Napięcie rozpoczęcia pracy falownika (Udc start)

Poniższy artykuł wyjaśnia, jak należy traktować parametr nazwany jako “napięcie rozpoczęcia pracy falownika”, a oznaczany jako U_{DC start}. Prawdopodobnie to nazwa tego parametru prowadzi do mylnej interpretacji, że jest to wartość napięcia, przy której falownik rano rozpoczyna pracę. Wyjaśniamy, jak jest naprawdę.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne

Najpierw przypomnijmy sobie, jak działa ogniwo fotowoltaiczne oraz jak wyglądają zależności napięcia i prądu od wartości natężenia promieniowania słonecznego. Bardzo dobrze przedstawia to poniższy wykres:

Kiedy zależność prądu jest praktycznie liniowa, to w przypadku napięcia już małe wartości natężenia promieniowania świetlnego powodują, że na zaciskach modułów pojawiają się znaczące wartości. Ten fakt wyjaśnia m.in. zaskakujące zjawisko, w którym łańcuch modułów fotowoltaicznych oświetlony uliczną lampą daje napięcie o wartości kilkudziesięciu woltów. Oczywiście łańcuch taki nie będzie dawał mocy, ponieważ zbyt mały jest prąd (o czym więcej będzie poniżej).

Efekt ten widać również na charakterystykach prądowo-napięciowych modułów PV. Poniżej wycinek z karty jednego z wiodących producentów:

Podczas gdy prąd oraz moc bardzo silnie zależy od wartości promieniowania, o tyle wartość napięcia układu otwartego (U_OC), czy też napięcia w punkcie mocy maksymalnej (U_mpp) praktycznie zmienia się w zakresie zaledwie kilku procent.

Napięcie na modułach fotowoltaicznych pojawia się już przy kilkunastu/kilkudziesięciu W/m².  Gdy falownik po raz pierwszy włącza się rano, każdy moduł fotowoltaiczny działa już z napięciem około 30 woltów i prądem 0,1 ampera. Gdy słońce wzejdzie, prąd zwiększy się do 2 amperów, a następnie do 3 amperów i osiągnie maksimum około dziewięciu amperów w pełnym słońcu. Napięcie pozostaje jednak prawie takie samo: około 30 woltów (U_mpp).

Parametry wejściowe falownika

Spójrzmy na kartę techniczną dla falowników trójfazowej rodziny SYMO o mocach od 3.0 do 4.5kW:

Napięcie rozpoczęcia pracy (U_{DC start}) to 200V, ale zakres napięcia wejściowego U_{DC min} zaczyna się od 150V. Jak należy rozumieć te wartości? Napięcie na łańcuchu modułów musi przekroczyć 200V, aby falownik mógł rozpocząć pracę. W praktyce, we wczesnych godzinach porannych, gdy moduły są jeszcze schłodzone po nocy taką wartość U_OC osiąga się na kilkadziesiąt minut przed wschodem Słońca. Gdy układ MPP (poszukiwania punktu mocy maksymalnej) zaczyna pracę, napięcie na łańcuchu modułów zmniejsza się i ważne jest, aby nie spadło poniżej minimalnej dopuszczalnej wartości (czyli 150V). Oczywiście należy uwzględnić przy tym wpływ temperatury – a jak wiadomo moduły nagrzewają się najbardziej w godzinach okołopołudniowych.

Napięcie rozpoczęcia pracy oraz minimalna wartość napięcia wejściowego wykorzystuje się do wyliczenia minimalnej “długości” łańcucha modułów, tj. ilości modułów, przy której falownik podejmie pracę i będzie również działał w miesiącach letnich, przy dużych wzrostach temperatury ogniw.

Policzmy, jak to działa.

W karcie technicznej jednego z lepszych modułów dostępnych na rynku możemy odczytać wartość napięcia w punkcie MPP, oraz współczynniki temperaturowe:

Z powyższych możemy odczytać:

U_mpp @ STC = 31,1V
Wsp. temp V_OC = -0,32%/°C

Moduły fotowoltaiczne, a konkretnie ogniwa, w upalne dni mogą nagrzać się nawet 30-35°C powyżej temperatury otoczenia. Dużo oczywiście zależy od chłodzenia takich modułów. Te zainstalowane na dachu będą nagrzewały się bardziej, niż te wolnostojące. Przyjmijmy dla prostego rachunku, że temperatura ogniw może osiągnąć 75°C, czyli +50°C powyżej temperatury STC.

Spadek napięcia wynikający z tak wysokiej temperatury wyniesie:

-0,32%/°C ⋅ (75°C – 25°C) = -0,32%/°C ⋅ 50°C = -15,96%

Czyli napięcie w punkcie mocy maksymalnej będzie miało wartość:

U_mpp = 31,1V – 15,96% = 26,14V

A zatem, aby osiągnąć minimalne napięcie wejściowe falownika:

U_{DC min} / U_mpp = 150V / 26,14V = 5,74

Zatem minimalna ilość modułów w pojedynczym łańcuchu dla zapewnienia poprawnej pracy falownika wynosi 6 sztuk (> 5,74).

Niestety, czasami spotykamy się z błędem, polegającym na niewłaściwym wyliczeniu minimalnej ilości modułów w łańcuchach. To poważny błąd projektowy, zwłaszcza, że jest dostępne bezpłatne narzędzie: Solar.Configurator, które znacznie ułatwia to zadanie. W efekcie instalacja zamontowana zimą lub wczesną wiosną działa w miarę poprawnie, po czym w miesiącach letnich systematycznie wyłącza się w cieplejsze dni.

Czym to się objawia? Jeśli projektant lub instalator wybierze dla powyższej kombinacji tylko 5 modułów w jednym łańcuchu, przy STC (25°C temp. ogniw; 1000W/m²) otrzymamy:

U_{mpp łańcucha @ 25°C} = 31,1V x 5 sztuk = 155,5V czyli więcej niż 150V

W chłodniejsze dni falownik będzie zatem pracował. Ale w upalne dni:

U_{mpp łańcucha @ 75°C} = 26,14V x 5 sztuk = 130,7V czyli mniej niż 150V

Przy takiej wartości napięcia wejściowego falownik się wyłączy.

Wszystkim, którzy chcą się zapoznać z narzędziem Solar.Configurator polecamy Webinarium #07 :: Solar.configurator 4.0

Kiedy falownik “startuje”, czyli zaczyna wprowadzać energię do sieci?

No dobrze, czas rozprawić się z jednym z bardziej popularnych mitów na portalach społecznościowych: “im niższe napięcie startu falownika, tym falownik wcześniej rozpoczyna pracę“. Użytkownicy portalu Solar.Web w zakładce ANALIZA mają dostęp do wszystkich wykresów najważniejszych parametrów zarówno po stronie DC, jak i AC (tym, którzy nie posiadają monitorowanej instalacji polecamy przycisk “ZOBACZ DEMO” na głównej stronie portalu). Spójrzmy na wykresy napięcia, prądu i mocy po stronie DC, które można uzyskać zaznaczając w zakładce URZĄDZENIA wybrany falownik, a następnie odpowiednie KANAŁY: napięcie i prąd DC oraz moc łączną.
Dla lepszej czytelności zrobiliśmy powiększenie fragmentu obejmujące godziny przedpołudniowe:

Oto zdarzenia, które mają miejsce we wczesnych godzinach porannych:

czas	zdarzenie
03:30	punkt (A): napięcie UOC (układu otwartego) przekracza 150V
03:40	punkt (B): napięcie UOC przekracza 200V, czyli napięcie rozpoczęcia pracy falownika SYMO 3.7-3-M
04:20	zgodnie z kalendarzem: astronomiczny Wschód Słońca w dniu 21/06/2018 w okolicy Włocławka (tam jest zlokalizowana nasza instalacja)
04:25	pionowa linia niebieska: falownik rozpoczyna pracę, czyli wprowadzanie energii do sieci. Widać jak urządzenie MPP przesuwa napięcie z UOC do Umpp.

 

Do rozpoczęcia pracy falownika potrzebna jest moc, a moc to:

Nawet jeśli na modułach pojawi się wystarczająca wartość napięcia, ale natężenie promieniowania będzie nadal zbyt niskie, aby moduły wytworzyły prąd, falownik *nie* będzie wprowadzał energii do sieci. Moc przy wysokim napięciu, ale prądzie równym 0A, nadal wynosi 0W. Widać to wyraźnie na wykresie powyżej: napięcie na modułach pojawia się z pierwszym brzaskiem – na długo przed wschodem Słońca. Ale dopiero gdy natężenie promieniowania jest wystarczająco duże, aby pojawił się prąd – a co za tym idzie: moc, falownik rozpoczyna wprowadzanie energii do sieci.

WNIOSEK

Wartość napięcia rozpoczęcia pracy nie ma żadnego wpływu na wcześniejsze rozpoczęcie pracy (tj. wprowadzania energii do sieci) przez falownik.