REGULÁTOR PŘEBYTKŮ ELEKTRICKÉ ENERGIE
Z FOTOVOLTAICKÉ ELEKTRÁRNY V REŽIMU
„ZELENÝ BONUS“
Verze regulátoru 2.1, revize dokumentu 3
Majitelé domácích fotovoltaických elektráren (FVE) stále častěji řeší, jak efektivně využít přebytky
vyrobené elektrické energie a zvýšit tak ekonomický výnos z provozu elektrárny. Pokud je elektrárna
provozována v režimu tzv. zelených bonusů, je garantována výkupní cena za každou vyrobenou kWh,
avšak pokud není veškerá energie spotřebována přímo na místě, je dle podmínek místní distribuční
společnosti přebytek energie vykupován za velmi malý, případně i nulový poplatek. Vzhledem k tomu,
že nejvyšších výkonů dosahuje FVE během dne, kdy je většina lidí v práci, je zřejmé, že klidová
spotřeba domu pravděpodobně nepokryje okamžitou výrobu FVE. Ruční regulace, případně časové
spínaní je v tomto případě prakticky nepoužitelné a může vést dokonce i ke snížení ekonomického
přínosu. Jediným rozumným řešením je tedy efektivní regulační systém.
JAK VYUŽÍT PŘEBYTEK?
Primárním cílem fotovoltaických elektráren by měly být ekologické aspekty, ale samozřejmě také
ekonomický přínos pro majitele. Ideální by samozřejmě bylo mít možnost elektrickou energii akumulovat a
v případě potřeby ji pak využít. Použití akumulátorů (a související infrastruktury) je ale velmi nákladné a navíc je
třeba počítat i s omezenou účinností. Jako rozumný kompromis se tedy jeví využití pro vytápění a ohřev
užitkové vody. Pokud dům využívá elektrické topení, je situace v zimních měsících celkem jasná. V případě
plynového topení je možné využít elektrických topných patron v zásobníku na vodu. Kdybychom elektřinu
kupovali od distributora, bylo by to nevýhodné, pokud ale máme k dispozici přebytek elektrické energie, její
využití tímto způsobem znamená další ušetřené náklady za plyn. Další potenciální využití je vyhřívání bazénu,
klimatizace, vytápění běžně nevytápěných prostor (např. garáž) atd.
Dle našich zkušeností jsou požadavky zákazníků na konkrétní využití přebytků poměrně různorodé.
Regulátor je proto navržen velmi variabilně a SW je možné snadno upravit dle aktuálních požadavků. Různé
spotřebiče totiž mohou vyžadovat např. minimální dobu běhu, jakmile jsou jednou zapnuty. Nebo je třeba
omezit počet jejich zapnutí. Dalším požadavkem může být konkrétní denní, nebo i roční doba pro sepnutí atd.
ZPŮSOB MĚŘENÍ ROZDÍLU VYROBENÉ A SPOTŘEBOVANÉ ENERGIE
Základní podmínkou pro fungování systému určení aktuálního přebytku elektrické energie. Z tohoto důvodu
je měřena aktuálně vyráběná energie a aktuální spotřeba celého domu. K měření jsou použity standardní
elektroměry s impulsním výstupem, jež jsou dnes běžně k dostání za velmi nízké ceny. Na straně výroby je navíc
možné použít přímo výstup z fakturačního elektroměru, který musí být stejně osazen. Jednofázové elektroměry
mají obvykle 1000imp/kWh, k dostání jsou ale i typy s 2000imp/kWh. U třífázových se pak počet impulsů
značně liší (500, 800, 1000imp/kWh apod.). Vzhledem k tomu, že počet impulzů přímo ovlivňuje rychlost
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
2
odezvy při měření, doporučujeme používat elektroměry s co největším počtem impulzů (konkrétní konstantu
lze pak nastavit přímo v regulátoru). Závislost doby měření na aktuálním výkonu ukazuje následující graf.
80
Doba měření [s]
70
60
1000imp/kWh
50
2000imp/kWh
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Aktuální měřený výkon P [W]
Obrázek 1: Závislost doby měření na měřeném výkonu pro různé elektroměry
Je zřejmé, že největší problém nastává pro výkony nižší než cca 250W. Na druhou stranu, vzhledem
k povaze regulace není doba odezvy nikterak kritická. Popisovaný regulátor navíc obsahuje inteligentní
algoritmus, který se snaží aproximovat klesající tendenci měřeného výkonu. Obvyklé řešení totiž vždy čeká na
další impulz, a pokud nepřijde do nějaké maximální doby, začne ukazovat výkon 0W. V našem případě je ale
hodnota aktualizována nejen s příchodem impulzu, ale i průběžně mezi impulzy. Nejlépe to ilustruje následující
případ:
FVE dodává 1000W a stejná hodnota je tedy měřena regulátorem jako aktuální výroba. Tento stav odpovídá
periodě impulzů 3,6s. Náhle se ale objeví mrak a výkon velmi rychle klesne až na nulovou hodnotu. Regulátor
tak nezaznamená ani po uplynutí doby 3,6s žádný impuls. Po dalších 2s je tedy jasné, že výkon musí být menší
nebo roven než cca 643W (
) a regulátor tedy počítá s touto hodnotou. Po dalších 2s je zřejmé, že výkon
musí být menší nebo roven než cca 474W a hodnota je opět aktualizována. Vše se opakuje až do nastaveného
minimálního měřeného výkonu. Tímto způsobem je tedy dynamika měření výrazně vylepšena a regulátor může
reagovat na změnu podmínek rychleji.
Výhody a nevýhody tohoto způsobu měření můžeme shrnout do následujících bodů:
+
+
+
+
+
-
Jsou použity standardní levné elektroměry.
Na straně výroby je v určitých případech možné použít přímo výstup z fakturačního elektroměru.
Snadné rozšíření pro libovolně velké výkony použitím vhodného typu elektroměru.
Regulátor (a tedy i zákazník) má k dispozici též údaj o skutečné spotřebě celého domu, což je výhodné
i z pohledu další optimalizace provozu.
Předchozí bod ještě více vynikne, pokud je k regulátoru (rozhraní RS485) připojen systém pro záznam dat,
který je pak schopen zobrazit např. průběh spotřeby během dne atd.
Delší doba odezvy.
Problematické měření velmi malých výkonů.
Druhou možností je použít k měření jiné prvky, které jsou schopny měřit okamžitý výkon. Pokud by takový
prvek byl schopen měřit nejen velikost, ale i směr toku elektrické energie (výrobu/spotřebu), bylo by pro získání
aktuálního přebytku možné ho instalovat na jednotlivé fáze přímo na přívodu domu. Měřily by vlastně to samé,
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
3
1
jako elektroměr na předávacím místě . Způsob určení přebytků popisovaným regulátorem a alternativní
zapojení ukazuje následující obrázek.
Elektroměr
FVE
4Q elektroměr
na předávacím
místě
výroby
1f/3f
X
FVE
Fakturační
elektroměr
výroby
Měření rozdílu
Výrobaspotřeba
1f/3f
3f
4Q elektroměr
na předávacím
místě
Elektroměr
Regulátor
přebytků
spotřeby
Regulátor
přebytků
1f/3f
Spotřebiče
v domě
Veřejná síť
Veřejná síť
Spotřebiče
v domě
Obrázek 2: Možné způsoby vyhodnocení přebytku
Je vidět, že ve druhém případě postačí regulátoru k určení rozdílu pouze jediné měření. Problémem ale je
právě toto měření. V tomto případě totiž není možné použít běžný elektroměr, protože ten neumí rozpoznat
směr. Existují sice i běžně vyráběné komponenty pro přímé měření okamžité hodnoty výkonu, jsou však velmi
drahé. Poslední možností je použití levných proudových transformátorů a vyhodnocení provádět až
v samotném regulátoru, což je řešení, které je možné vidět u některých jiných výrobků. Zajistit toto měření
2
s dostatečnou přesností je ale poměrně složité . Hlavní nevýhodou však je, že není možné odlišit, jaký je vlastně
výkon elektrárny a jaká je spotřeba domu. Přitom záznam o spotřebě samotného domu je pro uživatele velmi
zajímavý. Výhody a nevýhody tohoto způsoby měření můžeme shrnout do následujících bodů:
+
+
Rychlost měření a tudíž i doba odezvy regulace může být teoreticky kratší, především pro malé výkony.
Regulace může být přesnější v úzkém pásmu na hranici nulového rozdílu mezi výrobou a spotřebou.
-
V případě požadavku na dostatečnou přesnost vyšší cena měřicích komponent.
Nepoužívají se levné a snadno nahraditelné elektroměry.
Není možné rozlišit, co je vlastní spotřeba domu a co výroba, a tudíž tyto údaje dále ukládat a využívat.
Fakturační elektroměr musí být stejně instalován.
Ačkoli je regulátor částečně připraven i pro druhou možnost měření, je v aktuální verzi používán výhradně
první způsob. Důležitým argumentem v tomto případě je také fakt, že v současné době je připravován nový
produkt - Monitor energií, který bude využívat informace získané z komunikačního rozhraní RS485 na
regulátoru. Díky oddělenému měření tak bude možné získat komplexní systém pro záznam a analýzu provozu
3
nejen FVE i celé domácnosti.
PŘIPOPOJENÍ FVE DO DISTRIBUČNÍ SOUSTAVY
Systém umožňuje řídit FVE využívající střídač pro 1 – 3 fáze. Právě volba 1-fázového, nebo 3-fázového
střídače je klíčová pro efektivní využití přebytků. Hlavní výhodou 1-fázového střídače je jeho nižší pořizovací
cena. Pro malé výkony FVE je navíc účinnost střídače obvykle vyšší při využití jedné fáze, než kdyby dodával
malé výkony do každé fáze zvlášť. Fatálním problémem jednofázového řešení však může být způsob měření
výkonu ze strany distributora elektrické energie.
V případě připojení FVE do distribuční sítě musí být instalován tzv. čtyřkvadrantový (4Q) elektroměr. Jeho
název je odvozen od 4 složek výkonu, které umožňuje měřit, tedy vyrobený / spotřebovaný činný výkon (+P/-P)
1
Samotný elektroměr na předávacím místě není možné použít, neboť jakákoli zásah do zapojení (tedy i využítí
pulsních výstupů) je naprosto nepřípustné!
2
Za normálních okolností je snahou udržet celkový tok energie nulový, takže se možné nepřesnosti částečně
eliminují, v některých režimech ale může být měření nenulových hodnot s dostatečnou přesností vyžadováno.
3
Sledování výroby FVE často nabízí i samotný střídač, v drtivé většině případů se ale jedná o příplatkový modul.
Spotřebu domácnosti (příp. další údaje, které má regulátor k dispozici) však neřeší, ani z principu řešit nemůže.
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
4
a kladnou / zápornou jalovou složku výkonu (+Q/-Q). Jalový výkon není nutné pro běžnou domácnost uvažovat,
zajímat se tedy budeme pouze o činný výkon. Zde připadají v úvahu dvě základní možnosti, jak může být
elektroměr od distribuční společnosti naprogramován:
1.
Aktuální vyráběný výkon jednotlivých fází je sečten (pokud je na dané fázi větší spotřeba, výroba=0)
a vznikne tak celkový vyrobený výkon +PCELK. To samé je provedeno pro spotřebovaný výkon a vznikne
tak celková spotřeba -PCELK. Pokud je celková spotřeba vyšší než výroba, platíme distribuční společnosti
cenu dle aktuálního tarifu. Pokud je tomu naopak, distribuční společnost energii vykupuje. Důležitý je
zde fakt, že výkony v jednotlivých fázích jsou sečteny. Pokud tedy např. dodáváme pouze do první
fáze, ale spotřebováváme energii z fází 2 a 3, nemá to na výsledek vliv a záleží pouze na celkové
bilanci výkonů. V tomto případě tedy postačí provádět regulaci pouze na jedné fázi.
2.
Druhou možností je, že distribuční společnost bude evidovat +P CELK a -PCELK v samostatných registrech,
místo toho, aby evidovala až jejich rozdíl. Při tomto způsobu vyhodnocení tedy záleží na tom, do jaké
fáze je výkon dodáván, a ze které fáze je odebírán. V tomto případě je tedy možné, že FVE na jedné
fázi do sítě elektřinu dodává a na jiné fázi zároveň dochází k odběru, který je zpoplatněn dle
aktuálního tarifu.
Dle informací přímo od některých distributorů elektrické energie jsou možné obě varianty a nově by
odběrná místa měla být vybavována elektroměrem pracujícím na principu dle bodu 2.
Popisovaný regulátor je řešen tak, že může zohledňovat celkové výkony ve všech fázích najednou nebo
může pracovat pro každou fázi samostatně. Regulátor je tedy schopen splnit i požadavek, aby v žádné
jednotlivé fázi nedocházelo k dodávce a veškerá energie v jednotlivých fázích byla spotřebována na místě.
ALGORITMUS ŘÍZENÍ ZÁTĚŽÍ
Systém je možné provozovat jednak v režimu, kdy je řízena každá fáze samostatně a jednak s měřením
všech fází současně. Pro vysvětlení budeme dále uvažovat případ, kdy je regulace prováděna pouze na jedné
fázi (případ s 1f střídačem). V případě 3f instalace platí to samé, pouze je vše prováděno i pro další 2 fáze.
Pro každou fázi je možné připojit až 6 fixních zátěží, případně 5 fixních a jednu plynule nastavitelnou zátěž.
Dále jsou pro každou fázi k dispozici 2 impulzní vstupy pro připojení elektroměrů. Navíc je pro každou fázi
k dispozici až 6 digitálních vstupů, které mohou signalizovat, zda je daná zátěž v současném okamžiku
použitelná pro regulaci (např. v případě topení, zda je nebo není natopeno). Samotná regulace pak probíhá
následujícím způsobem:
Průběžně je měřena aktuální výroba a spotřeba na pulzních vstupech.
V pravidelných intervalech (typicky 5s, ale může být nastaveno i jinak) je vyhodnocován aktuální rozdíl
vyrobené a spotřebované energie.
Připojované zátěže jsou rovněž měřeny elektroměrem pro měření spotřeby, jejich velikost musí být proto
programově odečtena, aby byl získán skutečný rozdíl.
Pokud samotná spotřeba domu pokryje veškerou vyrobenou energii, všechny zátěže mohou být odpojeny
a regulace vlastně není potřeba.
Pokud je výroba větší, najde se nejvhodnější kombinace zátěží, která odpovídá tomuto rozdílu. V tomto
případě je klíčové, v jakém režimu je regulátor provozován. Buď jsou všechny zátěže fixní a hledá se tedy
4
pouze nejbližší možné optimum, nebo je jeden stupeň plynule nastavitelný a pak je možná přesná
regulace.
Navíc je možné nastavit jakousi bezpečnostní hodnotu výkonu (standardně 100W), o kterou bude hodnota
zátěže vždy nižší, aby díky nepřesnostem regulace nedošlo k nežádoucímu kupování drahé elektřiny.
Samotný algoritmus připínání zátěží je následující:
 Zjistí se, které zátěže jsou použitelné pro regulaci. Zátěž může být deaktivována buď automaticky
(např. termostat), nebo třeba zvláštním vypínačem. Pro každou zátěž je k dispozici odpovídající
digitální vstup.
4
Přesnost je samozřejmě dána také přesností měření elektroměrů, přesností zadaných výkonů zátěží atd.
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
5

Jsou nalezeny všechny možné kombinace zátěží (kombinace může být jen jedna, ale obecně jich může
být i více), které odpovídají požadovanému rozdílu mezi výrobou a spotřebou.
 Pokud je řešení více, vezme se prioritně to řešení, které vyžaduje méně přepnutí spínacích prvků, aby
se omezilo jejich opotřebení.
 Jestliže je použit jeden stupeň s plynulou regulací, je přednostně použita tato plynulá regulace a
teprve poté se přistoupí k přepnutí dalších stupňů.
 Když bude existovat více rovnocenných řešení se stejným počtem přepnutí, lze ještě každé zátěži
přiřadit prioritu a přednostně jsou pak připojovány zátěže s větší prioritou.
 Navíc je možné nastavit, že v určitém časovém intervalu (např. 15 min) se provede nové vyhodnocení
optimální kombinace, která bude ignorovat počet přepnutí, ale zohlední naopak priority zátěží.
Požadavky na počet přepnutí a prioritu totiž mohou být protichůdné a tímto se zajistí, aby stav zátěží
dlouhodobě co nejlépe odpovídal požadavkům zákazníka.
Navíc je možné do regulátoru zadat 2 sady parametrů (především velikostí zátěží) a přepínat je pak pomocí
digitálního vstupu (nebo v konfiguraci). Je tak např. možné realizovat letní a zimní režim, kde se mohou
požadavky na použité zátěže značně lišit. Regulátor tedy není nutné opakovaně složitě nastavovat, ale stačí
pouze jednoduše přepnout na druhou sadu parametrů.
CELKOVÁ TOPOLOGIE SYSTÉMU
Celý regulační systém je složen ze specializovaného regulátoru, 1f/3f elektroměry pro měření vyrobené a
spotřebované elektrické energie, výkonových spínacích prvků pro připínání a odpínání zátěží (samotný
regulátor disponuje reléovými výstupy, takže menší zátěže je možné připojit přímo) a samozřejmě samotnými
zátěžemi. Regulátor je navíc vybaven rozhraním RS485 a umožňuje tak sledování stavu regulátoru
z nadřazeného systému (např. PC). Plynulá regulace zátěže je řešena spínáním celých period síťového napětí
pomocí externě připojeného polovodičového spínacího prvku (SSR).
K regulátoru je navíc možné připojit displej, který přehledně zobrazuje vyrobený a spotřebovaný výkon a
stav všech zátěži.
4Q elektroměr
na předávacím
místě
Elektroměr
FVE
výroby
1f/3f
Elektroměr
3f
spotřeby
1f/3f
Regulátor přebytků
…
Displej
FVE
DUM ZATEZE
1500W 1400W 40%
1500W 1400W 50%
1450W 1350W 10%
….. Přídavné
zátěže
Domovní
rozvaděč
Obrázek 3: Blokové schéma systému pro regulaci přebytků
Veřejná síť
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
6
UP1
UP2
OUT3
OUT2
OUT1
IN24
IN23
IN22
IN20
IN21
IN19
IN18
IN17
IN16
IN15
IN14
IN13
IN11
IN12
IN10
IN9
IN8
IN7
IN6
IN5
IN4
IN2
IN3
IN1
POPIS VSTUPŮ A VÝSTUPŮ A OVLÁDACÍCH PRVKŮ REGULÁTORU
ESC
UP3
SET
DISPLAY
ALARM
ERR
DWN1
DWN2
DWN3
MODE
OUT12
OUT11
OUT10
OUT9
OUT8
1 1
OUT7
K5 K6
1 1
OUT6
K3 K4
1 1
OUT5
K1 K2
OUT4
1
B
RS485
GND
A
+24V
PWR
Obrázek 4: Vstupy, výstupy a ovládací prvky regulátoru
Jak je vidět z obrázku 4, regulátor obsahuje celkem 24 vstupů, 12 digitálních výstupů a 6 reléových vstupů.
K napájení slouží zdroj 24V DC, který je pak využit také ke spínání případných pomocných stykačů, nebo relé.
Posledním připojovacím místem je sběrnice RS485, která slouží k obousměrné komunikaci s regulátore.
5
Kromě toho může být regulátor osazen ovládacími tlačítky, indikačními LED a DIP přepínači . Použitý SW
umožňuje jistou variabilitu využití jednotlivých vstupů, výstupů a ovládacích prvků, bude proto vždy uvedena
funkce pro standardní případ a případně i alternativní funkce.
DIGITÁLNÍ VSTUPY
Všechny digitální vstupy jsou navrženy pro napájecí napětí 24V a jsou ochráněny proti přepětí. V případě
použití bezpotenciálových kontaktů (tlačítek, kontaktů relé atd.) se předpokládá jejich zapojení mezi svorku 24V
a příslušný vstup. Na vstupy je také možné připojit externí DC napětí. Vlastnosti vstupů jsou následující:
Maximální trvale připojené napětí
40V
Minimální napětí pro aktivaci vstupu
cca 5V
Vstupní impedance
12kΩ
Tab. 1: Vlastnosti digitálních vstupů
6
Vstupy IN19 – IN24 mohou v případě potřeby sloužit i jako analogové vstupy v rozsahu 0-10V .
5
V současné verzi jsou všechny popsané prvky osazeny, ale jejich přítomnost není pro základní funkci nezbytná.
Vynechání těchto prvků umožní snížení ceny, ale také komfortu.
6
Současná verze SW měří skutečné napětí, ale pro další funkci je hodnota převedena na logický stav 0 nebo 1.
Vstupy tedy použity pouze jako digitální.
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
7
Vstup
IN1 – IN3
IN4 – IN6
IN7 – IN12
IN12 – IN24
Primární funkce
Pulzní vstup od elektroměrů výroby FVE L1 – L3
Pulzní vstup od elektroměrů spotřeby domu L1 – L3
Stav zátěží (1=lze použít pro regulaci) pro zátěže připojené
na relé K1-K6
Stav zátěží (1=lze použít pro regulaci) pro zátěže připojené
na OUT4-OUT12
Poznámka
IN7 odpovídá K1 atd.
IN24 lze alternativně použít pro
přepínání sad parametrů (viz
popis algoritmu řízení zátěží)
Tab. 2: Popis digitálních vstupů
DIGITÁLNÍ VÝSTUPY
Digitální výstupy jsou tří typů. Prvním typem jsou reléové výstupy K1 – K6. Zapojení je navrženo tak, že K1 a
K2 může být použito pro fázi L1, K3 a K4 pro fázi L2 atd. Použité relé neumožňují připojení jiných než čistě
ohmických zátěží! Předpokládá se pouze případné připojení cívek pomocných stykačů, případně malých
7
jednofázových motorů do příkonu 350W .
Maximální proud kontaktem
Pracovní napětí
Maximální doporučená zátěž odporového charakteru
Tab. 3: Vlastnosti reléových výstupů
10A AC1
250V AC
2200W
Dalším typem jsou tranzistorové výstupy OUT1 – OUT3. Tyto výstupy slouží primárně k připojení plynule
řízených výkonových spínacích prvků SSR. Z obecného pohledu jsou to ale digitální výstupy s možností rychlého
řízení. Jako spínací prvek jsou použity tranzistory MOSFET P-channel. Zátěž se v tomto případě připojuje mezi
příslušný výstup a GND. Interně je tranzistor připojen na napájecí napětí +24V. Výstupy jsou opatřeny ochranou
proti zkratu a nadproudu. Po odstranění zkratu se výstup automaticky vrátí do svého stavu.
Maximální proud jedním výstupem
1,5A
8
Maximální proud všemi výstupy současně
1,5A
Výstupní napětí
24V DC
Automatická ochrana proti zkratu (přechodem do ANO
pulzního režimu)
Maximální frekvence spínání
1kHz
Tab. 4: Vlastnosti tranzistorových výstupů OUT1-OUT3
Poslední typem jsou tranzistorové výstupy OUT4 – OUT12. Tyto výstupy slouží primárně k připojení dalších
stupňů regulace za použití externích relé, stykačů, nebo polovodičových spínacích prvků. Jako spínací prvek jsou
použity tranzistory MOSFET N-channel. Zátěž se v tomto případě připojuje mezi příslušný výstup a +24V
(případně je možné použít i jiné napětí v povoleném rozsahu, např. 12V DC). Interně je tranzistor připojen na
napájecí svorku GND. Výstupy jsou opatřeny ochranou proti zkratu a nadproudu. Po odstranění zkratu se
výstup automaticky vrátí do svého stavu.
7
8
V úvahu připadá také kombinace odporové a indukční zátěže, např. topení 2000W s ventilátorkem 100W.
Nadproudová ochrana je společná pro OUT1-3, proto je hodnota stejná pro jeden i všechny výstupy.
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
8
Maximální proud jedním výstupem
2,5A
9
Maximální proud všemi výstupy současně
2,5A
Maximální spínané napětí
40V DC
Automatická ochrana proti zkratu (přechodem do ANO
pulzního režimu)
Maximální frekvence spínání
10Hz
Tab. 5: Vlastnosti tranzistorových výstupů OUT1-OUT3
Funkce digitálních výstupů může být v případě potřeby upravena, základní použití výstupů ukazuje
následující tabulka.
Výstup
K1 – K6
OUT1 – OUT3
OUT4 – OUT12
Primární funkce
První 2 regulační stupně pro každou z fází L1
– L3
Spínání polovodičových spínacích prvků pro
dosažení plynulé regulace pro fáze L1 – L3
Spínání dalších stupňů skokové regulace
Poznámka
OUT12 může být alternativně použit jako
indikace, že regulátor pracuje s druhou
10
sadou parametrů
Tab. 6: Popis digitálních vstupů
OVLÁDACÍ A ZOBRAZOVACÍ PRVKY
Velkou výhodou popisovaného regulátoru je možnost přímého připojení displeje, který přehledně zobrazuje
veškeré potřebné údaje, jako je aktuální výroba a spotřeba v každé fázi, stav připojených zátěží apod. Displej
není pro funkci nutný a je možné ho kdykoli za běhu připojit a odpojit. Z mechanického pohledu existují 2
provedení. Buď se jedná o vestavnou verzi pro umístění do dveří rozvaděče, nebo o servisní verzi, kde displej
slouží pouze pro nastavení a odladění instalace poté může být odpojen. Obě provedení jsou vidět na
následujících obrázcích. Rozměr displeje je 4x20 znaků a je v provedení bílé písmo s modrým poosvětlením.
Obrázek 5: Provedení displeje
9
Nadproudová ochrana je společná pro OUT4-12, proto je hodnota stejná pro jeden i všechny výstupy.
To umožní např. silové přepojení zátěží na jednotlivých výstupech pomocí stykačů (např. plynulá regulace má
být nyní použita pro jiný spotřebič).
10
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
9
Pro samotné nastavení jsou k dispozici tlačítka a DIP přepínače. Regulátor obsahuje textové menu, které
11
umožňuje nastavení jeho parametrů . K aktivaci menu, a následnému ovládání, slouží tlačítka ESC, SET, MODE.
Pro pohyb mezi položkami a změnu hodnot pak lze použít libovolné z tlačítek UP1 až UP3 resp. DWN1 až
DWN3. 6 LED mezi tlačítky pak signalizuje stav pulzních vstupů z elektroměrů a umožňuje tak rychlou kontrolu
jejich funkce. Alternativně mohou sloužit i pro indikaci stavu výstupů, pokud by nebyl využit displej. Poslední 3
LED slouží k indikaci provozních stavů. LED PWR indikuje provoz jednotky. LED ERR pak blikáním indikuje
závadu, např. přetížení výstupů OUT1 – OUT12, trvalou detekci pulzu z některého elektroměru (vždy se musí
jednot o krátké pulzy, trvalé sepnutí značí poruchu) atd. Poslední LED ALARM pak indikuje problém v regulaci,
např. není k dispozici dostatek zátěží pro dorovnání přebytku.
V normálním režimu má regulátor ještě jednu velmi užitečnou vlastnost. Pomocí prostředních tlačítek lze
aktivovat speciální režim simulace vyráběného výkonu v jednotlivých fázích. Pokud tedy technik potřebuje
otestovat nastavení regulačního algoritmu a FVE zrovna nevyrábí (nebo vyrábí, ale pro testování jsou
vyžadovány změny výkonu), je možné výkon FVE zadat v krocích 50W ručně. Vše funguje jako za normálního
provozu, pouze se ignoruje pulzní vstup z elektroměru dané fáze a jeho hodnota je nahrazena simulovanou
hodnotou. Je zřejmé, že v tomto případě může docházet k dodávce, nebo odběru (regulátor nepracuje se
skutečnými hodnotami), ale pro účely tetování je to velmi užitečný diagnostický nástroj.
Posledním nastavovacím prvkem jsou DIP přepínače. DIP1 je pevně použit k aktivaci zakončení sběrnice
RS485. Význam zbývajících DIP přepínačů může být přizpůsoben požadavkům. V současné verzi jsou přepínače
DIP2 – DIP19 použity pro rychlé povolení, nebo zakázání příslušné zátěže na K1 – K6 a OUT4 - OUT12, aktivace
příslušného DIP tedy způsobí, že příslušná zátěž nebude použita pro regulaci. DIP20 pak slouží k povolení
servisního režimu, kde je možné simulovat výrobu FVE.
EXTERNÍ SPÍNACÍ PRVKY
Z hlediska připojení zátěží je nutné rozlišovat, zda se jedná o spínání fixních zátěží, nebo plynulou regulaci.
Volba vhodných prvků je pak závislá na konkrétních požadavcích, zcela obecné řešení tedy není možné
navrhnout.
PLYNULÁ REGULACE
Plynulý řízení výklonu je klíčové pro kvalitní regulaci a využití jedné zátěže v tomto režimu je jednoznačně
doporučováno. Vzhledem k problémům s rušením, je problematické používat tzv. fázovou regulaci. V tomto
případě dochází totiž k ořezávání jednotlivých půlperiod síťového napětí, což je doprovázeno vznikem tzv.
vyšších harmonických. Odrušení pro splnění norem je sice řešitelné, ale také relativně nákladné.
Obrázek 6: Fázová regulace výkonu
12
Regulátor proto využívá jiný způsob , kde ke spínání dochází vždy v nule a rušení je tak minimalizováno.
Jedná se tzv. metodu „distributed firing“. Aby bylo dosaženo požadovaného výkonu, je vždy sepnut určitý počet
period a určitý počet je pak naopak vynechán. Výsledná střední hodnota pak odpovídá zmíněnému poměru.
11
12
V současné době to toto menu upravováno, aby umožnilo nastavení všech potřebných parametrů.
Za určitých podmínek je možné však použít i fázovou regulaci.
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
10
Obrázek 7: Regulace spínáním celých period
Tato metoda sice nezpůsobuje téměř žádné rušení, použitelná je ale pouze
pro ohmické zátěže, jako je topná spirála apod. Pro účely využití přebytků je ale
právě použití regulátoru ve spojení s topnou patronou v akumulační nádobě na
vodu nejtypičtější a metoda je tak dobře použitelná. Ke správné funkci je pak
nutné použít polovodičový spínací prvek (tzv. Solid State Relay - SSR) se
13
spínáním v nule. Vhodný je např. typ. RAM1A23D50 z produkce firmy
CARLO GAVAZZI. Pro větší výkony je pak nutné spínací prvek opatřit chladičem.
Z hlediska regulátoru vyhoví jakýkoli typ, který má spínací napětí 24V DC a
obsahuje obvod pro spínání v nule.
SPÍNÁNÍ FIXNÍCH ZÁTĚŽI
V tomto případě volba závisí zcela na konkrétním použití. Je možné použít jak
elektromechanické prvky (relé, stykače), tak opět polovodičové prvky SSR. K reléovým
výstupům K1 – K6 je možné připojit jak spínací prvky s ovládacím
napětím 230V, tak i 24V. K výstupům OUT4 – OUT12 pak pouze typy
s ovládacím napětím 24V DC (případně 12V). Vzhledem k životnosti je
samozřejmě výhodnější použití polovodičových spínačů, nejlépe ještě se
spínáním v nule (sníží se tím případné rušení). Hlavní nevýhodu je však
samozřejmě vyšší cena. Pro spínání může být použit i typ popsaný
v předchozím odstavci. Díky způsobu regulace se totiž nejedná o
specializovaný prvek pro plynulou regulaci, ale o běžný spínač s detekcí
průchodu nulou.
DALŠÍ MOŽNOSTI REGULÁTORU
Kromě funkcionality popsané v předchozích kapitolách disponuje regulátor ještě dalšími vlastnostmi, které
umožňují další rozšíření:
Integrované hodiny reálného času, zálohované akumulátorem (zaručená životnost 10 let)
Integrovaná paměť EEPROM 65kB pro ukládání dat (garantováno 100000 zápisů).
56B zálohované paměti RAM pro udržování stavu rychle se měnících hodnot (na rozdíl od EEPROM je zde
neomezený počet zápisů).
Interní čidlo teploty.
Možnost upgrade SW prostřednictvím konektoru pro připojení displeje (není nutné nic rozebírat).
Možnost přibližného měření proudu tekoucím přes relé K1-K6 (odděleně pro K1+K2, K3+K4 a K5+K6). To
14
umožňuje kontrolovat, zda jsou zátěže skutečně připojené a funkční .
Především přítomnost hodin reálného času umožňuje výrazné rozšíření regulačních algoritmů, které pak
mohou zohledňovat denní příp. roční dobu apod.
13
Přesný typ závisí na konkrétní připojené zátěži.
Připojení a odpojení by se teoreticky mělo projevit i na měřené spotřebě domu. Je zde ale jisté zpoždění a
navíc nelze rozlišit stav, kdy dojde ke skutečnému odpojení zátěže a stav, kdy je vypnut jiný spotřebič v domě.
14
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
11
UKÁZKA KONKRÉTNÍ INSTALACE
Následující obrázek ukazuje konkrétní instalaci v rozvaděči FVE. Jedná se o kompletní rozvaděč fotovoltaické
elektrárny s instalovaným výkonem cca 9kWp. V levé střední části je pak vidět samotný regulátor. Plochý kabel
k displeji je úmyslně delší, umožňuje to totiž v případě potřeby vyjmout celé dveře rozvaděče a přitom
ponechat kabel zapojený. V pravé dolní části jsou pak spínací prvky fixních zátěží. Polovodičové spínací prvky
pro plynulou regulaci jsou pak pod krytem v řadě pod regulátorem.
Na každou fázi jsou napojeny 3 pevné stupně – 1100W 3f topná patrona v akumulační nádobě, dále
přímotop 750W a 1250W. Pro plynulou regulaci je pak použita další topná patrona v akumulační nádobě
2000W. Regulace je prováděna shodně na všech třech fázích.
Jako střídač je použit třífázový typ FRONIUS IG Plus 120-3, který je nastaven tak, aby dodával výkon
rovnoměrně do všech tří fází.
Obrázek 6: Foto konkrétní instalace
Chodovská 228/3 141 00 Praha 4, Tel.: 212 24 22 24, Mobil.:604 553 578, e-mail: [email protected], www.alvat.cz
Download

Dokument s podrobnějšími informacemi.