Популярный вопрос: Что произойдет, если солнечные батареи на 6 кВт подключить к инвертору на 5 кВт? Сколько энергии будет потеряно из-за «одностороннего ограничения со стороны инвертора?»
Мы знаем, что номинальная мощность солнечных батарей может быть больше, чем номинальная мощность инвертора (до определенной степени — у инверторов действительно более высокий максимальный входной ток). Но лишь немногие конструкторы и инженеры понимают, что такое практические пределы.
Соотношение постоянного и переменного напряжения (известное также как коэффициент мощности нагрузки инвертора) является важным параметром при проектировании солнечных электростанций. Например, массив солнечных батарей на 6 кВт постоянного тока в сочетании с инвертором с номинальной мощностью 5 кВт переменного тока будет иметь коэффициент DC / AC 1,2 (6 кВт / 5 кВт = 1,2). Ключевым фактором здесь являются «потери из-за одностороннего ограничения со стороны инвертора»: если мощность подаваемого на инвертор тока больше, чем инвертор может обработать, то в результате эта мощность «ограничивается» и теряется.
Специалисты Folsom Labs обнаружили, что многие проектировщики чрезмерно консервативны, когда речь идет о соотношении DC / AC. Многие считают, что соотношение DC / AC 1,1 более близко к идеалу, а вот 1,2 слегка агрессивно. Однако, расчеты показывают, что соотношение 1,2 ведет к минимальным потерям, а соотношение 1,25 или даже 1,3 может улучшить экономику проекта, особенно, когда мощность проекта солнечной электростанции ограничивается мощностью переменного тока.
Почему и как инверторы делают ограничения?
У каждого инвертора есть максимальная и номинальная мощность. Это важно знать по двум причинам. Во-первых, номинальные или максимально допустимые значения параметров силовых комплектующих инверторов часто спроектированы с запасом по удельной мощности и диапазону напряжения. Во-вторых, на системном уровне, домашний распределительный щиток переменного тока (и/или точка подключения к сети) сконструирован также с запасом удельной максимальной мощности. Инверторы обычно не выдают больше своей максимальной мощности по переменному току. Если входная мощность постоянного тока слишком высокая, то инвертор будет поднимать рабочее напряжение солнечных батарей, чтобы поддерживать максимальную мощность станции и уменьшить мощность по постоянному току.
Почему 20-процентное соотношение DC / AC приводит к минимальным ограничениям?
Многие проекты солнечных электростанций реализуются при максимальном соотношении постоянного-переменного тока в 1,2 (другими словами, номинальная мощность солнечных батарей на 20% больше по сравнению с максимальной мощностью инвертора). Это на самом деле сохраняет потери на крайне низком уровне, как правило, ниже 0,25%. Почему так? Три фактора помогут объяснить эти низкие потери:
1. Полностью «стандартные» условия (1000 Вт / м2) встречаются редко
КПД солнечной батареи определяется при «стандартных условиях испытания» (STC), при которых на батарею падает солнечный свет 1000 Вт/м2 (в основном, в полдень, в летний день). На практике, такие идеальные условия встречаются редко.
Например, на графике ниже показана частотная диаграмма для солнечных батарей в Атланте, обращенных на юг при наклоне 15 °. Обратите внимание на то, что стандартная инсоляция для этой солнечной электростанции случается довольно редко. На самом деле, всего 422 часа (9% от всех рабочих часов) она получает больше, чем 800 Вт / м2 (что эквивалентно ограничению в соотношении DC / AC 1,25).
2. Температурные потери сокращают время высокой мощности еще больше
В дополнение к тому, что солнечная электростанция редко получает полное солнце, есть и другие системные потери между поверхностью солнечной батареи и инвертором. В частности, огромное влияние оказывают температурные потери: как правило, батареи теплее, чем 25ºC, особенно, если на них падает максимум солнечного света. Соответственно, электростанция производит меньше своей номинальной мощности и не может достичь условий для выхода инвертора на максимальную мощность.
Вернемся к примеру из Атланты: Давайте посмотрим на то, как часто станция работала близко к номинальной мощности. Обратите внимание на то, что верхний конец диаграммы даже тоньше, так как эти данные включает в себя и температурные потери, которые будут наибольшими в моменты наивысшего солнечного света. Здесь отмечается всего только 212 часов (4,5% от рабочего времени), когда станция производила более 80% от своей номинальной мощности.
3. Работа не останавливается, когда мощность постоянного тока выше максимальной мощности переменного тока
В общем, когда инвертор работает в режиме превышения мощности, то это просто означает, что он будет жертвовать излишками мощности. Таким образом, даже когда фактическая мощность по постоянному току на 10% выше по сравнению с мощностью по переменному току, то потери за этот период времени будут составлять всего только 10%. Посмотрим еще раз на пример из Атланты: за 212 часов, в течение которых станция работала с мощностью более 80% от номинальной (точка ограничения для соотношения 1,25), средняя производительность была на 6,8% выше ограничения. Этот эффект еще более выразительный для домашних солнечных электростанций. Потому что домашние станции устанавливаются на крышах близко от кровельного покрытия, они быстрее нагреваются, и, следовательно, температурные потери у них еще больше. В результате, для солнечной электростанции из Атланты при соотношении 1,25 потери от одностороннего ограничения со стороны инвертора для коммерческой станции будут составлять 0,6% и 0,1% для домашней.
Копание дальше: различные значения соотношения DC / AC
Так как коэффициент 1,25 в Атланте дает лишь от 0,1% до 0,6% потерь от ограничения со стороны инвертора, возникает вопрос: какими будут потери, если мы значительно увеличим соотношение DC / AC? Смотрите ниже:
Потери от одностороннего ограничения будут равны нулю для коэффициентов DC / AC в 1,15 для обоих типов солнечных электростанций. В коммерческих электростанциях (с более низкими температурными потерями) мощность солнечной батареи может доходить до 365 Вт, поддерживая при этом потери от ограничения на уровне менее 2%. И, наконец, в домашних системах мощность батареи может достичь 380 Вт с потерями ниже 1%.
Вывод
В следующий раз, когда вам кто-то скажет, что номинальная сила постоянного тока слишком велика для инвертора, то сначала проверьте это утверждение для себя. И вы увидите, что при моделировании мощности солнечной электростанции потери от одностороннего ограничения со стороны инвертора будут ниже, чем вы ожидали.