Dlaczego instalacje fotowoltaiczne wyłączają się w słoneczne dni?

Wyłączające się instalacje fotowoltaiczne to problem dotyczący zarówno wielu właścicieli systemów fotowoltaicznych, jak i samych instalatorów, którzy codziennie odbierają w takich sprawach telefony od zaniepokojonych inwestorów. Przyczyną kłopotów jest zbyt wysokie napięcie w sieci.

Wyobraźmy sobie np. miejscowość, w której powstało wiele instalacji PV. W słoneczne dni, kiedy mieszkańcy przebywają głównie w pracy, instalacje produkują więcej energii niż jest potrzebne, a nadprodukcja oddawana jest do sieci. W związku z tym w sieci powstaje zbyt wysokie napięcie. Aby nie doszło do uszkodzenia odbiorników elektrycznych w domach, systemy bezpieczeństwa w falownikach przyczyniają się do wyłączania instalacji PV. Kiedy napięcie w sieci wraca do normy, instalacje uruchamiają się ponownie. Co istotne, infrastruktura operatorów jest niedoskonała i przestarzała, dlatego nie radzi sobie z tym problemem. W takiej sytuacji inwestor powinien jednak móc liczyć na wyedukowanego instalatora, który podejmie właściwe działania.

Zjawisko wyłączania się instalacji fotowoltaicznych

Falownik fotowoltaiczny jest źródłem prądowym i w praktyce nie reguluje napięcia. Zmiana napięcia obserwowana na zaciskach falownika to nic innego, jak spadek napięcia, który ma odwrotny zwrot niż w przypadku odbiorników. Aby zrozumieć sytuację, możemy wyobrazić sobie odbiornik (np. grzałkę) o mocy 6 kW podłączoną do danego miejsca w sieci. Uruchomienie tego urządzenia spowoduje spadek napięcia na jego zaciskach, który możemy zaobserwować na woltomierzu. Jeżeli zamienimy ten odbiornik na falownik, który będzie pracował z mocą 6 kW, zaobserwujemy wzrost napięcia o wartości równej spadkowi napięcia na wcześniej wspomnianej grzałce. Dzieje się tak dlatego, że różnica w napięciu jest wynikiem impedancji sieci oraz natężenia prądu. Prąd płynący od urządzenia powoduje wzrost napięcia na jego zaciskach, natomiast prąd płynący do odbiornika powoduje spadek napięcia. Jest to przykład mocno uproszczony, ale doskonale obrazuje sedno problemu. W sieci bez rozproszonych źródeł energii, napięcia wraz ze wzrostem długości linii (impedancji) będą więc coraz mniejsze. Jeżeli mamy do czynienia ze źródłami wpiętymi do sieci, to napięcie będzie zależało od rozpływu prądu w danym miejscu. Aby chronić inne urządzenia wpięte do sieci, falowniki posiadają zabezpieczenia, które powodują redukcję lub zaprzestanie produkcji w momencie przekroczenia dopuszczalnego napięcia w danym punkcie sieci. Zjawisko obrazują grafiki nr 1 i 2.

Brak produkcji energii, czyli efekt wyłączenia falownika

Efekty zbyt wysokiego napięcia obrazuje grafika nr 3, gdzie przy maksymalnej produkcji w godzinach okołopołudniowych zauważyć można „poszarpanie” wykresu. Każda istotna zmiana oznacza w tej sytuacji stratę energii, czyli stratę pieniędzy w ramach rozliczania w formule net-billingu.

Wymagania operatorów systemów dystrybucyjnych (OSD)

Przy określonych poziomach napięcia falownik musi się wyłączyć, o czym jest mowa w wymaganiach operatorów systemów dystrybucyjnych (OSD). Wymagania dla falowników określają kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych do sieci (NC RfG) oraz Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (IRiESD). Szczegółowe wymogi można zobaczyć na grafice nr 4.

Wymogi powinien spełniać każdy falownik znajdujący się na liście urządzeń dopuszczonych do użytku. Zdarza się, że nawet mimo deklaracji producenta dane urządzenie nie spełnia jednak określonych wymogów. Przykładowo, zgodnie z testami przeprowadzonym przez spółkę Tauron Dystrybucja, falowniki marki Fronius w większości przypadków należą do urządzeń notujących najlepsze wyniki.

W wymogach określone są dwie graniczne wartości. Pierwsza z nich to górna granica napięcia dla ostatnich 10 minut średniej wartości napięcia, która wynosi 253 V (o 10 proc. więcej niż napięcie znamionowe). W przypadku przekroczenia tego progu falownik musi się wyłączyć. Druga wartość graniczna to górna granica napięcia na poziomie 264,5 V, czyli o 15 proc. więcej niż napięcie znamionowe. Przekroczenie tej granicy również powinno skutkować wyłączeniem się falownika.

Generacja mocy biernej

Instalacje fotowoltaiczne mają być zdolne do działania w różnych trybach. Szczegółowe informacje nt. generacji mocy biernej można zobaczyć na grafice nr 5.

Trybem podstawowym jest tryb Q(U), gdzie sterowanie mocą bierną w funkcji napięcia odbywa się na zaciskach generatora. Chodzi o to, że przy pewnej granicy falownik powinien produkować moc bierną, czyli moc występującą normalnie w instalacjach, gdy używane są odbiorniki indukcyjne lub pojemnościowe. Moc tego typu nie jest ani pobierana, ani oddawana, lecz wymieniana z generatorem (siecią operatora). Co ważne, „pobór” tej mocy sprzyja obniżaniu napięcia zasilającego. W praktyce każdy falownik z ustawieniami na polski rynek powinien produkować moc bierną zgodnie z wymogami i nie ma potrzeby samodzielnej zmiany ustawień.

Ustawienia falownika

Operatorzy dbają o to, aby ustawienia falowników były prawidłowe. W konsekwencji zdarza się, że operator wysyła do właściciela instalacji zapytanie odnośnie ustawień lub też pismo z wezwaniem do zmian. W kwestii synchronizacji instalacji na ustalonych zasadach warto wiedzieć, jak sprawdzić ustawienia używanego falownika. Jeśli chodzi o falowniki marki Fronius szczegóły widoczne są na grafice nr 6.

Na polskim rynku wymagane są oczywiście ustawienia polskie. Jeśli jednak wyświetlają się inne ustawienia, to należy je zmienić. Taka zmiana będzie wymagać udziału instalatora, który powinien wprowadzić na falowniku odpowiedni dla Polski kod. W przypadku falowników serii Fronius GEN24 i Tauro wymagane jest zalogowanie się do interfejsu użytkownika i odpowiednia zmiana ustawień, tak jak w dolnej części grafiki nr 6.

Czy można przewidzieć problem ze zbyt wysokim napięciem?

Przed wykonaniem instalacji fotowoltaicznej można z wyprzedzeniem sprawdzić, czy w danym przypadku występować mogą problemy ze zbyt wysokim napięciem czy też nie. Wiele w tym przypadku zależy od postępowania instalatorów. Firma instalacyjna może bowiem dokonać oględzin, sprawdzenia napięcia i zmierzyć parametry elektryczne. Podstawowe informacje na ten temat uwzględnia grafika nr 7. W celu poprawy sytuacji konieczna może być np. wymiana starszych przewodów, co jednak wiąże się z dodatkowymi kosztami.

Pomiary powinny obejmować m.in. impedancję pętli zwarcia. Pomiary uwzględniają napięcia, impedancję przewodów oraz ewentualne straty na połączeniach, zabezpieczeniach i transformatorze. Rozeznanie w danej sytuacji można uzyskać dzięki szacunkowemu wyliczeniu maksymalnej mocy na fazy, co już pozwoli na uzyskanie wiedzy, jaką maksymalną moc można założyć w danej instalacji. Dzięki pomiarom impedancji możliwe jest obliczenie, o ile w danym przypadku wzrośnie napięcie i czy będą pojawiać się problemy czy nie. W niektórych sytuacjach wymiana części infrastruktury może mieć pozytywny efekt i pomóc uniknąć w przyszłości problemów.

Co istotne, nieprawidłowe ustawienia w falowniku, w tym manualnie „podkręcone” napięcie powyżej norm, mogą mieć negatywny wpływ na zasilane energią elektryczną urządzenia w danym gospodarstwie domowym.

Jak rozwiązać problem zbyt wysokiego napięcia?

Przede wszystkim sposobem rozwiązania problemów nie jest zmiana nastaw. Korekta ustawień np. do 280 V jest z jednej strony zagrożeniem dla używanego w domu sprzętu elektronicznego, a z drugiej strony – potencjalnie może prowadzić do odpowiedzialności względem operatora. Zgodnie z obowiązującym prawem, to inwestor odpowiada za konfigurację instalacji fotowoltaicznej, nawet jeżeli ustawienia wybierał np. instalator.

Możliwe są natomiast m.in. modyfikacje w instalacji, w tym te wymienione na grafice nr 8. Jednym z takich działań jest zmiana obciążenia poszczególnych faz. Dosyć często zdarza się, że fazy instalacji są obciążone nierównomiernie, a jeśli na którejkolwiek napięcie przekracza dopuszczalny poziom, to falownik musi się wyłączyć. Przełączenie niektórych odbiorników na mniej obciążone fazy spowodować może obniżenie napięcia na fazie ze zbyt wysokim napięciem. Być może takie modyfikacje okażą się wystarczające, aby falownik przestał się wyłączać.

Innym ze sposobów jest wymiana kabla zasilającego falownik. Jeśli przeprowadzone pomiary wykażą, że wymiana kabla, który czasem jest długi, pomoże obniżyć napięcie np. o 1-2 V, to w pewnych przypadkach rozwiązanie to może być wystarczające.

W przypadku posiadaczy falowników z serii Fronius GEN24 Plus pomocne może się okazać przesunięcie ładowania magazynu energii na okres największej produkcji. Domyślnie magazyn energii ładuje się w przypadku wystąpienia nadwyżki energii – w praktyce cała nadwyżka jest kierowana do baterii fotowoltaicznej. Magazyn może się zapełnić już w 2-3 godziny. Jeśli dokona się przesunięcia ładowania magazynu na okres szczytowy, czyli w okolice południa, to wtedy energia nie będzie wysyłana do operatora, a w konsekwencji nie powstanie zbyt wysokie napięcie. Szczegółowe informacje dotyczące magazynowania energii z wykorzystaniem falowników marki Fronius można znaleźć na grafice nr 9.

Kolejną możliwością jest aktywacja dodatkowych odbiorników. Chodzi o to, że każdy załączony odbiornik dużej mocy na konkretnej fazie potrafi trochę obniżyć napięcie. Jeśli zatem użytkownik jest w stanie wykorzystać od razu energię wyprodukowaną przez instalację, to energia ta nie jest wysyłana do operatora i nie dochodzi do dodatkowego podwyższenia napięcia.

Jeszcze inną opcją jest aktywacja funkcji ograniczenia mocy P(U), co sprowadza się do niewielkiego obniżenia mocy falownika, gdy napięcie jest wysokie.

Funkcja Q(U)

Działanie funkcji Q(U) obrazują grafiki nr 10 i 11. „Pobór” mocy biernej (indukcyjnej) powoduje przepływ energii do odbiorników, a jednocześnie spadek napięcia w kierunku do operatora. Funkcja umożliwia obniżenie w pewnym zakresie napięcia, szczególnie jeśli w danym przypadku linia zasilająca jest na dobrym poziomie. To, w jaki sposób moc bierna jest generowana, pokazuje grafika nr 11, gdzie na osi X ukazane jest napięcie w stosunku do napięcia znamionowego.

Autokonsumpcja

Używanie energii elektrycznej, którą wytwarza instalacja fotowoltaiczna, może być korzystnym rozwiązaniem z co najmniej dwóch powodów. Pierwszym jest zmiana systemu rozliczania z net-meteringu na net-billing. W nowym systemie inwestor kupuje drogą energię, a energię wytworzoną w instalacji sprzedaje tanio, dlatego autokonsumpcja stanowi opłacalne rozwiązanie. Działanie autokonsumpcji przedstawia grafika nr 12. Funkcja ta jest niejako standardowo wbudowana we współczesne falowniki, a korzystanie z niej wspiera m.in. Fronius Smart Meter, czyli dwukierunkowy i inteligentny licznik prądu.

W tym kontekście znaczenie mają też dodatkowe rozwiązania marki Fronius, np. Fronius Ohmpilot oraz Fronius Wattpilot. Fronius Ohmpilot steruje wszelkimi odbiornikami rezystancyjnymi (np. grzałki elektryczne, systemy ogrzewania podłogowego i panele podczerwieni). Urządzenie to za pośrednictwem falownika – jako wysokiej jakości sterownik – śledzi krzywą produkcji fotowoltaicznej i przekazuje z dokładnością do 1 W całą nadmiarową energię do elementu wykonawczego (np. do grzałki). Z kolei Fronius Wattpilot, dostępny w dwóch wersjach (z kablem wpinanym do rozdzielnicy lub z wtyczką mobilną), jest stacją ładowania samochodów elektrycznych. Dzięki temu urządzeniu można np. ładować baterię pojazdu bezpośrednio i wyłącznie energią pochodzącą z instalacji fotowoltaicznej albo też najpierw zużyć energię z instalacji, by potem ewentualnie brakującą część pobrać już z sieci.

Konfiguracja zarządzania obciążeniem

We wszystkich falownikach marki Fronius możliwe jest sterowanie czterema cyfrowymi wejściami do zarządzania danymi odbiornikami, co szczegółowo ukazuje grafika nr 13. W praktyce do wyboru dostępne są cztery wyjścia, a przy takim zarządzaniu energią konieczny jest również licznik Fronius Smart Meter. W praktyce licznik informuje falownik, jaka energia chciałaby „uciec” do sieci, a dostępne funkcjonalności pozwalają na sterowanie nadwyżkami energii. Można m.in. ustalić odpowiednie wartości progowe oraz czasy pracy.

Funkcja Q(U) + P(U) – ograniczenie produkowanej mocy

Poza ograniczeniem „poboru” mocy miernej, możliwe jest również skorzystanie z funkcji ograniczenia produkowanej mocy, dzięki czemu napięcie w instalacji nie jest podbijane tak mocno. Jak widać na grafikach nr 14 i 15, istotne jest dobre ustawienie parametrów w tej funkcji. Chodzi o napięcie aktywacji i szybkość ograniczania mocy w ujęciu procentowym na liczbę V.

Co istotne, każda instalacja jest nieco inna, więc ma nieco inną impedancję i opory. Nie wystarczy zatem aktywować funkcję, choć być może domyślne wartości będą pasować bardzo dobrze. W innym przypadku konieczne jest stosowanie metody prób i błędów – aż znajdzie się optymalne ustawienia. W konsekwencji funkcja ograniczenia produkowanej mocy może okazać się wystarczająca, by uniknąć problemów z wyłączaniem się falownika. Co ważne, jeśli w danym przypadku falownik jest mniejszy od mocy instalacji w kilowatopikach (kWP), to produkcja może nieznacznie spaść, ale jest to i tak wyjście lepsze od zjawiska wyłączania się falownika.

W przypadku falowników z wyświetlaczem aktywacja funkcji wymaga wprowadzenia przez instalatora kodu PRO i ewentualnych zmian parametrów. W przypadku falowników Fronius GEN24 i Tauro należy wejść w odpowiednie menu, wybrać opcje dotyczące bezpieczeństwa i wymagań sieci, a następnie funkcje wspomagające sieć i aktywować opcję „Voltage-dependent Power Control”.

Obniżenie napięcia przez OSD

Poza różnymi omówionymi działaniami po stronie inwestora i instalatora, możliwe są także działania obniżające napięcie po stronie operatora systemu dystrybucyjnego. Jak widać na grafice nr 16, można złożyć wniosek do OSD. W tym przypadku konieczne mogą być pomiary poszczególnych wskaźników w instalacji wykonane przez instalatora. W efekcie operator, w odpowiedzi na tego rodzaju wniosek, może zainstalować układ pomiarowy w instalacji inwestora np. na okres jednego tygodnia. Jeśli pomiary wykażą wysokie napięcia, to OSD będzie zobowiązany do dostosowania napięcia do wymagań, aby było ono odpowiednio niższe.

Obejrzyj webinarium, które traktuje ten temat jeszcze bardziej szczegółowo.

FRONIUS