Prečo je jalový výkon dôležitý a správny - a žiadny problém s technológiou SMA SMA Solar
Prečo je jalový výkon dôležitý a správny - a bez problémov s technológiou SMA
Reaktívny výkon v skutočnosti vždy vzniká, keď sa energia prenáša pomocou striedavého prúdu. Ich význam pre solárnych inštalatérov a prevádzkovateľov systémov rastie u veľkých aj malých systémov. Najdôležitejšie zistenie: jalový výkon nie je vôbec problémom. Pre niektoré problémy je to dokonca riešenie.
1. júla 2010 to bude vážne: Solárne systémy napájané na strednom napätí musia byť od tohto okamihu schopné poskytnúť jalový výkon - to uvádza revidovaná smernica o vysokom napätí z roku 2008 Nemeckej asociácie pre energetické a vodné hospodárstvo (BDEW). V súčasnosti sa diskutuje o ešte rozsiahlejších požiadavkách na nízkonapäťovú sieť. Dostatočný dôvod na to, aby ste sa bližšie pozreli na tému: Čo je jalový výkon? Načo je to dobré? Čo sa vyžaduje od FV systémov? A aké riešenia ponúka spoločnosť SMA?
Jalový výkon jednoducho vysvetlený
Ako vysvetľujúci model jalového výkonu sa môžeme pozerať na príjmy a výdavky fiktívnej spoločnosti: v januári to trvá 10 000 eur, vo februári sú to výdavky 10 000 eur. Celé sa to opakuje aj v ďalších mesiacoch. Napriek mesačnému obratu účtu 10 000 EUR je priemerný zisk nulový - dalo by sa povedať čistá jalová sila. Ako však k niečomu podobnému v sieti so striedavým prúdom dôjde?
Ako sa vytvára jalový výkon?
Pri jednosmernom prúde sú vzťahy stále jednoduché: sila je produktom napätia a prúdu. Pri striedavom prúde je to však komplikovanejšie, pretože sila a smer prúdenia a napätie sa pravidelne menia. Vo verejnej rozvodnej sieti majú obidve sínusovú krivku s frekvenciou 50 alebo 60 Hz. Pokiaľ sú prúd a napätie „vo fáze“, to znamená oscilujú v kroku, výsledkom súčinu dvoch pulzujúcich veličín je pulzujúci výkon s kladnou priemernou hodnotou - čistý činný výkon (obr. 1a).
Obrázok 1a: Bez fázového posuvu vedie súčin prúdu i a napätia u k pulzujúcemu, ale vždy kladnému výkonu - čistému činnému výkonu.
Len čo sa však sinusové krivky prúdu a napätia posunú proti sebe, výsledkom ich súčinu bude výstup so striedavými kladnými a zápornými znakmi. V extrémnych prípadoch sa prúd a napätie posunú o štvrtinu periódy: Sila prúdu vždy dosiahne svoju maximálnu hodnotu, keď je napätie nulové - a naopak. Výsledok: čistý jalový výkon, kladný a záporný výkon sa navzájom úplne rušia (obr. 1b).
Obrázok 1b: 90-stupňový fázový posun medzi prúdom i a napätím u vedie k striedaniu kladného a záporného výkonu s priemernou hodnotou nulového - čistého jalového výkonu.
Uvedený posun sa nazýva aj fázový posun, aj keď môže mať prirodzene dva smery. Vzniká, keď sú v obvode striedavého prúdu cievky alebo kondenzátory - a je to tak vždy: Všetky motory alebo transformátory obsahujú cievky (zaisťujú indukčný posun), často sa vyskytujú aj kondenzátory (zaisťujú kapacitný posun).
Ale viacjadrové silové káble fungujú aj ako kondenzátor, zatiaľ čo nadzemné vedenia vysokého napätia možno považovať za extrémne pretiahnuté cievky. Je preto zrejmé: Určitej miere fázového posuvu a tým aj jalového výkonu sa v sieťach striedavého prúdu dá len ťažko vyhnúť. Meranou veličinou fázového posuvu je faktor posunu cos (φ), ktorý môže nadobúdať hodnoty od 0 do 1. S jeho pomocou možno veľmi ľahko prevádzať rôzne hodnoty výkonu do seba (pozri informačné pole).
Ako ovplyvňuje jalový výkon elektrickú sieť?
Iba skutočná sila je použiteľná sila. Môže byť použitý na riadenie strojov, rozsvietenie žiaroviek alebo obsluhu sálavých ohrievačov. Veci sa líšia s jalovým výkonom: nie je vyčerpaný a nemôže robiť žiadnu prácu. Iba premáva tam a späť v elektrickej sieti - a ešte viac ju zaťažuje. Pretože všetky vedenia, spínače, transformátory a ďalšie komponenty musia brať do úvahy dodatočný jalový výkon.
Konkrétne: Musia byť navrhnuté pre zdanlivý výkon, to znamená pre geometrický súčet činného a jalového výkonu. Ohmické straty počas prepravy energie tiež vznikajú na základe zdanlivého výkonu; ďalší jalový výkon preto vedie k väčším stratám pri preprave.
Úľava od elektrických sietí a regulácia napätia
Existujúci fázový posun sa dá našťastie vyrovnať. Potrebujete len zodpovedajúci fázový posun v opačnom smere pomocou kompenzačných cievok alebo kompenzačných kondenzátorov - alebo dokonca invertorov. Na jednej strane to znižuje transportné straty, na druhej strane je sieť zaťažená iba aktívnym výkonom. Uvoľnené linkové zdroje sa tak môžu použiť na prenos dodatočného činného výkonu.
Kapacitný alebo indukčný fázový posun má ďalší efekt: zvyšuje alebo znižuje napätie v sieti. Napríklad vo veľkých elektrárňach sa energia generuje kapacitným fázovým posunom, aby sa kompenzoval vplyv indukčných nadzemných vedení a transformátorov na zníženie napätia. Regulácia fázového posuvu alebo jalového výkonu je preto pre riadenie siete mimoriadne dôležitá - to platí nielen pre veľké elektrárne, ale aj pre FV systémy v sieťach stredného alebo nízkeho napätia.
To požaduje smernica o strednom napätí
Podľa smernice o vysokom napätí BDEW môžu prevádzkovatelia sietí od júla 2010 požadovať napájanie indukčného alebo kapacitného jalového výkonu s faktorom posunu 0,95. Niektoré z nich už vlastne požadujú dodávku jalového výkonu, aby bolo možné systémy stále pripojiť k daným bodom pripojenia siete - niekedy dokonca s faktorom posunu 0,90. Na príslušnom usmernení pre sieť nízkeho napätia sa už pracuje, štúdia technickej univerzity v Mníchove tiež navrhuje faktor posunu 0,90.
Pozadie: Z fyzikálnych dôvodov vedie napájanie aktívneho výkonu, najmä v nízkonapäťovej sieti, k zvýšeniu napätia, čo môže byť za určitých okolností problematické (pozri obr. 3). Zároveň je tu však potrebné zvlášť veľké množstvo jalového výkonu, aby sa napätie opäť znížilo.
Produktové riešenia od spoločnosti SMA
Spoločnosť SMA už ponúka celý rad produktov s jalovým výkonom: Všetky novšie centrálne invertory, centrálne invertory SunnyMini s Reactive Power Control a tiež nový Sunny Tripower sú určené na dodávku jalového výkonu. Súčasné centrálne invertory série HE už spĺňajú všetky požiadavky smernice o strednom napätí, ktorá bude platiť od polovice roku 2010, a ponúkajú faktory posunu až 0,90, ostatné zariadenia dokonca až 0,80.
Všestranný reduktor výkonu
S SMA Power Reducer Box existuje aj komunikačné riešenie pre určenie faktora posunu: Okrem diaľkovo riadeného obmedzenia napájacieho výkonu umožňuje zariadenie diaľkový výber z maximálne 16 voľne definovateľných faktorov posunu alebo hodnôt jalového výkonu (musia byť dodržané maximálne hodnoty použitých striedačov).
Špičková technológia s ďalšími výhodami
Inovatívne súbory Sunny Backup od spoločnosti SMA idú ešte o krok ďalej: Ak dôjde k výpadku napájacej siete, musí záložný systém na vytvorenie plnohodnotnej ostrovnej siete použiť batériu a solárnu energiu - je určený pre tento „záložný prípad“. Invertor batérie preberá funkciu sieťového generátora a je zodpovedný za napätie, frekvenciu, kompenzáciu jalového výkonu a filtrovanie harmonických. Je schopný dodať celý svoj nominálny výkon ako jalový výkon a tak regulovať fázový posun v ostrovnej sieti na ľubovoľnú hodnotu. So softvérovou úpravou by to invertor Sunny Backup mohol robiť, aj keď je k dispozícii sieťové napätie, a podľa toho odľahčiť nízkonapäťovú sieť.
Takto plánujete s jalovým výkonom
Pri projektovaní FV systému je samozrejme potrebné brať do úvahy jalový výkon. Rozhodujúci význam má požadovaný alebo požadovaný faktor posunu: Ten určuje množstvo zdanlivého výkonu a tým aj dodatočne požadovaný výkon invertora. Pri cos (φ) 0,95 sa vyrobí zdanlivý výkon 105,26 percenta ponúkaného skutočného výkonu PV. Na napájanie aktívneho výkonu 100 kW s týmto fázovým posunom je potrebný invertor s nominálnym zdanlivým výkonom najmenej 105 kVA (pozri obr. 2). Dôležité: Aktívny výkon spotrebovaný invertorom je zachovaný v plnom rozsahu. Príslušný jalový výkon tiež vzniká v invertore, a preto musí byť dimenzovaný zodpovedajúcim spôsobom väčší. S bezplatným plánovacím softvérom SMA „Sunny Design“ od verzie 1.50 je možné vypočítať aj všetky možnosti napájania jalovým výkonom.
Obrázok 2: Požadovaný jalový výkon sa generuje v invertore - okrem spotrebovaného aktívneho FV výkonu. Geometrický súčet týchto dvoch je zdanlivý výkon; je to rozhodujúce pre konštrukciu meniča
Riešenie problémov s jalovým výkonom
Obrázok 3: Percentuálne zvýšenie napätia pri napájaní činným výkonom 27 kW v závislosti od uhla impedancie siete a faktora posunu
Záver: Nebojte sa jalového výkonu
Dodávka jalového výkonu solárnymi invertormi je dôležitým krokom pre integráciu fotovoltaiky do riadenia siete, ale môže byť atraktívna aj pre operátorov. Dobrá správa: Vďaka svojej práci sú invertory na to ideálne.