Jednofázové fotovoltické invertory s výkonom do 5kW

Výroba elektrickej energie zo solárnej si už našla svoje trvalé miesto v oblasti využívania obnoviteľných zdrojov energie (OZE) v praxi. Hlavne preto, že slnečná energia, ako jeden z jej predstaviteľov, je voľne dostupná a dalo by sa povedať „nevyčerpateľná“. Výroba sa zabezpečuje v tzv. FV elektrárňach.

FV články, integrované do FV modulov, sú nevyhnutným ale nie jediným systémovým prv-kom potrebným pri stavbe FV elektrární. Na premenu ich jednosmernej (DC) energie na striedavú (AC), pripojiteľnú do elektrickej distribučnej sústavy, je preto potrebný ďalší systémový prvok - FV invertor. Stručný opis výsledkov vývoja jednofázo-vých invertorov, s výkonom do 5 kW, je obsahom príspevku.

Technické riešenie
Vývojové riešenie bolo zamera-né na nasledovnú skupinu úloh: identifikácia systémových požiadaviek, vývoj riadiacich obvodov na báze nových a do-stupných VLSI komponentov (zahrňujúci aj algoritmy MPPT), vývoj vstupných a výstupných obvodov FV invertora (zahrňujúci ochranné a bezpečnostné funkcie, EMC), vývoj výkono-vých obvodov s nízkymi stratami (využitie kompaktných výkonových prvkov), vývoj verifikačného a aplikačného programového vybavenia, konštrukčný návrh a overenie prototypov. Bloková schéma riešenia FV invertorov AMON, typového radu 2,6 kW, 3,5 kW, 4,3 kW, je uvedená na obr.1.

Vstupné jednosmerné obvody a ich riadenie
Z dôvodov zabezpečenia čo najväčšej účinnosti energetickej konverzie sú jednofázové FV invertory AMON koncipované ako beztransformátorové s jedným alebo dvomi zvyšovacími jednosmernými (DC/DC) stupňami na vstupe. Napätia z FV poľa sú privedené cez vstupné EMC filtre na vstup zvyšovacích DC/DC meničov. Tie sú tvorené výkonovými tlmivkami, výkonovými diódami a tranzistormi v IGBT module (obr.2).

Zvyšovacie DC/DC meniče pracujú do jedného kondenzátora a zabezpečujú dostatočné napätie na vstupe DC/AC meniča. Pre dosiahnutie vysokej spoľahlivosti a životnosti meniča bol použitý fóliový kondenzátor. Riadenie, ako súčasť riadiaceho modulu, zahrňuje aj algoritmy MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Na základe porovnania metód pre algoritmy MPPT, bol vybraný algoritmus P&O (Perturbation and Observation). Metóda je založená na meraní reálnych parametrov FV poľa, pripojeného na vstup invertora. Meria sa vstupné napätie VDC a vstupný prúd IDC . Výhodou tohto algoritmu je jednoduchosť a pomerne malá závislosť od FV poľa. Zjednodušená vývojová schéma použitého algoritmu je uvedená na obr.3.

Výkonové DC/AC obvody a ich riadenie
Základom výkonovej časti DC/AC meniča je integrovaný IGBT modul, ktorý zahŕňa všetky výkonové polovodičové komponenty ako aj potrebné budiace a ochranné obvody. Použitie IGBT modulu je výhodné z hľadiska veľmi dobrých elektrických parametrov, vysokej spoľahlivosti a menších priestorových nárokov.

Menič je tvorený H-mostom zo štyroch výkonových tranzistorov v IGBT module (Obr.4). Zabezpečuje beztransformátorovú premenu jednosmerného (DC) napätia a prúdu na striedavé (AC) veličiny so želanými parametrami. Šírkovo modulovaný výstup DC/AC meniča je filtrovaný výkonovým LC filtrom a cez výkonové relé a EMC filter je pripojený priamo k distribučnej sústave NN, 230V/50Hz. Výkonový LC filter je tvorený výkonovými tlmivkami a kondenzátorom. Pri výrobe tlmiviek, v spínacích procesoch, sa začali používať tzv. nanokryštalické jadrá z amorfných kovov. Tieto jadrá dovoľujú vysoké sýtenie a majú pomerne nízke straty, čo umožňuje konštrukciu tlmiviek s menšími rozmermi v porovnaní s feritovým tlmivkami. Vykonané merania potvrdili ich dobré vlastnosti a vhodnosť použitia vo FV invertoroch.

Riadenie výkonových obvodov, ako súčasť celkového riadenia FV invertora, spína výkonové tranzistory a odpája meniča od distribučnej sústavy, v prípade jej poruchových stavov. Je to vtedy, keď sa na rozhraní zistia parametre, ktoré sú mimo povolenej tolerancie. Zisťuje sa izolačný stav, únikový prúd, napätie a frekvencia siete. Na základe signálov o netolerantných hodnotách riadenie odpája od siete svoju výkonovú časť. Riadenie je postavené na báze signálnych procesorov firmy Texas Instruments.

Filtračné a ochranné funkcie, obvody rozhrania FV invertora
Na splnenie požiadaviek EMC sú na vstupoch a výstupe FV invertora použité EMC filtre (obr. 5). Sú tvorené kompenzovanými tlmivkami, X-kondenzátormi a Y-kondenzátormi. Frekven-čná charakteristika filtrov dostatočne potlačuje spektrum rušivých signálov, ktoré menič pri svojej činnosti nevyhnutne generuje. Boli použité kompenzované tlmivky s toroidným jadrom z nanokryštalického amorfného kovu.

Riadiaci a zobrazovací modul, komunikačné rozhranie
Kompaktný modul je realizovaný prostredníctvom centrálnej procesorovej jednotky (CPU) s hodinami reálneho času (RTC), veľkým grafickým displejom 128 x 64 bodov, štyrmi navigačnými tlačidlami (Tl1-Tl4), troma indikačnými diódami LED1-LED3 a komunikačnými kanálmi (obr.6 ).

Jeho hlavnou úlohou je konfigurovať FV invertor, zobrazovať merané veličiny, archivovať získané dáta a komunikovať s okolím. K modulu DC/DC a DC/AC riadenia FV invertora je pripojený rýchlym vnútorným kanálom s rozhraním RS485. Modul sprostredkováva komunikáciu medzi FV invertorom a externými zariade-niami pomocou troch rozhraní: rádiové spojenie na frekvencii 868 MHz s rýchlosťou 100 kbps, spojenie na dlhé vzdialenosti cez galvanicky oddelené rozhranie RS485 (prepojenie ďalších FV invertorov) a priame pripojenie na PC cez USB konektor. Pomocou softvérového vybavenia, si užívateľ má možnosť zvoliť, ktoré parametre majú byť neustále zobrazované na displeji. Konfiguračné hodnoty sa ukladajú v internej pamäti. Dáta sú archivované na SD karte vo formáte, priamo použiteľnom v PC. Sledujú sa aj štatistické údaje o získanej energii počas chodu FV invertora. Uľahčí sa tým analýza výpadkov, spôsobených poruchami FV poľa alebo distribučnej siete.

Konštrukčné vyhotovenie a hlavné technické údaje
Konštrukčne sú FV invertory AMON vyhoto-vené v špeciálnej kovovej rozvádzačovej skrin-ke s dvier-kami. Tým je zabezpečený dobrý prís-tup k jednotlivým komponentom pri uvádzaní do chodu alebo ser-visnom zá-sahu (obr. 7). Vstupné ko-nektory a prie- chodky pre pripojenie FV polí, distribučnej siete a komunikačnej linky sú umiestnené v spodnej časti skrinky. Tu je umiestnený aj výkonový vypínač pre odpojenie FV invertora od energie vstupného FV poľa.

Záver
Na Slovensku sú v súčasnosti (30. 6. 2011) vybudované FV elektrárne s celkovým inštalovaným výkonom 480,35 MW. Je to pomerne veľký nárast, ale dosiahnutý prevažne malým počtom veľkých elektrární s výkonom cca ~ 1 MW. Ich výstavbu si mohli dovoliť len solventní investori. Preto sa nenaštartoval očakávaný efekt z FV aplikácií (hlavne zo SRN), t.j. stavby veľkého počtu malých inštalácií, hlavne na strechách rodinných domov, budovách alebo ich fasádach. Nenaplnil sa predpoklad, že obnoviteľné zdroje energie budú dostupné širokej mase daňových poplatníkov, ktorí ju v skutočnosti dotujú, ale reálne ju nevyužívajú.
Preto ani nevidia dôvod na jej podporu. Ďalším ne-priaznivým javom je fakt, že len málo slovenských firiem je schopných dodávať pre stavbu FV elektrární svoj vlastný produkt.
Vyvinuté FV invertory, opísané v tomto príspevku, sa môžu stať konkurenčne schopným produktom z dielne slovenskej firmy. Uplatnenie si môžu nájsť hlavne pri stavbe malých jednofázových FV elektrární, pripojiteľných do NN distribučnej sústavy a umiestnených na strechách rodinných domov. To je aj v súlade s novelizáciou zákona č.309/2009, výnosmi ÚRSO a domnievame sa, že aj so zámermi reálneho využívania OZE v praxi.