Система накопичення енергії з підключенням до мережі змінного або постійного струму: яка архітектура краща?
Якщо ви плануєте встановити акумуляторну батарею разом із сонячною системою, найперше питання стосується не ємності, а архітектури. Саме це рішення визначає ККД системи, можливості її розширення та вартість монтажу. У цій статті ми розглянемо, як працюють системи з підключенням до мережі змінного (AC) та постійного (DC) струму, у чому полягає найважливіша технічна відмінність між підключенням до мережі змінного та постійного струму, а також що взагалі означають поняття «змінний» та «постійний» струм на практиці.
Ми розглянемо, яке рішення є ефективнішим з точки зору перетворення енергії, коли перевагу слід надавати підключенню до змінного струму (AC) у разі розширення існуючої сонячної електростанції за допомогою акумулятора, а коли все-таки варто вибрати накопичувач енергії з підключенням до постійного струму (DC). Ми торкнемося питання сумісності з інверторами, того, чи варто залишити існуючий пристрій чи замінити його на гібридний інвертор, а також розрахунку потужності та ємності при подальшому розширенні системи.
Нарешті, ми кількісно оцінимо втрати при перетворенні, розглянемо питання «zero export» та управління енергією в системах ретрофіту, порівняємо дві архітектури у великих комерційних та промислових масштабах, а наприкінці ви отримаєте критерії прийняття рішень SOLARKIT для підрядників. Якщо сонячні панелі та акумулятори встановлюються в систему додатково, цей перелік критеріїв допоможе вирішити, який варіант буде вигіднішим.
Як працюють системи з підключенням до мережі змінного та постійного струму?
Різниця між цими двома архітектурами полягає в тому, де з’єднуються ланцюги сонячних панелей та акумулятора.
У системі з підключенням до мережі змінного струму (AC) сонячна панель працює на власний інвертор, а накопичувач енергії — на окремий гібридний інвертор з акумулятором. Ці два пристрої з’єднуються на стороні змінного струму, зазвичай на шині розподільної шафи. Електроенергія, вироблена сонячною панеллю, спочатку перетворюється на змінний струм, потім, потрапляючи в акумулятор, знову перетворюється на постійний струм, а під час розряджання — втретє. Перевага такої конструкції полягає в тому, що обидва пристрої працюють незалежно один від одного: якщо один з них виходить з ладу, інший продовжує працювати.
У системі з підключенням до постійного струму працює лише один гібридний інвертор. Сонячні панелі та акумулятор підключаються до спільної шини постійного струму: з одного боку — MPPT-регулятор, з іншого — зарядний пристрій акумулятора — перетворювач DC/DC. Постійний струм, що надходить із сонячної панелі, безпосередньо, без перетворення, заряджає акумулятор і перетворюється на змінний струм лише тоді, коли подається до споживачів або в мережу.
З цієї топологічної відмінності випливає все інше: ККД, можливість розширення, надмірність та складність монтажу. Для домашньої системи діє та сама логіка, що й для промислової установки, лише в іншому масштабі.
AC-з'єднання та DC-з'єднання: найважливіші технічні відмінності
На практиці ці дві архітектури відрізняються між собою у чотирьох аспектах.
Кількість перетворень. У разі AC-з’єднання енергія сонячних панелей перетворюється тричі, у разі DC-з’єднання — один раз. Саме це зумовлює різницю в ККД: при заряджанні від сонячних панелей системи з AC-з’єднанням зазвичай забезпечують ККД циклу 90–94 %, а системи з DC-з’єднанням — 95–98 %.
Відновлення відсіченої енергії. Якщо потужність сонячного поля перевищує номінальну потужність змінного струму інвертора, надлишок втрачається. Акумулятор з підключенням до постійного струму (DC) накопичує цю відсічену (clipping) енергію ще до інвертора, тоді як система з підключенням до змінного струму (AC) може заряджатися лише тоді, коли енергія вже пройшла через інвертор.
Розташування та резервування. Акумулятор, підключений до мережі змінного струму, можна вільно встановлювати подалі від сонячного поля, і обидва інвертори працюють незалежно один від одного. У разі підключення до мережі постійного струму акумулятор повинен залишатися поблизу інвертора, і несправність одного пристрою призводить до зупинки всієї системи.
Вартість та монтаж. У разі будівництва «з нуля» підключення до постійного струму є дешевшим, оскільки достатньо одного гібридного інвертора. Натомість у разі існуючої системи підключення до змінного струму є швидшим варіантом, оскільки не потрібно втручатися в діючу сонячну частину.
Що означає AC-DC
Варто роз’яснити основи, оскільки саме на них ґрунтуються всі вищезазначені відмінності.
Постійний струм (DC, direct current) тече в одному напрямку, його напруга є постійною. Сонячні панелі генерують саме такий струм, і акумулятор також зберігає енергію у цій формі. У побутовій ланцюговій системі це зазвичай означає постійну напругу в діапазоні 600–1000 В.
Змінний струм (AC — alternating current) періодично змінює напрямок, у Європі з частотою 50 Гц. Електромережа та більшість побутових споживачів працюють саме з ним.
Інвертор з'єднує ці два елементи: каскад DC/DC регулює рівень напруги, а каскад DC/AC перетворює вихідний сигнал на синусоїдальний змінний струм напругою 230 В. Кожне таке перетворення супроводжується втратами, тому важливо, через скільки каскадів проходить струм.
Яке рішення є ефективнішим з точки зору перетворення енергії?
На папері відповідь однозначна: підключення до постійного струму. При заряджанні від сонячних панелей системи з підключенням до постійного струму працюють із ККД 95–98 відсотків, а системи з підключенням до змінного струму — з ККД 90–94 відсотків, оскільки струм проходить через меншу кількість ступенів перетворення.
На практиці ж має значення, яким шляхом проходить енергія.
Якщо вироблена сонячною батареєю енергія відразу надходить до споживачів, обидві архітектури виконують одне й те саме перетворення постійного струму в змінний. Різниця в ККД стосується виключно накопиченої енергії, тобто її значення тим більшим є, чим більша частка накопичення в системі.
Під час заряджання від мережі ситуація змінюється: ККД системи з підключенням до постійного струму в цей час знижується до близько 87 відсотків через додаткове перетворення, тоді як продуктивність системи з підключенням до змінного струму залишається більш збалансованою незалежно від джерела заряджання. Цей аспект набуває особливого значення скрізь, де в бізнес-моделі передбачені динамічні тарифи або послуги енергосистеми.
У режимі «Blackout» підключення до мережі змінного струму також може виявитися ефективнішим: у цей час потужність інвертора сонячних панелей та інвертора акумулятора додаються, що дозволяє забезпечити навіть більшу миттєву потужність споживання.
У цифрах: для акумулятора ємністю 10 кВт·год різниця в ККД у 3–5 відсотків означає річну різницю приблизно в 200–400 кВт·год. Це значення саме по собі рідко є підставою для заміни інвертора, але при проектуванні «з нуля» воно вже має значення.
Розширення існуючої сонячної електростанції за допомогою акумулятора: коли вигідне підключення до мережі змінного струму?
Розширення існуючої сонячної електростанції за допомогою акумулятора сьогодні є типовим завданням на більшості європейських ринків. У більшості систем, встановлених у другій половині 2010-х років, використовуються звичайні струнгові інвертори, що подають енергію в мережу, які не підтримують підключення акумулятора.
У таких випадках підключення до мережі змінного струму (AC) є однозначно кращим вибором у чотирьох випадках.
Якщо існуючий інвертор у хорошому стані та ще перебуває на гарантії. Немає сенсу викидати прилад, що працює, лише заради того, щоб отримати кілька відсотків додаткової ефективності. А залишкова вартість демонтованого інвертора становить лише частку від вартості нового.
Якщо не варто порушувати існуючу схему розрахунків. Більш вигідні тарифи, отримані раніше, зазвичай пов’язані з заявленою потужністю виробника та угодою про підключення до мережі. Розширення на стороні змінного струму не впливає на ці умови, тоді як заміна інвертора може спричинити нову процедуру отримання дозволу.
Якщо місце розташування сонячного поля та акумулятора відрізняється. Інвертор з акумулятором можна вільно встановлювати поблизу розподільного щита.
Якщо метою є швидке введення в експлуатацію. Серед систем зберігання енергії EcoFlow є як моделі «All-in-One», так і традиційні конструкції з окремим інвертором. Для подальшого розширення найбільш підходить варіант «All-in-One»: інвертор та акумуляторні модулі утворюють єдину башту, їх можна підключити до сторони змінного струму, тому монтаж зазвичай можна завершити за один день. Якщо акумулятор підключається до системи згодом, підключення до мережі змінного струму (AC) вимагає найменших втручань.
Коли варто обирати накопичувач енергії з підключенням до ланцюга постійного струму?
Однак у чотирьох випадках підключення до постійного струму є раціональним рішенням.
При будівництві «з нуля». Якщо сонячна установка та накопичувач монтуються одночасно, один гібридний інвертор вийде дешевше та ефективніше, ніж два окремі пристрої.
Якщо існуючий інвертор все одно потребує заміни. Термін експлуатації 8–10-річного струнного інвертора добігає кінця, і в цьому випадку гібридний інвертор вже не є додатковими витратами, а є запланованою заміною.
Якщо сонячна електростанція перерозмірена. За умови високого співвідношення постійного та змінного струму відновлення відсіченої енергії може самоокупитися.
Якщо місце обмежене. Один гібридний інвертор означає менше обладнання, менше кабелів та єдину платформу моніторингу.
Рішення завжди ґрунтується на обстеженні на місці: тип і вік існуючого інвертора, а також підключена потужність разом визначають, яка архітектура є вигідною.
Сумісність інверторів та аспекти проектування системи
Після вибору архітектури успіх проєкту зазвичай визначається не ККД, а тим, чи можуть обрані пристрої працювати разом.
Необхідно узгодити три аспекти: діапазон напруги, протокол зв’язку та схвалення виробника. Більшість гібридних інверторів для побутового використання працюють з 48-вольтовими LiFePO4-акумуляторами через інтерфейс CAN або RS485, тоді як високовольтні платформи вимагають власної акумуляторної батареї напругою від 100 до 1000 В, часто із закритим протоколом.
Маркування «10 кВт·год» може охоплювати два абсолютно різні продукти: 48-вольтовий модуль і високовольтну батарейну башту, підключену до гібридного інвертора. Ці два пристрої не є взаємозамінними.
Закрита система зв’язку не є додатковою опцією: без неї інвертор оцінює рівень заряду лише за напругою, що є неточним через плоску характеристику LiFePO4 і може бути необхідним з точки зору гарантії виробника.
Збереження існуючого інвертора або заміна його на гібридний інвертор
Для прийняття рішення необхідно зібрати на місці чотири дані.
Вік інвертора та термін дії гарантії, що залишився. У випадку пристрою віком 2–3 роки підключення до мережі змінного струму майже завжди вигідніше.
Конфігурація ланцюгів. Якщо ви замінюєте інвертор на гібридний, значення напруги та струму існуючих ланцюгів повинні вкладатися в діапазон MPPT нового пристрою. Це часто означає перепідключення або перерозподіл ланцюгів.
Список сумісності. Завжди перевіряйте актуальний, затверджений виробником список, із зазначенням моделі та версії апаратного забезпечення, оскільки важливе значення має також сумісність прошивки. Ми підготували окремий огляд щодо сумісності акумуляторів та інверторів FoxESS.
Вартість простою. У комерційних установках дні втрати виробництва швидко перекривають виграш у ККД.
Якщо будь-який із цих факторів є невизначеним, підключення до мережі змінного струму (AC) є варіантом з меншим ризиком: воно не зачіпає сонячну частину системи, а дозволені налаштування існуючої системи залишаються незмінними.
Розрахунок потужності та ємності при подальшому розширенні системи сонячних панелей та акумуляторів
При розрахунках слід окремо враховувати два різних показники: ємність (кВт·год) та потужність (кВт).
Ємність визначається вечірнім піком споживання, а не загальним добовим споживанням. Якщо вечірнє навантаження становить 8–10 кВт·год на добу, немає сенсу встановлювати акумулятор на 20 кВт·год: при співвідношенні до сонячної батареї понад 2:1 рівень самозабезпечення практично не покращується.
Потужність обмежується коефіцієнтом C та інвертором. Акумулятор ємністю 20 кВт·год, який можна заряджати зі швидкістю 0,5C, видає 10 кВт на рівні акумулятора, а вихідна потужність на стороні змінного струму буде меншою.
Зрештою, розраховуйте на корисну ємність, а не на номінальну: через глибину розряду, ККД та зниження потужності при підвищенні температури реальне значення може бути на 20–35 відсотків нижчим. Це особливо важливо при розширенні з підключенням до мережі змінного струму, оскільки потужність акумуляторного інвертора додається до системи окремо від існуючого сонячного інвертора, паралельно з ним.
Втрати при перетворенні в системах, підключених до мережі змінного та постійного струму
Втрати виникають не в акумуляторі, а на етапах перетворення та під час споживання в режимі очікування.
У системі з підключенням до мережі змінного струму накопичена енергія проходить через три ступені інвертора, а в системі з підключенням до мережі постійного струму — лише через один під час заряджання від сонячних панелей. Для акумулятора, що переробляє 4 000 кВт·год на рік, це означає втрати в 400 кВт·год при ККД циклу 90 відсотків і 160 кВт·год при ККД 96 відсотків. Різниця становить близько 240 кВт·год на рік.
Другим, часто ігнорованим фактором є споживання в режимі очікування. Споживання в режимі холостого ходу окремого інвертора з акумулятором зазвичай не перевищує 1 відсотка номінальної потужності, але навіть постійне споживання в 20–40 Вт означає річне споживання в 175–350 кВт·год. У разі підключення до мережі змінного струму (AC) паралельно споживають енергію два пристрої, у разі підключення до мережі постійного струму (DC) — один.
На стороні постійного струму втрати також не дорівнюють нулю: контролер заряду, система управління батареєю (BMS) та кабельне з’єднання також споживають енергію, просто ці величини менші за порядок. У системах низької напруги (48 вольт) через більший струм втрати в кабелі є більш значними, ніж у системах високої напруги.
Тому недостатньо просто порівнювати ККД циклу, вказаний у каталозі. Слід моделювати на основі реальних виробничих журналів: скільки кВт·год фактично проходить через акумулятор, а скільки — безпосередньо до споживачів. Останнє в обох архітектурах коштує однаково.
Системи «Zero export» та модернізації систем управління енергією
У багатьох випадках отримання дозволу на підключення до мережі передбачає обмеження або повну заборону подачі енергії в мережу. Цей регуляторний підхід сам по собі впливає на вибір архітектури.
У системах з підключенням до постійного струму обмеження є простим: гібридний інвертор у єдиному контурі регулювання відбирає потужність MPPT саме на ту величину, яку споживають споживачі та акумулятор.
У разі модернізації з підключенням до мережі змінного струму ситуація складніша, оскільки інвертор з акумулятором не може безпосередньо приглушити існуючий інвертор сонячних панелей. Залишається два варіанти: або поглинути надлишок у акумулятор за допомогою зарядки зі змінною потужністю, або регулювати сонячну сторону за допомогою комунікації, можливо, шляхом зміщення частоти. Останній варіант є повільнішим і значною мірою залежить від конкретної марки обладнання.
Звідси випливає емпіричне правило проектування: система «zero export» з підключенням до мережі змінного струму працює надійно, якщо зарядна потужність акумуляторного інвертора досягає номінальної потужності існуючого інвертора сонячної батареї.
З точки зору управління енергією перевага полягає в зворотному: надлишок, що не перевищує обмеження подачі, залишається в акумуляторі, а не втрачається.
В обох випадках зворотний зв’язок, виміряний у точці підключення, замикає контур у вигляді перетворювача струму або «розумного» лічильника. Під час введення в експлуатацію перевірте напрямок перетворювача струму, порядок фаз та час дискретизації, а також залиште невеликий запас на стороні імпорту замість нуля.
AC- або DC-з'єднання для накопичувачів енергії у великих комерційних та промислових системах?
У більшому масштабі критерії змінюються: вирішальну роль відіграє не ККД, а стратегія отримання доходу та підключення до мережі.
На користь DC-підключення говорить наявність єдиної точки підключення. Це означає простішу перевірку мережі та меншу кількість трансформаторів, а крім того, у разі сильно перерозміреного сонячного поля відновлення відсіченої енергії забезпечує великий обсяг виробництва. Тому сьогодні DC-підключений накопичувач енергії, спроектований для новозбудованої сонячної електростанції, є базовим варіантом.
На користь підключення до змінного струму (AC) свідчить незалежність. Акумуляторна система, підключена до змінного струму, може надавати послуги мережі незалежно від виробництва сонячної енергії, дозволяє модульне розширення, а вихід з ладу одного інвертора не виводить з ладу всю станцію. Для існуючих промислових дахових систем це є оптимальним рішенням.
Є один аргумент проти підключення до мережі змінного струму (AC): така система повільніше реагує на швидкі команди мережі, наприклад, на регулювання частоти, оскільки потрібно синхронізувати роботу декількох інверторів одночасно.
Зверніть увагу на дві перешкоди. Подальше розширення системи з підключенням до постійного струму (DC) є складним, оскільки діапазон напруги нових акумуляторів, як правило, не збігається з діапазоном старих. А при обмеженні пікових навантажень потужність PCS слід розраховувати відповідно до пікового значення, яке потрібно обмежити, а ємність — відповідно до тривалості піку.
Для більших проєктів у асортименті енергонакопичувачів FoxEss ви також знайдете масштабовані рішення у вигляді шаф та контейнерів, однак розрахунок завжди слід починати з чвертьгодинного профілю навантаження об’єкта.
Рекомендації SOLARKIT: критерії прийняття рішень для установників сонячних батарей
Наш досвід показує, що більшість помилкових архітектурних рішень зумовлені відсутністю обстеження, а не професійною необізнаністю. Тому ми рекомендуємо перед подачею кожної пропозиції занотувати п’ять даних.
Точний тип інвертора та рік випуску. Це визначає, чи можна його залишити.
Значення напруги та сили струму у ланцюгах. При переході на гібридний інвертор це є обов’язковою умовою.
Потужність підключення та обмеження подачі енергії. Якщо для їх зміни потрібний дозвіл, перевага схиляється на бік підключення до мережі змінного струму (AC).
Потреба в резервному джерелі живлення. У режимі відключення електропостачання в системі, підключеній до мережі змінного струму, інвертор з акумулятором повинен працювати в режимі формування мережі, а існуючий сонячний інвертор повинен мати можливість співпрацювати з ним. Якщо ні, сонячна частина просто зупиниться під час відключення електроенергії.
Вечірній профіль навантаження. Саме він визначає необхідну ємність, а не сумарне добове споживання.
Наш висновок простий: для нової системи — підключення до постійного струму (DC), для існуючого та справно працюючого інвертора — підключення до змінного струму (AC). Виняток становить випадок, коли інвертор все одно потребує заміни, адже тоді гібридне рішення вирішує проблему за один крок.
Виконавцям варто мати в наявності комплекти, пристосовані до обох архітектур. Хто пропонує лише гібридне рішення з інвертором, той втрачає значну частину ринку модернізації; хто пропонує лише акумуляторні системи з підключенням до мережі змінного струму, той відмовляється від проектів нового будівництва.
FAQ: Акумулятори, підключені до мережі змінного (AC) та постійного (DC) струму
Чи можна встановити акумуляторну батарею з підключенням до постійного струму (DC) у систему з мікроінверторами?
Ні. Мікроінвертори вже перетворюють вироблену енергію на змінний струм безпосередньо за модулем, тому немає шини постійного струму, до якої можна було б підключити акумулятор. У такій системі можливе виключно підключення до мережі змінного струму (AC), що, втім, є природним рішенням: акумулятор просто підключається до інвертора, підключеного до мережі змінного струму.
Чи втрачається гарантія на існуючий інвертор у разі розширення системи з підключенням до мережі змінного струму?
Зазвичай ні, оскільки акумулятор з підключенням до мережі змінного струму підключається з боку розподільної шафи, після інвертора сонячних панелей, і не зачіпає його електричне коло. Однак при заміні на гібридний інвертор залишок гарантії на старий пристрій втрачається. Перед монтажем завжди запитуйте письмове підтвердження у виробника або дистриб’ютора.
Чи можна поєднувати підключення змінного (AC) та постійного (DC) струму в одній системі?
Так, у добре спроектованій системі обидва типи можуть співіснувати. Типовий випадок — коли існуючий сонячний інвертор залишається на стороні змінного струму, а поруч встановлюється новий гібридний інвертор із власним сонячним полем та акумулятором. У такому разі управління має здійснювати система управління енергією.
На скільки більше сонячної енергії потрібно для зарядки акумулятора, підключеного до мережі змінного струму?
Приблизно на 5–10 відсотків. Через два перетворення з ККД близько 95 відсотків кожне для заряджання акумулятора ємністю 20 кВт·год потрібно приблизно на 2 кВт·год більше енергії, виробленої сонячними панелями. Цей надлишок не має великого значення, коли пікова потужність у полудень і так не використовується.
Чи заряджається акумулятор, підключений до мережі змінного струму, від сонячних панелей під час відключення електроенергії?
Тільки в тому випадку, якщо інвертор з акумулятором у режимі формування мережі створює стабільну локальну мережу, і інвертор сонячної батареї може працювати разом з ним. Деякі гібридні інвертори при повністю зарядженому акумуляторі підвищують частоту до 52–53 Гц, щоб відключити сонячну частину. Цю поведінку необхідно перевірити на рівні конкретної моделі перед установкою.
