Za wysokie napięcie w sieci fotowoltaika - jak obniżyć?

Mit: Nie warto kupować paneli fotowoltaicznych, bo powodują za wysokie napięcie w sieci. Fotowoltaika nie ma sensu!

Fakt: Fotowoltaika podwyższa napięcie w sieci, ale przed montażem instalacji można wyliczyć, jaka maksymalna moc jest dostępna, by napięcie nie wzrastało zbyt mocno. A jeśli ten problem u Ciebie wystąpi, to jego rozwiązanie może być tak proste, jak przekonfigurowanie inwertera lub wymiana przewodu w Twoim domu.

Jak obniżyć napięcie w sieci? Jak uniknąć problemu? Dowiesz się z tego artykułu

Jakie napięcie jest zbyt wysokie?

Polska norma PN-IEC 60038 mówi, że napięcie w sieci niskiego napięcia musi wynosić 230Vz odchyłką 10%, to znaczy od 207 do 253 V. Na końcu linii, daleko od trafostacji, napięcie jest często niższe niż 230 V. Z kolei w ciągu dnia w okolicy, gdzie jest dużo instalacji fotowoltaicznych, napięcie jest wyższe. Wszystkie przekształtniki napięcia, w tym też falowniki fotowoltaiczne, muszą dbać o to, by nie dopuścić do przekroczenia wartości maksymalnej.

Jak to działa? Falownik przekształca prąd stały, generowany przez panele fotowoltaiczne, w prąd przemienny, który mamy w gniazdkach i sieci energetycznej. Po opuszczeniu falownika energia zasila urządzenia w domu, a następnie sprzedajesz ją do sieci. Ale jeśli wartość napięcia na falowniku przekroczy 253V, falownik się wyłączy lub obniży moc instalacji. A Ty nic nie zyskasz na fotowoltaice.

Ale dlaczego fotowoltaika powoduje wzrot napięcia w sieci?

Za wysokie napięcie w sieci fotowoltaika - jeden powód, wiele przyczyn

Powodem wzrostu napięcia spowodowanego przez instalację fotowoltaiczną jest zbyt wysoka impedancja (opór w obwodach prądu przemiennego) i zbyt wysoki prąd, czyli moc, inaczej mówiąc ilość transferowanej energii. Podstawą jest tutaj prawo Oma, które głosi, co następuje:

U = I * R

gdzie U to napięcie, I to prąd, a R to opór.

Gdy falownik wysyła duży prąd i napotyka duży opór, skutkiem jest za wysokie napięcie. Bezpośrednie przyczyny tego mogą tkwić u Ciebie w domu lub w okolicy. Wyjaśnia to poniższa tabelka:

Przyczyny za wysokiego napięcia w sieci, a fotowoltaika
Przyczyna	Przyczyna u Ciebie	Przyczyna w okolicy
Zbyt wysoki opór (impedancja)	Zbyt cienkie przewody, źle zarobione połączenia	Przestarzała infrastruktura (trafostacja, przewody)
Zbyt wysoki prąd (moc)	Za duża instalacja fotowoltaiczna w stosunku do tego, co sieć może przyjąć (impedancja sieci)	Wyraźnie zbyt wiele fotowoltaiki w okolicy
Jak wykryć?	Wyjaśniamy w dalszej części artykułu

Jak to działa? Wyjaśnijmy to na przykładzie.

Przykład- wyobraź sobie, że prąd płynie w przewodach tak, jak woda w rzece. W tym przykładzie:

• Prąd to przepływ wody w rzece.
• Impedancja, opór to szerokość rzeki, stan brzegów i ilość śmieci.
• Napięcie to stan wody w rzece (wysokość poziomu, ilość wody na danym odcinku).

I tak gdy po opadach przepływ wody w rzece jest większy, wzrasta też stan wody. Przy źle utrzymanej rzece, o zarośniętych brzegach, poziom wody może szybko wzrosnąć ponad miarę. Z kolei jeśli rzeka jest dobrze utrzymana, to nie wyleje pod byle deszczem, chyba że dojdzie do katastrofalnej burzy. Dodatkowo ważny jest nie tylko stan Twojej rzeki, ale też stan jej ujścia. Podobnie, gdy latem fotowoltaika generuje dużą ilość energii i wtłacza ją do sieci, napięcie w sieci wzrasta. Jeśli Twoja sieć jest w złym stanie lub firma fotowoltaiczna zastosowała zbyt wąskie przewody, napięcie przekroczy wartość 253 V, a falownik się wyłączy.

W praktyce zatem dobrze wykonana instalacja fotowoltaiczna nie powinna mieć tego problemu, a jeśli ten problem występuje u Ciebie, często można go naprawić "oczyszczając" rzekę lub dodając "rezerwuar" wody - co dokładnie to znaczy, wytłumaczymy w dalszej części artykułu.

Jak ustalić przyczynę za wysokiego napięcia w sieci? 3 kroki

Najpierw sprawdź, czy problem jest u Ciebie, czy też problemem jest sieć energetyczna, albo zbyt duża ilość instalacji w okolicy. Czasami problem możesz zdiagnozować sam, ale często będziesz potrzebował pomocy elektryka.

Krok 1 - sprawdzamy sieć dystrybucyjną bez Twojej instalacji PV.

W kroku 1 chcemy sprawdzić, czy problem zbyt dużego napięcia w sieci występuje też bez wkładu Twojej instalacji fotowoltaicznej. Pomiaru musisz dokonywać około południa, w słoneczny dzień - tak by uwzględnić działanie pozostałych instalacji PV w okolicy. Przed pomiarem wyłącz swoją instalację PV oraz wszystkie duże obciążenia. Następnie:

• zarejestruj odczyt chwilowy napięcia multimetrem. Jeśli napięcie w danym momencie jest wyższe niż 253V, zrób zdjęcie multimetru i prześlij go do Twojego Operatora Sieci Dystrybucji.
• zarejestruj średnie odczyty z 10 minut z rejestratorem napięcia. Jeśli przez 10 minut średnia szczytów przekracza 255V, prześlij dane i zdjęcie do Operatora Sieci Dystrybucji.

Jeżeli którykolwiek z tych testów wypadł "pozytywnie", wówczas wina stoi po stronie sieci energetycznej, a Operator Sieci Dystrybucji powinien temu zaradzić. W naszym przykładzie woda w rzece ma wysoki stan, bo niżej w jej biegu jest czymś zablokowana.

Jeśli ten test nie dał odpowiedzi, przejdź do kroku 2.

Krok 2 - zmierz spadek napięcia pomiędzy Twoim falownikiem a licznikiem

Spadek napięcia na przewodach pomiędzy Twoim falownikiem, a dwukierunkowym licznikiem energii nie powinien przekraczać 1% (przy dużej odległości instalacji PV do domu dopuszcza się max 3%). Wyniki pomiarów spadku napięcia na tym odcinku powinny wchodzić w skład dokumentacji, jaką pozostawiła firma fotowoltaiczna. Upewnij się, że w dokumentacji wpisano spadek napięcia mniejszy niż 1%. Jeśli nie - masz winowajcę. Firma fotowoltaiczna zastosowała zbyt cienkie przewody AC między falownikiem a licznikiem. W naszym przykładzie stan wody się podnosi, bo koryto rzeki jest w tym miejscu zbyt wąskie.

Jeśli w dokumentacji wpisano wynik mniejszy niż 1%, ale masz co do niego podejrzenia, możesz oszacować, czy zastosowano wystarczająco gruby przewód z poniższej tabelki:

Moc falownika		Przekrój żyły miedzianej przewodu AC w mm² a odległość falownik - licznik
		Do 10 m	Do 20 m	Do 30 m
Falownik 1-faz	2 kW	1,0 mm²	1,5 mm²	2,5 mm²
	3,6 kW	2,5 mm²	4,0 mm²	6,0 mm²
Falownik 3-faz	3 kW	1,0 mm²	1,5 mm²	2,5 mm²
	5 kW	1,5 mm²	1,5 mm²	2,5 mm²
	7 kW	1,5 mm²	2,5 mm²	4,0 mm²
	10 kW	2,5 mm²	2,5 mm²	4,0 mm²
	12 kW	4,0 mm²	4,0 mm²	6,0 mm²

Uwaga - podana tabela ma jedynie charakter poglądowy. Przewody aluminiowe potrzebują kilkukrotnie większego przekroju!

Tak czy inaczej, ostateczną pewność spadku napięcia otrzymasz po ponownym wykonaniu rzeczywistych pomiarów. Wezwij swojego instalatora lub zatrudnij innego elektryka.

Teraz czas na wyniki:

Scenariusz 1 - problem jest w sieci - to znaczy nawet bez Twojej instalacji PV napięcie jest zbyt duże - to zwróć się o pomoc do Operatora Sieci Dystrybucji. To powinno załatwić sprawę. Czasami może to jednak potrwać. W międzyczasie zastosuj sposoby obniżenia napięcia w sieci podane poniżej.

Scenariusz 2 - problem jest w Twoim domu - to znaczy zmierzony spadek napięcia pomiędzy falownikiem a licznikiem dwukierunkowym przekracza 1%, problemem jest Twoja instalacja. Skontaktuj się z firmą, która montowała Ci fotowoltaikę. Wymiana przewodu AC na grubszy powinna załatwić sprawę.

Scenariusz 3 - wszystko wydaje się być ok, ale inwerter dalej się wyłącza - to znaczy napięcie sieciowe jest mniejsze niż 253 V, a spadek napięcia na przewodach Twojej instalacji nie przekracza 1%. W takim przypadku najwyraźniej sieć była niemal przeciążona, a Twoja instalacja to właśnie krok za daleko. Ale nie wszystko stracone! W tej sytuacji możesz zastosować 4 sposoby obniżenia napięcia.

Jak obniżyć napięcie w sieci fotowoltaika - 3 sposoby

Jak obniżyć napięcie w sieci? Fotowoltaika je podwyższa, ale istnieją skuteczne sposoby, które mogą temu zaradzić. Szczególnie powinieneś je rozważyć, jeśli problemem jest Twoja instalacja, lub gdy nie możesz się doczekać, aż Operator Sieci Dystrybucji zmodernizuje sieć. Są to:

1. Włączenie funkcji Q(U) i P(U) w inwerterze
2. Kupno magazynu energii
3. Pompa ciepła c.w.u. i jej właściwa konfiguracja

Omówmy te sposoby

Obniżenie napięcia w sieci przez włączenie funkcji Q(U) i P(U) w inwerterze

Wiele inwerterów ma funkcję Q(U) oraz P(U) [czytaj - "Q od U" i "P od U"]. Gdy uruchomiona i właściwie skonfigurowana, powoduje ona, że po przekroczeniu 250 V, falownik zmniejsza moc (konkretnie moc czynną wytwarzając w zamian nieco mocy biernej). Skutkiem tego falownik nie sięga granicy 253 V i dalej działa. Chociaż system działa z nieco mniejszą mocą, to i tak o niebo lepsze niż ciągłe wyłączanie i włączanie się całej instalacji.

To najtańszy i skuteczny sposób poradzenia sobie z problemem.

Kupno magazynu energii

O ile generacja prądu podwyższa napięcie w sieci, to odbiór prądu napięcie obniża. Zatem prostym sposobem na obniżenie napięcia w sieci jest zwiększenie zużycia w najbardziej słonecznych godzinach. Świetnie nadają się do tego akumulatory do fotowoltaiki. Mogą zmagazynować zieloną energię wytworzoną w dzień i zasilić Twój dom wieczorem. Z obowiązującym obecnie wysokim dofinansowaniem jest to atrakcyjna opcja.

Pompa ciepła c.w.u. też może obniżać napięcie

Może zamiast magazynować prąd, zmagazynujesz ciepło? Służy do tego pompa ciepła c.w.u. To mała pompa ciepła z dużym zasobnikiem na wodę, którą ogrzewa, pobierając ciepło z otaczającego powietrza. Działa głównie latem. Jeśli zaprogramujesz ją tak, by włączała się w środku dnia, znacząco zwiększy to odbiór prądu w godzinach, kiedy napięcie wzrasta najbardziej. Dobry zasobnik c.w.u. bez problemu utrzyma ciepłą wodę do wieczora, a nawet i dłużej. Oczywiście zamiast pompy ciepła do c.w.u. możesz stworzyć magazyn ciepła ze zwykłego bojlera.

Podsumowanie polecanych działań zawiera poniższe podsumowanie.

Przyczyny za wysokiego napięcia w sieci, a fotowoltaika
Wykryta niezgodność	Najbardziej prawdopodobna przyczyna	Jak zaradzić?
Wzrost napięcia między falownikiem a licznikiem o więcej niż 1% (~2,3 V)	Zbyt cienki przewód AC	Wymiana przewodu AC
Zbyt wysokie napięcie sieciowe, nawet gdy Twoja instalacja PV jest wyłączona (253 V)	Przestarzała infrastruktura (trafostacja, przewody) + zbyt dużo PV w okolicy	Wniosek do Operatora Sieci Dystrybucji
Inwerter się wyłącza, pomimo że nie występują powyższe niezgodności	Twoja instalacja okazała się być jedną instalacją za dużo	Funkcja Q(U) i P(U) w inwerterze lub inwerter trójfazowy Magazyn energii Magazyn ciepła

Uwaga, najbardziej prawdopodobna przyczyna to nie jedyna możliwa przyczyna! Powyższe badania powinny być wykonywane przez elektryków.

Co powinna zrobić firma fotowoltaiczna przed montażem, by napięcie nie wzrastało?

Mit: Montując fotowoltaikę, nie możesz przewidzieć, czy będziesz miał problem ze zbyt wysokim napięciem.

Fakt: Firma fotowoltaiczna może oszacować, ile mocy z fotowoltaiki można jeszcze w okolicy "upchnąć",biorąc pod uwagę obecny stan transformatora i ilość przyłączonych mocy. Należy w tym celu zmierzyć impedancję sieci na liczniku oraz napięcie sieciowe w słoneczny dzień. Ponieważ instalacja jeszcze nie istnieje, trzeba w tych wyliczeniach założyć też rozsądny opór między falownikiem a licznikiem (opór przewodu AC).

W naszym przykładzie ocenia się w ten sposób szerokość rzeki (impedancja sieci) i wysokość lustra wody (napięcie sieciowe), a następnie wylicza, ile wody można jeszcze wpuścić, zanim woda wystąpi z brzegów.

Maksymalną moc instalacji na jednej fazie wyliczamy następnie ze wzoru (dla uproszczenia zakładamy, że impedancja sieci odpowiada oporowi elektrycznemu):

Moc maksymalna na jedną fazę = (253 - napięcie sieciowe) / (impedancja sieci + zakładany opór przewodu AC) * 253

Przykład: impedancja sieci wynosi 0,8 Ω. Napięcie sieci w słoneczny dzień wynosi 240 V. Zakładamy, że opór przewodu AC wyniesie 0,1 Ω. Zatem:

Moc maksymalna na jedną fazę = (253 - 240) / (0,8 + 0,1) * 253 = 13 / 0,9 * 253 = 3 600 [W] = 3,6 [kW]

Poniższa tabela zawiera wyniki mocy maksymalnej możliwej do przyłączenia na jedną fazę w zależności od impedancji i napięcia sieciowego.

Dostępna moc na 1 fazę
Impedancja sieci + opór przewodu AC	Napięcie sieciowe
	230 V	235 V	240 V	245 V	250 V
0,1Ω	58 kW	45 kW	33 kW	20 kW	7,6 kW
0,2 Ω	30 kW	23 kW	16 kW	10 kW	4 kW
0,3 Ω	20 kW	15 kW	11 kW	6,7 kW	2,5 kW
0,4 Ω	15 kW	11 kW	8 kW	5 kW	2 kW
0,5 Ω	11 kW	9 kW	6,5 kW	4 kW	1,5 kW
0,6 Ω	10 kW	7,6 kW	5,5 kW	3,4 kW	1,3 kW
0,7 Ω	8 kW	6,5 kW	4,7 kW	2,9 kW	1,1 kW
0,8 Ω	7,3 kW	5,7 kW	4,1 kW	2,5 kW	0,9 kW
0,9 Ω	6 kW	3,5 kW	3,7 kW	2,2 kW	0,8 kW
1 Ω	5,5 kW	3,3 kW	3,3 kW	2 kW	0,7 kW
1,1 Ω	5 kW	3 kW	3 kW	1,8 kW	0,6 kW
1,2 - 1,6 Ω	~4 kW	~2,8 kW	~2,1 kW	~1,6 kW	~0,5 kW
1,6 - 2 Ω	~3 kW	~2,4 kW	~1,7 kW	~1,1 kW	~0,4 kW

Dane poglądowe

Jeśli inwestorzy będą stosować tę metodę, przypadki za wysokiego napięcia sieciowego będą marginalne.

Podsumowując, za wysokie napięcie w sieci spowodowane fotowoltaiką to rzeczywisty problem, który może mieć wiele przyczyn. Jednakże istnieją też sposoby jego rozwiązania. Nawet przed montażem instalacji możesz oszacować, czy ten problem będzie Cię dotyczył. W każdym przypadku podstawą jest profesjonalny projekt i zgodne ze sztuką wykonanie. Możemy pomóc Ci znaleźć dobre firmy fotowoltaiczne z okolicy.

Źródła:

• Bogusław Szymański, Instalacje fotowoltaiczne, teoria i praktyka od pomysłu do realizacji, Globenergia sp. z o.o. ISBN: 978-83-65874-00-9
• Wpis na solarquotes.com.au
• Wpis na mcelectrical.com.au