Солнечные инверторы

Сегодня, наверное, не найдётся человека, который бы никогда не встречал «полей» из солнечных батарей на крышах домов, у дорог и в других местах. Но многие ли видели такой неотъемлемый и важнейший элемент солнечной энергоустановки, как инвертор?

Основное назначение инвертора – преобразование вырабатываемого солнечными батареями постоянного тока в переменный со стандартными значениями напряжения (230 или 400 В) и частоты (50 Гц). Но этим роль современных инверторов не ограничивается. Эти «умные» устройства (все они оснащаются вычислительными модулями) способны подстраиваться под режимы работы солнечных батарей, обеспечивая минимум потерь при преобразовании напряжения. В инверторах используются алгоритмы подстройки под точку максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking), обеспечивающие наибольшую отдачу от массива фотоэлектрических модулей.

Сейчас уже не редкость инверторы с КПД 98% и более. Кроме того, коммуникационные интерфейсы инверторов позволяют централизованно отслеживать состояние контролируемых ими массивов солнечных батарей и самих инверторов. Предоставляемая ими диагностическая информация помогает эксплуатационному персоналу быстро находить причины отказов и устранять их. В растущем числе солнечных энергосистем, дополненных аккумуляторными батареями (АКБ) для хранения энергии, инверторы берут на себя также функции управления АКБ. Рассмотрим вкратце основные типы солнечных инверторов.

Секционные

Солнечные фотоэлектрические модули (панели) обычно устанавливают секциями в несколько рядов. Например, секция может состоять из пяти рядов по пять панелей в каждом. Несколько таких секций подключаются к одному секционному инвертору. Он получает постоянное напряжение, вырабатываемое солнечными батареями, и преобразует его в переменное для питания потребителей. В зависимости от масштаба энергоустановки в ней может быть разное число секций и разное число секционных инверторов.

Секционный инвертор обслуживает цепочку
последовательно соединённых модулей

Технология применения секционных инверторов хорошо отработана. Они отлично проявляют себя в гелиоустановках, где все панели расположены в одной плоскости или параллельных плоскостях и направлены в одну и ту же сторону. Важно также, чтобы части секций не подвергались затенению в течение дня. Дело в том, что вольтамперная характеристика солнечной панели очень сильно, и притом нелинейно, зависит от её освещенности. Так, при снижении освещённости на 10% внутреннее сопротивление панели может вырасти почти на 50%. А поскольку для эффективного преобразования необходимо намного более высокое напряжение, чем вырабатывает одна панель, их в рядах и секциях соединяют в последовательные цепочки (поэтому секционные инверторы также называют цепочечными). Если хотя бы одна панель в секции оказывается в тени, вырабатываемая секцией мощность снижается так, словно затенены все без исключения панели: «один за всех и все за одного».

Несмотря на этот недостаток, инсталляторы ценят проверенные временем секционные инверторы за надёжность и возможность сэкономить на стоимости всей установки в сравнении с микроинверторами (подробнее о них ниже). Секционные инверторы чаще всего применяются в домовладениях и коммерческих фотоэлектростанциях (ФЭС). Кроме того, их нередко используют в небольших промышленных установках мощностью менее 1 МВт вместо центральных инверторов. 

Плюс оптимизатор

Сегодня всё большую популярность приобретает сочетание секционных инверторов с оптимизаторами мощности, устанавливаемыми на каждом фотоэлектрическом модуле (панели). Некоторые изготовители панелей встраивают в них оптимизаторы и продают полученные изделия в качестве законченного решения под названием «умный модуль» (Smart Module). Такие модули, способные сгладить влияние затенений, позволяют эффективно использовать все возможности секционных инверторов. Оптимизаторы «подправляют» параметры постоянного тока, вырабатываемого секцией и передаваемого на цепочечный инвертор, обеспечивая более высокую общую эффективность установки, чем возможна при использовании только секционных инверторов. Фактически они обладают теми же преимуществами, что и микроинверторы, но обходятся дешевле последних. Поэтому фотоэлектрическая система, в которой оптимизаторы сочетаются с секционными инверторами, может оказаться экономически более эффективной, чем построенная исключительно на микроинверторах.

Центральные

Центральные инверторы по устройству похожи на секционные, но значительно больше последних по размерам и мощности, а потому могут обслуживать гораздо больше секций солнечных панелей. В установках с такими инверторами секции соединяются между собой с помощью специальных объединительных блоков, с выхода которых постоянное напряжение идёт на центральный инвертор для преобразования в переменное. Центральные инверторы применяются в крупных ФЭС с секциями более или менее равной мощности.

Центральный инвертор мегаваттного класса

Микроинверторы

Микроинверторы – это новинка, которая быстро набирает популярность как в домовладениях, так и на коммерческих солнечных электростанциях. Подобно оптимизаторам мощности, микроинверторы устанавливаются на каждой панели. Фактически это те же оптимизаторы мощности, дополненные инверторами для преобразования выходного постоянного тока оптимизатора в переменный. Выходы всех микроинверторов соединяются параллельно и могут подключаться непосредственно к нагрузке без использования секционных или центральных инверторов. Благодаря параллельному соединению снижение производительности у одной или нескольких панелей не влияет так сильно на общую выработку энергии, как в варианте с секционными инверторами. Кроме того, микроинверторы позволяют отслеживать производительность и рабочие параметры каждого модуля, в то время как секционные инверторы могут делать это только на уровне секций. Благодаря этим особенностям микроинверторы лучше всего подходят для инсталляций, где проявляются эффекты затенения или разные панели направлены в разные стороны. Микроинверторные системы обычно более эффективны, но и стоят дороже систем с секционными инверторами.

На каждую панель приходится свой микроинвертор

Как и оптимизаторы мощности, микроинверторы нередко встраиваются изготовителями в солнечные панели. Получаются модули, которые называются уже не «умными модулями», а «модулями переменного тока» (AC Module).

Батарейные

С распространением инсталляций, где солнечные панели комбинируются с АКБ для хранения выработанной энергии, всё чаще начинают применять батарейные инверторы. В их состав входят как «умное» зарядное устройство постоянного тока, обеспечивающее непрерывный мониторинг состояния АКБ и не допускающее её перезаряда или глубокого разряда, так и инвертор для преобразования постоянного напряжения АКБ в переменное. Без АКБ они работать не могут.

Батарейный инвертор содержит зарядное
устройство для аккумуляторов

Инверторы всех рассмотренных типов могут обеспечивать чисто автономное питание (домовладения, промышленного объекта и т. д.) или подключаться к местной энергосети. В этом случае их выходы синхронизируются по частоте и фазе с током в сети, благодаря чему они могут отдавать в сеть избыток энергии, произведённой солнечными панелями. Однако в последнем случае возникает так называемая проблема островизации. Дело в том, что правила эксплуатации электросетей запрещают при отключении основной сети возникновение «островов» с включённым питанием – они могут создать смертельную опасность для персонала, работающего над восстановлением отключённой части сети. Поэтому при авариях в основной сети подсоединённые к ней солнечные инверторы должны отключаться.

Это требование выполняют взаимодействующие с энергосетью батарейные инверторы. Их главное преимущество заключается в том, что они могут обеспечивать постоянное питание критически важных нагрузок независимо от состояния энергосети и поступления тока от солнечных батарей. Они устроены таким образом, что не создают «островов» в основной сети при её обесточивании и не снимают питания с нагрузки.