ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 2, 2017

Интелигентни соларни инвертори

Интелигентни соларни инвертори

Умен инвертор се превърна в модерна дума в индустрията, но какво наистина означава тя? С бързото увеличаване на броя слънчеви системи, които биват инсталирани всяка година, и тъй като все повече потребители се превръщат и в производители, нараства и очакването за по-голяма функционалност на инверторите. Тази промяна включва преминаването от просто поддържане на минимални стандарти за безопасност и качество на енергията към измерване и чувствителност към условията на електрическата мрежа в активна и високо динамична среда.

Не е новост, че с увеличаване на разстоянието от подстанцията до потребителите, напрежението намалява. Но въпреки това навлизането на фотоволтаичните инсталации е достатъчно голямо, за да компенсира и увеличи напрежението на системата. Ако количеството генерирана от слънцето енергия е прекалено голяма, напрежението може да надхвърля нормалния допустим диапазон на натоварване на системата дори и в по-отдалечени от подстанцията участъци. От друга страна липсата на слънчево греене поради метеорологични влияния (например гъста облачност) също може да предизвика множество проблеми.

Как смарт инвертора подпомага мрежата
Смарт инверторната технология притежава по-интелигентни и фокусирани изцяло на нуждите на мрежата способности. Чрез нея се поддържа връзка с мрежата, като се елиминират незначителните нарушения, дължащи се на колебание на напрежението или честотен обхват извън нормалните граници. Подава се не само активна мощност, но също така и се генерира или консумира реактивна мощност, за да се подпомогне отстраняването на люлеене на напрежението, което е присъщо на слънчеви фотоволтаични системи. Улесняват се комуникациите в реално време, което позволява дистанционно управление, чрез което да се включат/изключат функции, да се променят зададени параметри, доколкото е необходимо от страна на мрежата. Интелигентните инвертори с подходящи функции и настройки могат да поддържат електрическата мрежа стабилна дори при навлизането на периодични енергийни ресурси (каквито са фотоволтаичните инсталации, вятърните генератори и други).

Що е то умен инвертор
Интелигентните хибридни инвертори или интелигентни мрежови инвертори са ново поколение специализирани непрекъсваеми захранвания (UPS), които се използват при генериране на възобновяема енергия за домашна консумация, главно от слънчеви фотоволтаични инсталации. Електрическата енергия от слънчеви панели се генерира само през деня, с пик на производството около обяд. Това производство е с колебателен характер и не е синхронизирано с потреблението на електроенергия в домакинство. Разликата между произвежданата в момента енергия и необходимата, за времето през което фотоволтаичната система не произвежда електроенергия, трябва да се преодолее или компенсира. Решението е съхранение на енергията за по-нататъшна употреба, както и управление на това съхранение и потреблението на енергия. С развитието на системите, използващи възобновяеми енергийни източници, и повишаващите се цени на електроенергията много частни фирми и изследователски лаборатории се грижат за разработването на интелигентни инвертори, чрез които се дава възможност за съответствие и контрол между производство и потребление на енергия.

За да се счита един инвертор за умен, той трябва да има цифрова архитектура, двупосочна комуникация и стабилна софтуерна инфраструктура. Системата започва с надежден, здрав и ефективен силиций-ориентиран хардуер, който може да се контролира чрез съответната софтуерна платформа, включваща голям набор от възможности за наблюдение и следене на изпълнението. Умният инвертор трябва да бъде адаптивен и да осигурява бързото и сигурно изпращане и получаване на съобщения, както и данни за собственика, комунални и други заинтересовани страни.

Тези интелигентни системи позволяват монтажно-сервизна диагностика и лесна поддръжка. Също така те предлагат прогнозиране и възможност за дистанционно обновяване и коригиране на параметрите на инвертора. Включеният програмен интерфейс (API) с голяма функционалност, предоставя на собствениците на фотоволтаични паркове и други партньори голям набор от начин за свързване на собствения си софтуер за създаване на мощни инструменти на корпоративно ниво. API е набор от инструкции за програмиране и достъп до уеб софтуер или уеб-базирани инструменти.

Принцип
Смарт-грид дава възможност за избор и ориентация между възобновяема енергия, енергия от електрическата мрежа и съхранение на енергия, базирана на потреблението. За разлика от конвенционалните инвертори (съхраняващи енергията в батерии, което води до значителна загуба на добив), хибридните инвертори съхраняват енергия само при необходимост, например когато има повече продукция от консумацията. Тази система също така позволява избора дали електроенергията от фотоволтаичните панели да се съхранява или да се консумира посредством вътрешна интелигентна система за контрол. Това е възможно чрез техника, която добавя различни енергийни източници и осигурява управлението на съхранение на електрическа енергия в батерията. Затова хибридните инвертори могат да работят свързани с мрежата, извън нея, както и хибридно, в и извън мрежата едновременно. Според Европейския фонд за регионално развитие (ЕФРР) интелигентните инвертори са бъдещето на фотоволтаичните инсталации, посветени на самостоятелното използване на енергия или авто-консумация на енергия.

Приложение
Ръстът на слънчевите фотоволтаични инсталации на пазара и в ежедневието през последните години е забележителен, като общият им брой се покачва постоянно. Това е впечатляващо, но все пак е само „капка в морето“ в сравнение с десетките милиони покривни и земно-монтирани фотоволтаични системи и паркове, които ще бъдат действителност през следващите няколко десетилетия. Въздействието на това все по-нарастващото навлизане на разпределено и прекъснато производство от възобновяема енергия прави наложително осигуряването на устойчива и интелигентна инфраструктура. Стъпка, която да запази преноса на електрическа енергия стабилен. Един критичен компонент, който ще даде възможност за успешен преход, е умният инвертор, който все повече ще се превръща в упълномощен мозък на интелигентната слънчева мрежа.

Предимства
Нарастващата техническа сложност и подобрени възможности на съвременните инвертори показват, че много производители са на път към постигане на интелигентен инвертор, но не всички инверторни технологии и контрол на софтуерни пакети са еднакви.

Инверторните технологии дават някои предимства за жилищни, търговски и евентуално мащабни слънчеви инсталации. Това включва висока резервираност чрез разпределена AC архитектура, която подобрява разходите на система и намалява операциите и сложността за поддръжка. Интегрирането на умен инвертор може да спомогне за намаляване на цената на енергията, улесняване на по-голямо производство на енергия за целия живот на системата, надеждност на системата за непрекъсната работа при ниска цена, като намалява инвестицията за инсталация, труд и материали. Също са способни да предоставят набор от усъвършенствани функции по електрическата мрежа, изисквани от някои регулаторни стандарти за стабилността на мрежата, като например контрол на наземна скорост, съкращаване на мощността, откриване на повреди и поддържане на напрежение чрез реактивна енергия.

Най-усъвършенстваните инвертори са адаптивни и по същество представляват ядрото на това, което може да се нарече смарт мрежа, софтуерен инвертор. Ползите от такава система за софтуерно управление включват възможността за предоставяне на услуги за поддръжка на мрежа по еволюционен начин в рамките на повече от 20-годишен експлоатационен период на платформата чрез софтуерни актуализации, които могат да бъдат направени без подмяна на хардуера.

Умният инвертора трябва да има разширени функции за управление на мрежа, чрез които да подпомага за решаване на сложните технологични предизвикателства. Интелигентните инвертори с възможности за управление на мрежа вече отговарят на нуждите на пазара и на комуналните услуги. Въпреки това, на фотоволтаичният пазар се очаква появата на най-голям ръст през следващите години и то в търговския сектор, което ще изисква употребата на най-съвременните фотоволтаични компоненти за борба с последиците от повишено навлизане на соларните технологии. По същия начин, в избрани пазари, като Хавай, където нивата на навлизане на фотоволтаични системи са значителни или където модерната електрическа инфраструктура липсва, функциите за управление на мрежа ще бъдат необходими дори и в жилищни инсталации.

Опциите за управление на мрежата на утрешния умен инвертор ще бъдат всеобхватни и персонализирани на базата на местните разпоредби. Той ще включва реактивна мощност с фиксиран или при поискване динамичен контрол и намаляване на мощността честотно, в зависимост от която да се осигурява стабилността на мрежата. Също така ще бъде вградено намаляване на мощността по заявка за управление на безопасността мрежата.

Инструменти за мониторинг и комуникация ще допълват инвертора и ще играят голяма роля в инициирането възможностите за управление на мрежата. За по-големи инсталации, тези устройства осигуряват надежден мониторинг и контрол на няколко инвертора едновременно, и лесно използване за малки системи, така наречената функция plug-and-play, като многобройните възможности за свързване позволяват точна оценка и висока прецизност.

За да бъде успешен, смарт инвертора трябва да бъде изключително надежден и многофункционален, да гарантира безотказна работа, а също така да предлага гъвкавост в дизайна и подобряване на безопасността. Той ще има висока ефективност на преобразуване и усъвършенствани алгоритми за следене точката на максимална мощност (MPPT), които да сведат до минимум последиците от засенчване при максимално производство на енергия. Жилищните и търговски инвертори ще разполагат с по-голяма гъвкавост чрез широки граници на входното напрежение, множество независими MPPT входове и възможност за монтиране на инвертора по най-различни начини и равнини. Ютилити сектора ще може да използва продукти с по-голяма интеграция на системата, включително преобразуване на енергията, контрол и следене на инсталацията и множество технологии средно напрежение.

За щастие на потребителите, нуждаещи се от интелигентни технологии и решения, водещите производители на соларни компоненти вече предлагат инвертори с тези функции, които са в състояние да подпомогнат увеличаването на навлизането на фотоволтаичните инсталации в мрежата. Независимо от приложението им (домашни или промишлени), най-важното е да се направят планове за бъдещето при неутрализиране на предизвикателствата на днешния ден, като се избере инвертор с разширени функции и помощен екип, който да позволява следене на своите бизнес цели в реално време.

В интелигентна мрежа на бъдещето, генераторите ще трябва да общуват с потребителите и мрежата за осигуряване на стабилни и сигурни доставки. При Smart Grid технологията, комуникацията между различните устройства в мрежата, и по-специално инверторите, се осъществява чрез данни за енергията и напрежението, които могат да помогнат за направата на оценка на разпределението на енергия.

Предизвикателството е да се интегрират тези нови чисти форми на енергия от възобновяеми източници - вятърни и соларни – като се елиминират непредсказуемите колебания, свързани с техните прекъсвания, които могат да жертват надеждността на захранване. Това е проблемът, за отстраняването на който умните инвертори ще играят ключова роля. Въпреки това, ако интелигентните инвертори не се инсталират, ударните вълни от подобен род колебанията на напрежението могат да повредят оборудването в дома, уреди и други. Без смарт инверторите биха се увеличили и общите разходи за поддръжка на мрежата, което ще доведе до необходимост от по-скъпи алтернативни методи, както и от справяне с възможното увеличение на прекъсванията в разпределителната мрежа.

Фирмени решения
Fronius вече предлага на пазара своя умен инвертор. Разполагащ с множество вградени интелигентни функции, той подготвя потребителя за бъдещите изисквания. Подсигурен е с бързо и лесно актуализиране на софтуера чрез различни приложения. В допълнение, могат да се активират и настроят функции за поддръжка на мрежата, които позволяват да се предотврати загуба или прекъсване на електрозахранването.

От голяма важност е също оптимизирането на реактивната мощност, така че да има максимален добив от фотоволтаичната система. В действителност, мрежата трябва да захранва, само ако напрежението й е в рамките, определени от закона. Но поради върховото производство, напрежението може да достигне стойности извън граничните. За избягване на тази неприятна ситуация, Fronius инверторите могат да повлияят както на активна така и на реактивната мощност на мрежата целенасочено. В допълнение, инверторът може да стабилизира мрежата с асиметрична мощност. Ако напрежението е прекалено високо в една фаза, инверторите Fronius могат да намалят мощността им, като същевременно и да осигурят повече мощност към мрежата в другите две фази. Това асиметрично захранване целенасочено намалява загубата на енергия и подобрява напрежение на мрежата.

В продажба са и умните инвертори на SMA, отговарящи изцяло на новите изисквания и очаквания на потребителите. За улеснение на клиентите си, SMA са разделили продуктите си в три категории – жилищни, търговски или помощни инвертори. Освен възможностите за комуникация и наблюдение, смарт инверторите SMA поддържат активната и реактивната мощност като предоставят възможност за динамично инжектиране на реактивна мощност в мрежата, както и широк честотен диапазон.

Интелигентните SMA инвертори разполагат с опция за избор между ограничена или пълна поддръжка на мрежата в динамична среда. Активната мощност може да бъде ограничавана при поискване или в зависимост от честотата на мрежата - инверторът интерпретира изменението на честотата, регулира активната мощност, в следствие на което честотата се връща в нормалните граници. Предлага се също и реактивно захранване при фиксиран режим, при поискване или в режим на динамичен контрол. Инверторът може да бъде контролиран въз основа на отдалечени команди от системен оператор или компютърно-базирано управление. Поведението на SMA инверторът може да бъде следено в реално време, което предоставя на потребителите голям набор от възможности за анализ и мониторинг на цялата мрежа.

Още един от производителите на инвертори представи своето смарт решение – IMEON. Умният инвертор IMEON е подходящ за всякакви мрежи – Smart Grid, островни инсталации, системи за собствени нужди, базирани на възобновяеми енергийни източници, както и за свързване директно към разпределителната мрежа. Производителя гарантира ефективност над 30% и лесни монтаж и експлоатация.

Интелигентното управление на съхранението, ориентира произведената енергията в съответствие с условията на потребление и нужда от съхранение. Също разполага с възможност за локален или дистанционен мониторинг. Инверторът управлява зареждането и разреждането на батериите, като по този начин оптимизира ефективността си и удължава живота на батериите. IMEON инверторът е с компактна форма и малко тегло, което го прави подходящ за монтаж в ограничени пространства. Потребителите могат лесно да наблюдават и контролират състоянието на системата по всяко време, като например ниво на производство на инсталацията, консумация на местообитанието, степен на зареждане, нивото на батерията и други. IMEON интелигентните инвертори са оборудвани с опцията IMEON WEBCARD, която позволява наблюдение от разстояние с Android мобилно приложение.