PL248193B1 - Urządzenie minimalizujące czasy wyłączeń 3-fazowych systemów instalacji fotowoltaicznych małej mocy - Google Patents

Abstract

Urządzenie minimalizujące czasy wyłączeń 1-fazowych systemów instalacji fotowoltaicznych małej mocy, charakteryzuje się tym, że ma postać modułu pomiarowo-sterującego (1) składającego się z podzespołu elektronicznego do pomiaru napięcia (2) oraz podzespołu elektronicznego do pomiaru prądu fazowego (3), a także mikrokontrolera 32-bitowego z dwoma niezależnymi rdzeniami (4), z których jeden rdzeń realizuje programowy algorytm filtracji cyfrowej i korekcji fazy strumienia danych pomiarowych napięcia i prądu z przetworników AC, wyznaczania kierunku przepływu prądu i sterowania modułem wykonawczym, a drugi rdzeń opowiada za zapis danych pomiarowych do pamięci nieulotnej i wymianę danych z modułem komunikacji bezprzewodowej zintegrowanego z bezprzewodowym modułem komunikacyjnym (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie minimalizujące czasy wyłączeń 3-fazowych systemów instalacji fotowoltaicznych małej mocy typu on-grid w okresie wzmożonego nasłonecznienia i ograniczonego oddawania energii do sieci energetycznej.

Urządzenie, zwane też optymalizatorem, wraz z systemem fotowoltaicznym podłączonym do publicznej sieci energetycznej minimalizuje czasy wyłączeń falownika fotowoltaicznego z powodu wysokiego napięcia. Dozwolona, maksymalna wartość napięcia w polskiej sieci niskiego napięcia wynosi 253VAC i wynika ona z 10% tolerancji prawidłowego napięcia fazowego (230VAC).

Jeżeli instalacja fotowoltaiczna wyłącza się w wyniku zbyt wysokiego napięcia to takie zdarzenie powinno być zgłoszone do odpowiedniego Zakładu Energetycznego, który powinien podjąć działania obniżające napięcie w swojej infrastrukturze sieciowej. Z drugiej strony zbytnie obniżenie napięcia w sieci negatywnie wpływa na prace urządzeń elektrycznych.

Częstotliwość zmian dopasowania napięcia jest tym większa i trudniejsza w przypadku kilku, kilkunastu niezależnych instalacji fotowoltaicznych w jednej podsieci niskiego napięcia.

Znanym rozwiązaniem jest zastosowanie systemu fotowoltaicznego typu off-grid, czyli instalacji PV, która nie wymaga podłączenia do sieci elektroenergetycznej, ze specjalnym falownikiem fotowoltaicznym wraz z zestawem magazynu energii. W okresie wzmożonego nasłonecznienia nadwyżki energii są gromadzone w zespole akumulatorów, które oddają zgromadzony ładunek w późniejszym okresie. Taki zestaw zwiększa autokonsumpcję i stałość zasilania, lecz jest relatywnie drogi, zwłaszcza dla instalacji 3-fazowej oraz wymaga szczególnego nadzoru.

Innym znanym rozwiązaniem jest instalacja hybrydowa, będąca połączeniem funkcji systemów on-grid i off-grid. Falowniki hybrydowe pracują jako standardowe inwertery sieciowe oddając nadwyżki energii do sieci energetycznej przy jednoczesnej autokonsumpcji oraz gromadzeniu energii w magazynie energii.

Instalacja hybrydowa gwarantuje bezpieczeństwo zasilania gospodarstw domowych, lecz także wysoki poziom autokonsumpcji energii bezpośrednio z paneli fotowoltaicznych uzupełniony magazynem energii. W razie gwałtownego zapotrzebowania niedobór mocy uzupełniany jest z sieci publicznej.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie specjalnego falownika TIE z elektronicznym limiterem eksportu, który w przypadku nadprodukcji płynnie ogranicza wytwarzanie energii z paneli fotowoltaicznych. Takie zastosowanie wymaga użycia drugiego licznika energii, obok jednokierunkowego licznika operatora. Możliwa energia wytwarzana przez system fotowoltaiczny jest ograniczana do autokonsumpcji, a w razie gwałtownego zapotrzebowania uzupełniana z sieci publicznej.

Niedogodnością przedstawionych rozwiązań jest relatywnie wysoki koszt komponentów i reinstalacja już istniejącego systemu fotowoltaicznego, zwłaszcza 3-fazowego małej mocy. Magazyn energii jest drogi i zwykle wymusza wymiany już zainstalowanego falownika z ewentualnymi zgodami Zakładu Energetycznego, brak regulacji prawnych dla instalacji z magazynami energii, co często przekreśla sens modernizacji istniejącej instalacji fotowoltaicznej. Z drugiej strony czasy wyłączeń mogą być długotrwałe, tym samym tracona jest bezpowrotnie energia słoneczna.

Powrót do mocy nominalnej po chwili wyłączenia falownika z powodu wysokiego napięcia w sieci jest łagodny i trwa kilka lub kilkanaście minut - jest to zabezpieczenie sieci przed gwałtownym uderzeniem prądowym w przypadku starszych falowników). W tym czasie jest tracona bezpowrotnie energia, potencjalnie wytworzona przez panele fotowoltaiczne. Jeżeli w trakcie powrotu falownika do mocy nominalnej napięcie w sieci w dowolnej fazie (L1, L2, L3) osiągnie maksymalną dopuszczalną wartość, to po określonym czasie próbkowania falownik wyłączy się ponownie. Jest to nieefektywny przykład pracy systemu fotowoltaicznego, poza innymi przypadkami wyłączeń, takich jak uszkodzenia, prace remontowe linii i tym podobne.

Urządzenie redukuje czasy wyłączeń 3-fazowych systemów instalacji fotowoltaicznych typu on-grid z powodu wysokiego napięcia w sieci zasilającej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma postać modułową na szynę DIN instalowaną w rozdzielnicy elektrycznej NN pomiędzy falownikiem fotowoltaicznym a licznikiem energii elektrycznej operatora, najkorzystniej bezpośrednio za wyłącznikiem różnicowo-prądowym od strony sieci zasilającej. Składa się z dwóch modułów, jeden pomiarowo-sterujący, drugi wykonawczy. Pierwszy układ zawiera 3-fazowy mikroprocesorowy układ pomiarowy napięć, prądów oraz kąta przesunięcia między nimi dla poszczególnych faz (L1, L2, L3). Układ pozwala wykryć wysokie napięcie dla każdej z faz oddzielnie i aby zapobiec wyłączeniu falownika fotowoltaicz nego steruje modułem wykonawczym (modułem obciążenia), który w płynny sposób zwiększa obciążenie w taki sposób, aby napięcie fazowe nie przekraczało 253VAC. Aby uniknąć pobierania energii z sieci mikroprocesor urządzenia analizuje przebiegi napięciowo-prądowe i odcina obciążenie z modułu wykonawczego, wtedy gdy ono występuje. W tym trybie pracy sterownik pracuje w kierunku oddawania energii do sieci. W trybie maksymalizacji autokonsumpcji, cała wygenerowana energia z systemu fotowoltaicznego jest przekierowana do modułu wykonawczego. Wybór preferowanego trybu pracy może być ustawiany ręcznie lub programowo (czasowo). Układ wykonawczy proponuje się wykonać w dwóch wersjach. Jeden zawiera 3-fazowy tyrystorowy moduł w układzie sterownika prądu stałego dedykowanego dla stabilizatorów napięcia stałego, silników prądu stałego - ogólnie obciążenia prądu stałego. Druga to 3-fazowy sterownik prądu przemiennego dedykowany dla silników indukcyjnych, tradycyjnego oświetlenia, zwłaszcza w wykonaniu specjalnym dla obciążeń wysoce indukcyjnych bazujące na alternistorach.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania w rysunkach w których fig. 1 - przedstawia urządzenie składające się z części pomiarowo-sterującej połączonej mostkiem z częścią wykonawczą (obciążenia), zamocowanej na szynie typu DIN w rozdzielnicy elektrycznej NN, a fig. 2 widok obudów modułów z boku.

Urządzenie w postaci modułu pomiarowo-sterującego 1 składa się z podzespołu elektronicznego 2 do pomiaru napięć poszczególnych faz (L1, L2, L3), dla każdej z faz ten sam zestaw komponentów, składający się z transformatora separującego z przekładnią uzwojeń 1:1, drabinki rezystorów precyzyjnych obniżających napięcie, aktywnego filtra dolnoprzepustowego na bazie niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego i 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego z wyjściem danych cyfrowych interfejsem SPI lub I2C o szybkości 1000 próbek/s. A także podzespołu elektronicznego do pomiaru prądu dla poszczególnych faz (L1, L2, L3) 3, dla każdej z faz ten sam zestaw komponentów, składający się z precyzyjnego rezystora bocznikowego, transformatora separującego z przekładnią uzwojeń 1:1, aktywnego filtra dolnoprzepustowego na bazie niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego i 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego z wyjściem danych cyfrowych interfejsem SPI lub I2C o szybkości 1000 próbek/s oraz mikrokontrolera 4 32-bitowego z dwoma niezależnymi rdzeniami. Jeden rdzeń realizuje programowy algorytm filtracji cyfrowej i korekcji kąta przesunięcia strumienia danych pomiarowych napięć i prądów dla poszczególnych faz (L1, L2, L3) z przetworników A/C, wyznaczania kierunku przepływu prądów i sterowania modułem wykonawczym. Drugi rdzeń odpowiada za zapis danych pomiarowych do pamięci nieulotnej i wymianę danych z modułem komunikacji bezprzewodowej zintegrowanego z bezprzewodowym modułem komunikacyjnym 5 w postaci modułu WiFi 2,4/5GHz w standardzie b/g/n oraz moduł Bluetooth 4.x/5.x. Głównie podzespoły 2, 3, 4, 5 zasilane napięciem stałym z zasilacza impulsowego typu 6 typu AC/DC w obudowie kompaktowej do druku PCB o niskim poziomie szumów i tętnień oraz zakłóceń. Podzespoły (2, 3, 4, 5, 6) te umieszczone w obudowie 7 z niepalnego tworzywa sztucznego, korzystnie (poliwęglany), o szerokości 3-ch modułów standardowych, to jest 1 moduł -18 mm szerokości, zamontowanych na szynie DIN 8 w rozdzielnicy elektrycznej 9. Do urządzenia przez złącza śrubowe 10, podłączone są przewody z 3-fazowego systemu fotowoltaicznego zintegrowanego z instalacją domową 11: fazowy (L1), fazowy (L2), fazowy (L3), neutralny (N) i ochronny (PE). Z góry urządzenie może być połączone przez złącza śrubowe 10 z siecią elektroenergetyczną 12 przewodami: fazowy (L1), fazowy (L2), fazowy (L3), neutralny (N) i ochronny (PE). Moduł pomiarowo-sterujący 1 połączony jest z modułem wykonawczym obciążenia 13, w skład którego wchodzi układ tyrystorowy 14 zintegrowany z układem wyzwalania tyrystorów 15 o szerokości 3-ch modułów standardowych, to jest 1 moduł - 18 mm szerokości, zamontowanych na szynie DIN 8 w rozdzielnicy elektrycznej 9 szyną łączeniową widełkową 16 oraz magistralą sterującą 17 zawierającą linie cyfrowe sygnału PWM z mikrokontrolera 4 do wysterowania bloku wykonawczego. Z modułem wykonawczym obciążenia 13 przez złącza śrubowe 10 można podłączyć przewody 3-fazowego obciążenia obwodu tyrystorowego 18: fazowy (L1), fazowy (L2), fazowy (L3), neutralny (N) i ochronny (PE) lub (+), (-) oraz PE, celem jego poprawnego działania.

Zasada działania urządzenia polega na ustawicznym monitorowaniu napięcia 3-faz w sieci przez mikrokontroler z wykorzystaniem podzespołu pomiaru napięcia. W chwili wykrycia, ustawionego programowo, przekroczenia poziomu napięcia np. 253VAC, na dowolnej z faz, po kilku/kilkunastu sekundach, czas ustawiany programowo, następuje przesłanie sygnału PWM z modułu pomiarowo-sterującego do modułu wykonawczego, np. 3-fazowa grzałka do grzania wody, po wysterowaniu tyrystorów pobiera energię z fazy o najwyższym napięciu lub z faz które dozwolony poziom napięcia i powoduje spadek napięcia, tym samym zapobiega wyłączeniu falownika instalacji fotowoltaicznej, spadek o 1-2VAC już jest wystarczający. Prąd płynący w obwodzie obciążenia jest zmienny, proporcjonalnie zwiększany przez kąt otwarcia tyrystorów, gdy napięcie nie spadnie poniżej ustawionego poziomu, a zmniejszany płynnie, gdy poziom napięcia jest poniżej poziomu pętli histerezy pracy urządzenia. Przy odpowiednio dużej mocy zainstalowanego obciążenia, na przykład 3-fazowej grzałki, jest możliwa całkowita autokonsumpcja energii produkowanej przez system fotowoltaiczny, bez jego wyłączenia. Warunkiem koniecznym jest monitorowanie przebiegów prądu w taki sposób, aby w chwili uruchomienia modułu wykonawczego nie był pobierany prąd z sieci energetycznej. Tym zajmuje się podzespół pomiaru prądu fazowego i kod programu mikrokontrolera, wyłączający sygnał PWM dla modułu wykonawczego w chwili wykrycia poboru energii z sieci energetycznej. Napięcie w sieci energetycznej nie jest stałe i zmienia się w zależności od obciążenia w danej chwili w danej podsieci NN. Z obserwacji wynika asymetria napięć w sieci 3-fazowej, sięgająca nawet kilkunastu VAC względem faz, wyraźnie widoczna, gdy podłączone są instalacje fotowoltaiczne 1-fazowe do podsieci 3-fazowej NN. Instalując urządzenie dla każdej instalacji fotowoltaicznej w danej podsieci NN stabilizujemy napięcie w sieci, unikając gwałtownych wyłączeń falowników fotowoltaicznych. Stałość napięcia wpływa korzystnie na żywotność i niezawodność pracy odbiorników elektrycznych jak i infrastruktury sieci energetycznej.

Claims (3)

1. Urządzenie minimalizujące czasy wyłączeń 1-fazowych systemów instalacji fotowoltaicznych małej mocy, znamienne tym, że ma postać modułu pomiarowo-sterującego (1) składającego się z podzespołu elektronicznego do pomiaru napięcia (2), zbudowanego z transformatora separującego z przekładnią uzwojeń 1:1, drabinki rezystorów precyzyjnych obniżających napięcie, aktywnego filtra dolnoprzepustowego na bazie niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego i przetwornika analogowo-cyfrowego z wyjściem danych cyfrowych oraz podzespołu elektronicznego do pomiaru prądu fazowego (3), składającego się z precyzyjnego rezystora bocznikowego, transformatora separującego z przekładnią uzwojeń 1:1, aktywnego filtra dolnoprzepustowego na bazie niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego i 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego, a także mikrokontrolera 32-bitowego z dwoma niezależnymi rdzeniami (4), z których jeden rdzeń realizuje programowy algorytm filtracji cyfrowej i korekcji fazy strumienia danych pomiarowych napięcia i prądu z przetworników A/C, wyznaczania kierunku przepływu prądu i sterowania modułem wykonawczym, a drugi rdzeń odpowiada za zapis danych pomiarowych do pamięci nieulotnej i wymianę danych z modułem komunikacji bezprzewodowej zintegrowanego z bezprzewodowym modułem komunikacyjnym (5), przy czym główne podzespoły (2, 3, 4, 5) są zasilane napięciem stałym z zasilacza impulsowego typu AC/DC (6) w obudowie kompaktowej do druku PCB o niskim poziomie szumów i tętnień oraz zakłóceń, przy czym podzespoły (2, 3, 4, 5, 6) te umieszczone w obudowie (7) o szerokości 3-ch modułów standardowych, to jest 1 moduł-18 mm szerokości, zamontowanych na szynie DIN (8) w rozdzielnicy elektrycznej (9), przy czym do urządzenia, przez złącza śrubowe (10), podłączone są przewody z 3-fazowego systemu fotowoltaicznego zintegrowanego z instalacją domową (11), to jest fazowy (L1), fazowy (L2), fazowy (L3), neutralny (N) i ochronny (PE), przy czym moduł pomiarowo-sterujący (1) połączony jest z modułem wykonawczym obciążenia (13), w skład którego wchodzi 3-fazowy układ tyrystorowy (14) zintegrowany z układem wyzwalania tyrystorów (15) o szerokości 3-ch modułów standardowych, to jest 1 moduł-18 mm szerokości, zamontowanych na szynie DIN (8) w rozdzielnicy elektrycznej (9) szyną łączeniową widełkową (16) oraz magistralą sterującą (17) zawierającą linie cyfrowe sygnału PWM z mikrokontrolera (4) do wysterowania bloku wykonawczego.

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł komunikacyjny (5) ma postać modułu WiFi 2,4/5GHz w standardzie b/g/n oraz moduł Bluetooth 4.x/5.x.

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że obudowa (7) wykonana jest z niepalnego tworzywa sztucznego z poliwęglanu, o szerokości 3-ch modułów standardowych, to jest jeden moduł-18 mm szerokości.