Falowniki solarne z wartością dodaną podstawą wydajnej farmy fotowoltaicznej - na przykładzie instalacji o mocy 1,4 MW dla Energia Doliny Zielawy

Przykładem potwierdzającym rozwój komercyjnych systemów fotowoltaicznych w Polsce jest farma o mocy 1,4 MW zlokalizowana w miejscowości Bordziłówka, w gminie Rossosz. Inwestycja jest pierwszą elektrownią słoneczną w województwie lubelskim i jedną z największych w kraju - zajmuje obszar 3,5 ha, na którym zainstalowano łącznie 5664 szt. paneli fotowoltaicznych.

Realizacja elektrowni została zakończona w październiku 2014 r., a jej zleceniodawcą jest Energia Dolina Zielawy powołana przez lokalne samorządy, która w drodze przetargu publicznego do realizacji danego zadania wyłoniła firmę Maybatt w konsorcjum z Elektromontażem-Lublin.

Postawione przez zamawiającego wysokie oczekiwania techniczne pod względem stosowanych rozwiązań miały znaczący wpływ na wybór przez wykonawcę dostawców poszczególnych elementów instalacji. To właśnie dzięki ugruntowanej pozycji w dziedzinie rozwiązań z zakresu energetyki odnawialnej oraz stabilne oparcie w wielu innych segmentach rynku m.in. zasilania gwarantowanego, automatyki przemysłowej, Delta Energy Systems została wybrana jako dostawca serca systemu - falowników solarnych.

W ramach projektu dostarczono 70 falowników Delta Solivia 20TL G4 o mocy 20 kVA, wyróżniających się na rynku jedną z najlepszych sprawności, oraz, co jest niezwykle ważne dla zapewnienia efektywnej pracy farmy - sprawnie działającego lokalnego wsparcia technicznego i serwisu producenta.

PROBLEM Z MOCĄ BIERNĄ

Fot. 1. Falownik Solivia 20TL

Jednym z bardzo istotnych problemów, z jakim wykonawca spotkał się przy realizacji, okazała się moc bierna o charakterze pojemnościowym, której obecność miała wpływ na obniżenie efektywności systemu fotowoltaicznego. Występowanie mocy biernej o charakterze pojemnościowym w systemach elektroenergetycznych jest zjawiskiem znanym, natomiast sytuacja obecności mocy biernej w instalacjach fotowoltaicznych jest zjawiskiem stosunkowo nowym, gdyż przede wszystkim dotyczy dużych farm fotowoltaicznych, które w Polsce dopiero zaczynają powstawać.

Moc bierna w tego typu systemach nie jest zasadniczo duża (zazwyczaj jest to kilka procent w stosunku do mocy maksymalnej), niemniej jednak jakakolwiek jej obecność przekłada się bezpośrednio na dodatkowe opłaty. Głównym źródłem mocy biernej jest obecność kondensatorów w falownikach solarnych, pojemność okablowania AC, a także prąd biegu jałowego transformatora.

Dla systemów instalacji fotowoltaicznych obowiązują normy określające sposób pracy falowników solarnych (EN 50438 i VDE AR-N 4105) dopuszczające występowanie mocy biernej, a zarazem nakładające wymóg kompensacji mocy biernej powyżej 20% mocy nominalnej falownika. Oznacza to, że w warunkach niedostatecznego oświetlenia - wschód i zachód słońca, duże zachmurzenie, dopuszcza się generowanie pewnej ilości mocy biernej przez falowniki solarne.

Na podstawie własnych doświadczeń i przeprowadzonych pomiarów na rzeczywistych działających instalacjach opartych na falownikach Solivia 20TL jesteśmy w stanie potwierdzić, że dzięki wbudowanej funkcji optymalizacji korekcji współczynnika mocy biernej falowniki rozpoczynają kompensację mocy już od 10% ich mocy znamionowej. Jednakże w polskich warunkach nie jest to wystarczające, gdyż pojawienie się jakiejkolwiek mocy biernej pojemnościowej zakład energetyczny traktuje jako ponadumowną moc i wiąże się to z naliczaniem dodatkowych wysokich opłat.

Mając na uwadze eliminację mocy biernej w danym układzie, zespół inżynierów firmy Maybatt oraz Delta Energy Systems w oparciu o wspólne doświadczenie zaproponował właścicielowi farmy wykonanie szczegółowej analizy oraz pomiarów, w wyniku których udało się ustalić poziom oraz czas występowania mocy biernej w systemie.

Wyniki potwierdziły przypuszczenia - największa wartość przypadała na czas rozruchu farmy, podczas wschodu i zachodu słońca, czyli w momencie, kiedy falowniki pracują poniżej 10% mocy nominalnej. Drugim zauważalnym momentem jej powstawania jest noc lub moment, kiedy nie jest wytwarzana energia i system jest w stanie uśpienia, wtedy poziom mocy biernej pojemnościowej jest stały aż do momentu startu systemu.

Fabrycznie wbudowana funkcja wyłączenia kompensacji mocy biernej w falownikach Delta Solivia w okresie niewystarczającego naświetlenia ma za zadanie podniesienie efektywności falownika (ograniczenie kosztów oraz wydłużenie żywotności), gdzie dla przykładu w wybranych konkurencyjnych falownikach wewnętrzna kompensacja pracuje również w nocy, a do podtrzymania tej funkcji zużywana jest energia z sieci. Praca ciągła wbudowanego układu kompensacji mocy biernej w falowniku ma również wpływ na szybsze zużycie podstawowych elementów urządzenia, a wymiana zużytych podzespołów może okazać się w ogóle nieopłacalna.

SYSTEM KOMPENSACJI

W celu zoptymalizowania gospodarki energią elektryczną został zaproponowany, a następnie dostarczony centralny system kompensacji mocy biernej oparty na dławikach o mocy 85 kvar. Głównym zadaniem kompensatora jest redukcja mocy biernej podczas rozruchu farmy w czasie wschodu i zachodu słońca oraz w nocy, kiedy falowniki znajdują się w trybie uśpienia i system wewnętrznej automatycznej kompensacji falownika mocy biernej jest wyłączony. Odpowiednio dobrane stopnie dołączania dławików dodatkowo pozwalają na uzupełnienie kompensacji realizowanej przez falowniki również w ciągu dnia, kiedy promieniowanie słoneczne jest zbyt niskie lub występuje chwilowe zaciemnienie części instalacji.

Zainstalowany układ zewnętrznej kompensacji zintegrowany został z systemem monitorowania falowników (stworzonym przez programistów firmy Delta Energy Systems na potrzeby farmy) oraz z analizatorem sieci, zainstalowanym w punkcie przyłączenia do sieci dystrybucyjnej. Dzięki temu uzyskano bardzo precyzyjny układ automatycznej kompensacji dostosowujący się do dynamicznie zmieniającej się sytuacji.

W wyniku działania zainstalowanego układu kompensacji moc bierna w systemie fotowoltaicznym została zredukowana w sposób znaczący, a jej poziom w najgorszym przypadku nie przekracza 1% maksymalnej mocy systemu niezależnie od dynamicznie zmieniającej się ilości wytwarzanej energii.

PODSUMOWANIE

Na przykładzie instalacji farmy fotowoltaicznej użytkowanej przez Energię Dolina Zielawy warto zauważyć, że oprócz zagadnień projektowych i instalacyjnych typowych dla instalacji fotowoltaicznych należy pamiętać również o mocy biernej pojemnościowej, z której obecnością należy się liczyć w tego typu systemach niezależnie od tego, jakiego producenta stosowane są urządzenia.

Zatem jeszcze na etapie koncepcyjno-projektowym warto przewidzieć występowanie mocy biernej pojemnościowej, następnie podjąć próbę negocjacji umowy z operatorem sieci energetycznej dotyczącej opłat za moc bierną pojemnościową oraz zaprojektować zewnętrzny układ kompensacji mocy biernej zintegrowany z falownikami solarnymi.

Uzyskanie dwustronnego zabezpieczenia się w postaci niskich stawek za moc bierną oraz przystosowanie instalacji elektrycznej do podłączenia zewnętrznego urządzenia do kompensacji mocy biernej daje użytkownikowi gwarancję osiągnięcia wysokiej wydajności instalacji fotowoltaicznej niezależnie od panujących warunków atmosferycznych, pory dnia czy zmian legislacyjnych ze strony prawa energetycznego lub operatorów energetycznych.

Delta Energy Systems (Poland) Sp. z o.o.
www.solar-inverter.com