zwany trybem podstawowym),
  • sterowaniu współczynnikiem mocy w funkcji generacji mocy czynnej (tryb cos φ(P) zwany trybem alternatywnym),
  • ustawieniu cos φ na stałym poziomie z zakresu od 0,9ind do 0,9poj., zwanym trybem dodatkowym.

• Włącz opcję zmniejszenia mocy czynnej w funkcji wzrostu napięcia
  Zmniejszenie mocy czynnej generowanej w funkcji wzrostu napięcia to kolejne rozwiązanie, które warto rozważyć. W tym celu, już przy wyborze instalacji fotowoltaicznej warto sprawdzić, czy falownik posiada taką funkcję. Istotne jest, aby zadziałała ona dopiero po wyczerpaniu możliwości wynikających z zastosowanego trybu regulacji mocy biernej.
  Ustawienie odpowiedniego (optymalnego) trybu pracy falownika, w tym włączenie opcji zmniejszenia mocy czynnej w funkcji wzrostu napięcia, może złagodzić problem zbyt wysokiego napięcia w sieci. Jednak warunkiem jest aby zrobili tak wszyscy prosumenci przyłączeni do tego samego obwodu sieci elektroenergetycznej.
  Wówczas wypadkowy strumień energii czynnej pochodzącej ze źródeł fotowoltaicznych będzie nieco mniejszy niż wynikający z ich możliwości, jednak źródła te będą miały szansę pracować stabilnie (nie będą się wzajemnie eliminowały konkurując o dostęp do sieci, czego efektem jest niekontrolowany przyrost napięcia). Warto wiedzieć, że ustawienie trybu podstawowego Q(U) bądź alternatywnego cos φ(P), pozwala na bardziej „inteligentne” zachowanie falownika.

• Zwróć się do OSD
  Utrzymywanie zdolności urządzeń, instalacji i sieci tak, by zaopatrzenie w energię przebiegało w sposób ciągły i niezawodny, przy jednoczesnym zachowaniu obowiązujących parametrów jakościowych, jest obowiązkiem przedsiębiorstw energetycznych zajmujących się przesyłaniem i dystrybucją energii. Wyeliminowanie wszelkich nieprawidłowości w tym zakresie należy do obowiązków przedsiębiorstwa energetycznego. Co ważne, za niedochowanie odpowiednich parametrów odbiorcom przysługują stosowne bonifikaty.
  Dlatego dystrybutorzy prowadzą szereg działań organizacyjnych oraz inwestycyjnych w celu nie tylko zapewnienia prawidłowej pracy sieci w warunkach odbioru nadwyżek energii elektrycznej produkowanej w mikroinstalacjach, ale również dla zapewnienia bezpieczeństwa wszystkim odbiorcom energii. Operatorzy wdrażają rozwiązania techniczne mające na celu wyeliminowanie lub zminimalizowanie negatywnych zjawisk wywołanych przyłączeniem do sieci dystrybucyjnych dużej liczby mikroinstalacji. Do działań tych należą między innymi:

• montaż transformatorów o mocy zwiększonej w stosunku do zapotrzebowania odbiorców,
• montaż/wymiana przewodów na przewody o większych przekrojach,
• skracanie (jeśli to możliwe) pętli obwodów w sieci niskiego napięcia,
• budowa magazynów energii,
• zapewnienie możliwości sterowania pracą instalacji pv,
• montaż urządzeń kompensujących.
  
  Doraźnym rozwiązaniem problemu może być obniżenie przez OSD napięcia na transformatorze, jednak nie zawsze przynosi ono oczekiwane rezultaty. Obniżenie napięcia na zaciskach transformatora może bowiem spowodować ryzyko zbyt niskiego napięcia u odbiorców zlokalizowanych blisko transformatora. Jednocześnie odbiorcy zlokalizowani na końcu obwodu, zwłaszcza w pobliżu działających tam falowników wprowadzających energię do sieci i tak odnotują zbyt wysokie napięcie.

• Modernizacja infrastruktury sieciowej
  W wielu przypadkach działania doraźne podjęte przez OSD mogą nie wystarczać, co oznacza, że definitywne rozwiązanie problemu stanie się możliwe dopiero po kompleksowej modernizacji infrastruktury sieciowej. Taka modernizacja polega na  zastosowaniu przewodów o większym przekroju oraz zmianie konfiguracji sieci w taki sposób, aby pętle poszczególnych obwodów niskiego napięcia zasilanych przez transformator były krótsze (często wiąże się to z zainstalowaniem drugiego transformatora).
  Należy jednak zaznaczyć, że długość sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia w Polsce liczona jest w tysiącach kilometrów. Modernizacja tak rozległej infrastruktury i przystosowanie jej do bezproblemowego odbioru energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, przy zachowaniu określonych przepisami prawa parametrów jakościowych energii, nie nadąża za masowo montowanymi i uruchamianymi mikroinstalacjami.
  Kompleksowe rozwiązanie takiego problemu i zarazem poprawa sytuacji, która niestety zaskoczyła wielu prosumentów, mogą być wdrożone wyłącznie poprzez wielokierunkowe współdziałanie wszystkich uczestników rynku energii.  Konieczne są systematyczna modernizacja infrastruktury sieciowej, promowanie OZE zintegrowanych z magazynami energii, promowanie i utrwalanie prawidłowych zachowań prosumentów oraz odpowiedzialnego użytkowania posiadanej infrastruktury.

RE na podstawie materiałów URE