Введение: Как AC/DC связано с солнечными системами?

Как легендарная рок-группа AC/DC связана с солнечными системами? Название группы символизировало мощь и энергию их выступлений – так же, как переменный ток (AC) и постоянный ток (DC), которые проходят через солнечные системы.

Чтобы справляться с этими "сырыми" токами, используется силовая электроника. В этой статье вы узнаете, как работают инверторы и почему выбор между одно- и трехфазными системами важен.

Постоянный ток встречает переменный ток

Проблема солнечных систем: солнечные панели вырабатывают постоянный ток (DC), тогда как бытовые устройства требуют переменного тока (AC) с частотой 50 Гц. Кроме того, аккумуляторные системы также используют постоянный ток.

Чем отличаются эти виды тока?

Постоянный ток (DC):

• Ток течет в одном направлении
• Как корабль, плывущий только вверх по течению
• Примеры: батареи, солнечные панели, USB-устройства

Переменный ток (AC):

• Направление тока постоянно меняется (50 раз в секунду при 50 Гц)
• Как корабль, постоянно плывущий вверх и вниз по течению
• Стандарт в европейской электросети

Инвертор: сердце преобразования тока

Принцип работы

Инвертор преобразует постоянный ток солнечных модулей в сетевой переменный ток. Это достигается с помощью электронных переключателей (IGBT или MOSFET), которые быстро включают и выключают постоянный ток:

1. DC-вход: Постоянный ток из модулей
2. Разбиение: Переключатели быстро включают и выключают DC
3. Широтно-импульсная модуляция (PWM): Из "кусочков" постоянного тока формируется синусоида
4. AC-выход: Сетевой переменный ток с частотой 50 Гц

Важные функции инвертора

• Синхронизация с сетью: Частота и фаза подстраиваются под сеть – при отклонении инвертор отключается
• Защита от островного режима: Отключает систему при отключении сети для защиты обслуживающего персонала
• Окно напряжения и частоты: Подключение только в пределах допустимых отклонений
• Ограничение мощности: Многие сети требуют ограничения мощности (например, правило 70%), которое реализуется программно

MPPT: Центр управления

Трекер точки максимальной мощности (MPPT) часто встроен в инвертор. Его задача: независимо от нагрузки или погодных условий всегда извлекать максимальную мощность из солнечной системы.

Как работает MPPT?

Электрическая мощность – это произведение напряжения и тока: P = U × I

Каждый солнечный модуль имеет индивидуальную характеристическую кривую, зависящую от вырабатываемого тока и напряжения. Эта кривая изменяется из-за:

• Затенения
• Изменений температуры
• Изменяющейся инсоляции

MPPT постоянно сканирует характеристическую кривую мощности. Распространенный алгоритм "Возмущение и наблюдение" работает следующим образом:

1. Напряжение слегка увеличивается или уменьшается (возмущение)
2. Измеряется изменение мощности (наблюдение)
3. Мощность увеличилась? → Продолжать в этом направлении
4. Уменьшилась? → Изменить направление

Таким образом, MPPT всегда находит текущую точку максимальной мощности.

Понимание трехфазного тока

Европейские сети используют не простой переменный ток, а трехфазный ток (трехфазный переменный ток). Это три переменных тока, колеблющихся с равномерным временным сдвигом на 120°.

Почему трехфазный ток?

КПД передачи тока значительно выше:

• Однофазный переменный ток требует 2 кабеля
• Трехфазный ток требует всего 3 кабеля для тройной мощности

Трюк: в каждый момент времени три фазы компенсируют друг друга. Когда максимальная сила тока течет в одном кабеле, два других кабеля проводят токи в противоположном направлении с половинной силой. Таким образом, не требуется отдельный обратный кабель.

Уровни напряжения в России

Уровень	Напряжение	Применение
Высокое напряжение	220–330 кВ	Передающие сети
Среднее напряжение	35–110 кВ	Региональное распределение
Низкое напряжение	0,4 кВ (трехфазный)	Бытовые сети
Розетка	230 В (однофазный)	Отдельная фаза трехфазного тока

Однофазный или трехфазный инвертор?

Выбор между однофазными и трехфазными инверторами имеет значительные последствия для вашей системы.

Однофазный инвертор

В однофазном инверторе постоянный ток преобразуется в одну фазу переменного тока. Характерно для малых и средних систем.

Преимущества:

• Простая конструкция: Требуется только два кабеля для входа и выхода
• Экономичность: Меньшие затраты на приобретение благодаря более простой технологии
• Совместимость: Многие бытовые приборы используют только одну фазу

Недостатки:

• Ограниченная мощность: Обычно подходит для систем до 3–6 кВт
• Несимметричная нагрузка: При высоких токах могут возникнуть проблемы
• Не подходит для крупных потребителей: Зарядные станции для электромобилей или тепловые насосы часто требуют трехфазного тока

Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор преобразует постоянный ток в три симметричные фазы переменного тока. Стандарт для больших систем.

Преимущества:

• Высокая мощность: Для систем от 6 кВт и выше
• Лучшая распределение нагрузки: Высокие токи распределяются на три фазы
• Симметричное подключение: Дружественный к сети, отсутствие перекоса фаз
• Совместимость с крупными потребителями: Тепловые насосы, зарядные станции, плиты

Недостатки:

• Высокие затраты: Более сложная конструкция, более дорогие компоненты
• Сложная установка: Дополнительные меры безопасности и проводка

Рекомендация

Размер системы	Рекомендация
До 3 кВт	Достаточно однофазного
3–6 кВт	В зависимости от потребителей
От 6 кВт	Рекомендуется трехфазный
С тепловым насосом/зарядной станцией	Трехфазный

Выпрямители и DC-пути

Если используются аккумуляторы или DC-соединение, выпрямители снова преобразуют переменный ток в постоянный. Это необходимо, если:

• Аккумулятор, подключенный к сети, заряжается от сети
• Избыточный сетевой ток должен быть сохранен

Здесь также достигаются высокие КПД около 96–98%. Потери возникают в основном из-за:

• Потерь на переключение в силовых полупроводниках
• Фильтрации гармоник

Современные топологии уменьшают эти потери благодаря высокой частоте переключения и оптимизированным фильтрам.

Программное обеспечение для солнечных систем

Помимо аппаратного обеспечения, программное обеспечение играет важную роль в управлении солнечной системой. Программное обеспечение действует как интерфейс между солнечными модулями, аккумулятором, счетчиками электроэнергии и пользователем.

Задачи программного обеспечения

• Регулирование и управление: Тесное взаимодействие с MPPT
• Сбор данных: Цифровой сбор и управление всеми измерениями
• Передача данных: Коммуникация между компонентами
• Мониторинг: Обнаружение ошибок и снижения производительности
• Расчет затрат: Прогнозы доходности и амортизация
• Интеграция с умным домом: Связь с домашней автоматизацией

Заключение

В продолжение: Аккумуляторные системы: Помощник в плохую погоду

Источники

• Innov Energy: Маленький гид по электричеству
• Elettronew: Фотовольтаические инверторы
• Elektronik-Kompendium: Почему 220 вольт?
• Optivolt: Одно- vs. трехфазные инверторы
• Петер Хофманн: Гибридные автомобили (Springer Vienna, 2010)
• Мартин Доппельбауэр: Основы электромобильности (Springer, 2020)