Regulátor FVE - zelený bonus

Tento článek je staršího data, cca 2011.

Majitelé malých FVE, které pracují v režimu "zelený bonus" i zájemci o fotovoltaiku budou jistě vědět, o co jde. Energie vyrobená FV elektrárnou se měří elektroměrem za měničem DC/AC FVE a jeho výstup je připojen do domovního rozvodu. To znamená, že se vyrobená energie může v RD spotřebovat, anebo v případě, když je momentální spotřeba RD nižší než je výkon FVE, odcházejí přebytky z FVE do sítě. Domovní elektroměr je takzvaný čtařkvadrantový a umí tyto přebytky měřit. Provozovatel FVE je může na základě smlouvy s odběratelem fakturovat. Částky jsou ale poměrně nízké a proto je výhodnější energii nějakým způsobem spotřebovat. Asi neexistuje univerzální řešení, proto si ve stručnosti dovoluji popsat vlastní, které je ve spojení s FVE s výkonem 5kWp úspěšně v provozu více než rok.

Jde o systém akumulace energie z přebytků výroby FVE do akumulátorových baterií (dále jen aku) a její zpětnou přeměnu na napětí 230V, doplněnou o plynulou regulaci výkonu topného tělesa elektrického bojleru pro ohřev TUV. Použitý měnič 12/230V má max. výkon 1600VA, dává stabilizované sinusové napětí s velmi malým zkreslením (na výstupu má toroidní transformátor) a snese krátkodobé  trojnásobné přetížení. Jde o typ C1600-12 švýcarské firmy STUDER. Koho zajímají bližší informace, najde je tady: COMPACT C1600-12. Obsahuje i vlastní inteligentní nabíječ Pb aku max. proudem 55A. Jsou k němu připojeny dva trakční Pb aku, každý s kapacitou 225Ah. Na přiloženém obrázku je znázorněn jejich nabíjecí cyklus. Špička označená jako Equalizing se používá jen u "mokrých" Pb aku, a to jen při každém 25 nabíjecím cyklu. Původní předpoklad bylo použití pouze olověných aku. Život je však změna a proto se k měniči připojuje také sada NiCd aku, složená ze článků s celkovou kapacitoru asi 1800 Ah. Ta používá pro nabíjení vlastní nabíjecí systém tvořený dvěma upravenými svařovacími invertory, z nichž každý dle výrobce snese trvalou zátěž 90A. Oba jsou upraveny pro externí plynulou regulaci proudu. Prakticky se využívá celkový rozsah nabíjecího proudu od 0 do 160A, a to tak, že u jednoho invertoru se proud mění v rozsahu (0-90)A plynule, u druhého pak skokově v rozsahu  (0-35-70)A. Jejich připojování k síti řídí dvě SSR 25A (Solid State Relay - polovodičový spínač), spínající v nule.

Systém je tedy vlastně výkonová UPS se záložní energií uloženou ve dvou Pb aku, které se prakticky jen málo vybíjejí, a je doplněn "provozními" NiCd aku s mnohem vyšší kapacitou a jejich nabíječkami s regulací. Jeho srdce tvoří regulátor, který je označen jako ETX-ESE. HW základ je shodný se všemi ostatními regulátory, které používáme například pro řízení TČ. Obsahuje 4 analogové vstupy, dva impulzní vstupy a 3 výstupní relé. Čtvrté relé je nahrazeno spínacím tranzistorem a místo pátého relé je použit proudový výstup. Je to z průmyslu známá proudová smyčka (4-20)mA. Napájecí napětí je místo obvyklých 12V vyšší, a to právě s ohledem na činnost proudové smyčky. K tomuto účelu je použit DC/DC galvanicky oddělený měnič 12V/19V napájený z NiCd aku, ale to není důležité. Komunikační linka RS485 je přes izolovaný převodník RS485/USB připojena k PC a všechna data se ukládají a graficky zobrazují.

Na impulzní vstup regulátoru PF (výkon FVE) je připojen signál z jednofázového elektroměru z rozvaděče FV elektrárny, na druhý impulzní vstup PS (spotřeba) signál z třífázového elektroměru spotřeby RD, umístěného v podružném domovním rozvaděči. Elektroměr z FVE má 2000 impulzů/kWh, třífázový má (bohužel) jen 800 imp/kW. Na tom závisí rychlost odezvy regulace, vyšší počet impulzů by byl lepší. Displej ESE může zobrazovat okamžitý výkon FVE v kW, okamžitou spotřebu RD v kW, jejich okamžitý rozdíl v kW, což je veličina důležitá pro další regulaci, a dále umí sčítat a zobrazovat vyrobené a spotřebované kWh a další údaje, jako napětí aku.

Dva analogové vstupy IN3 a IN4 lze konfigurovat jako napěťové s komparací podle dvou nastavených hodnot napětí. K nim přísluší výstupy OUT3 a OUT4. Na oba vstupy je připojeno napětí z NiCd aku. Výstup OUT4 je pak použit pro zapínání a vypínání nabíjení NiCd aku, výstup OUT3 v mém případě slouží jako signál pro přepojování aku k měniči 12V/230V. Vstupy IN1 a IN2 lze konfigurovat rovněž jako napěťové, nebo se se na ně dají připojit teplotní čidla PTC, anebo se nevyužijí. V mém případě jsou nevyužity a výstupy OUT1 a OUT2 jsou konfigurovány jako výstupní spínače pro další zátěže FVE, tedy pro připojování druhého invertoru nabíjení NiCd aku, kdy spolupracují s výstupem OUT4 a hlavně s analogovým výstupem - s proudovou smyčkou - OUT5.

Jak to celé pracuje? Podrobné obvodové schema asi nemá význam kreslit, funkce bude jasná i z blokového schematu. Předpokládejme, že aku NiCd nejsou příliš nabité, a Pb aku také. Povel pro start dobíjení Pb aku je odvozen od proudového spínače tak, že se nabíjení spustí, pokud výkon FVE překročí 0,5kW. Měnič/nabíječ/UPS začne Pb aku nabíjet (ve skutečnosti je stále připojen k síti, a stykač, zakreslený napravo od něj, je jeho součástí). I tento příkon nabíjení se měří elektroměrem spotřeby a má vliv na regulaci. Regulátor sleduje výkon PF a současně skutečnou spotřebu PS. Pokud je rozdíl kladný, a tedy výkon FVE převyšuje spotřebu, aktivuje se po nastaveném čase výstup OUT4 a na invertor 1 se připojí síť 230V. Podle rozdílu PF-PS (na displeji je jako EFE) se pomalu zvyšuje proud proudové smyčky výstupu OUT5. Nabíjecí proud z invertoru 1 se bude plynule zvyšovat, rozdíl EFE se bude naopak snižovat a pokud se přiblíží nule (mírně nad nulu, lze nastavit, mám 50W), proud nabíjení se ustálí. Pokud je ale výkon FVE přesto vyšší, než stačí spotřebovat NAB1, sepne po nastaveném čase výstup OUT1 a připojí 230V na NAB2. Výchozí hodnota nabíjecího proudu je 35A. Na to zareaguje i rozdíl EFE a proud smyčky OUT5. Ten dostaví proud z NAB1 tak, aby EFE bylo opět blízko nule. Je-li však EFE i v tomto stavu kladné, připojí se po čase další výstup OUT2 a přepne NAB2 na proud 70A. Proudová smyčka opět srovná proud NAB1 tak, aby se EFE blížilo nule. Dojde-li k poklesu výkonu FVE nebo k připojení nějaké jiné zátěže v RD, probíhá popsaný proces obráceně. Když spotřeba PS převýší výkon PF, dojde postupně k odpojení NAB2 a po poklesu proudu smyčky na 4mA (t.j. nabíjecí proud=0) i k odpojení výstupu OUT4, a tedy i k úplnému vypnutí NAB1. K odpojení nabíjení NiCd aku dojde také v případě dosažení konečného nabíjecího napětí, které hlídá vstup IN4, a odpojí se výstupy OUT1, OUT2 i OUT4. Kromě toho jsou zde 2 havarijní přepěťová relé pri případ neočekávané poruchy (například SSR), které odpojí řídící signály pro NAB1 a NAB2 a případně i stykačem jejich přívody sítě.

Spínací hodiny v nastaveném čase přepnou měnič do režimu přeměny 12VDC na 230V AC a současně se na něj připojí jeden vybraný elektrický okruh RD. Od měniče se se malým zpožděním odpojí Pb aku a připojí se sada NiCd aku, které mají v nabitém stavu vyšší napětí než aku Pb. Probíhá provoz na aku a pokud by napětí NiCd pokleslo pod 12V, výstup OUT3 by na měnič připojil i Pb aku jako zálohu.

Provoz na aku ukončí spínací hodiny (nebo vybité aku) a UPS na vybraný okruh opět připojí síť. NiCd aku se také odpojí a na UPS se připojí "jeho" Pb aku. Vypínací napětí měniče je nastaveno tak, že se ani NiCd aku nikdy nevybijí úplně. To prospívá jejich životnosti. Po východu Slunce se při kladném EFE opět začnou všechny aku nabíjet.

Systém je doplněn bočníky 600A/60mV pro měření nabíjecích/vybíjecích proudů všech bateriií aku samostatně, panelovými digitálními ampérmetry a voltmetry a dále multimetry, které mají funkce galvanicky oddělených převodníků proudu a napětí na digitální signály pro linku USB PC. Tady se dají sledovat jednotlivé proudy, napětí a ampérhodiny u každého aku samostatně nebo celé soustavy.

V žádném případě tento systém nestačí na to, aby byl dům energeticky soběstačný a mohl fungovat nezávisle na síti. Na to je výkon FVE i kapacita aku nedostatečná. Nemyslím tím nějaký experimentální pasívní dům s osvětlením z LED a se 2 spotřebiči A+++++++++ s příkonem 50W. Jsou dny, zejména v zimě, kdy je výkon FVE velice malý, a to i několik dnů po sobě, a spotřeba prakticky trvale převyšuje výrobu a aku není čím dobíjet. Jedině snad na panely svítit, jako to umí novinářské kachny ve Španělsku.

Pro ty, kteří se budou zajímat o "návratnost", mám bohužel nepříznivou informaci. Vzhledem k cenám baterií a dalších věcí nemá vůbec význam tuto otázku pokládat. Je to pěkná technická lahůdka, hračka pro dospělé, a u hraček se na návratnost nehledí, stejně jako u celé řady dalších věcí, které si pořizujeme. Nicméně, každý majitel malé FVE o tom ví svoje.

K použitému měniči. Zkoušel jsem i jiná řešení, i levnější typy měničů s hranatým až pseudosinusovým výstupem. To je pro daný účel nepoužitelné. Například malý transformátorek v síťovém adaptéru se vinou vyšších harmonických silně přehříval. Zkoušel jsem i měniče (známé v podobě cihly) deklarované jako sinusové, s výkonem 600W a 1kW, ale opět s katastrofálním výsledkem. Neskutečná úroveň rušení, měniče jsem vrátil. Tohle si připojit do rozvodu RD, tak se nedá zapnout ani rádio. Navíc nesnášely ani krátkodobé přetížení, při sepnutí termostatu ledničky vypínaly. Po delším pátrání a výběru jsem nakonec skončil u zmíněné firmy Studer, která sice s audiotechnikou Studer nemá nic společného, ale zato její měnič generuje čisté napětí a neruší ani docela citlivý KV přijímač IC7400. V podstatě je to kompletní UPS s externími akumulátory. Ani při neúmyslném připojení malé klimatizační jednotky s příkonem asi 1kW neprotestoval (bylo to v létě v době úprav rozvodu), běžel déle než půl hodiny, jen si řekl o proud z baterií asi 145A.

Podobná situace byla u nabíječek. Opět se neosvědčily levné nabíječky, například spínané zdroje až 40A. Deklarovaných parametrů nedosahují a docela se přehřívají. Výsledkem bylo pořízení svařovacích invertorů, které jsou pro daný účel mírně předimenzované, zato snesou i hrubší zacházení. Nejprve jsem pořídil jeden, později jsem přidal druhý. Původně jsem předpokládal, že do nich vestavím i napěťové omezení, ale zůstalo jen u úpravy pro externí regulaci proudu a vypnutí a ochrana proti přebíjení je vyřešena jinak a bez zásahu do řídící části invertorů. Úpravy jsou na obou stejné, jsou tedy záměnné a kromě toho, každý z nich se dá kdykoli lehce odpojit a používat k původnímu účelu.

Tento článek ukazuje, že akumulace elektrické energie do akumulátorových baterií, a zdůrazňuji akumulace energie v řádech jednotek či desítek kWh pro pozdější využití (záloha pro případ výpadku sítě je vedlejší věc) není levnou záležitostí. Často se objevují rádoby odborné články, v nichž zelení autoři a poté i řada diskutujících vidí tento problém velice zjednodušeně, prostě přes jejich zelenorudé brýle. Mnozí z nich bohužel postrádají základní fyzikální znalosti, a co je horší, mají moc o věcech, kterým nerozumí, rozhodovat...Článek také není návodem, je jen ukázkou možnosti využití energie z přebytků výroby z FVE.

Asi před 14 dny (začátek března 2012) byl upraven obvod proudového relé a byl snížen proud pro jeho sepnutí. Byl upraven i obvod startu nabíjení Pb aku. Zařízení dnes funguje jako větší UPS, která si Pb akumulátory udržuje prakticky stále nabité a NiCd aku se využívají pro přebytky energie z FVE.

K dotazu pana T. Vocílky: Invertory jsou typu Gama 165, jejich trvalý proud je 90A (nebo 95?). Na horních koncích potenciometrů regulace proudu je ref. napětí 5V. Svařovací proud se reguluje velikostí napětí odebíraného z běžců těchto potenciometrů. Referenční napětí se odpojí a místo něj se připojí výstupy převodníků. To znamená, že potenciometry lze proud snížit až na nulu. Na jeden invertor je připojen převodník z výstupu regulátoru ETX-ESE (4-20)mA na (0-5)V. V něm je použit izolační zesilovač ISO122 (Burr Brown). Na druhý je připojen jen jednoduchý zdroj dvou napětí, asi 2,5 nebo 5V (je osazen 78L05). Napájení převodníků je důsledně odděleno malými DC/DC konvertory (12V/12V 1W), aby nikde nemohlo dojít k nežádoucímu propojení a poškození elektroniky. Napětí NiCd aku hlídá regulátor ETX-ESE. Jsou doplněny dalšími dvě na sobě nezávislé ochrany proti případnému přebíjení (na blokovém schematu nejsou), kdyby z nějakého důvodu nefungovala regulace a došlo k poruše (proražení) SSR. Jedna ochrana odpojuje řídící napětí pro oba invertory, druhá zapíná cívku stykače, který odpojí proud pro zásuvky 230V invertorů. Obě ochrany zůstávají v činnosti i po poklesu napětí aku, musejí se ručně resetovat.

Poznámka ze dne 28.4.2020: toto zapojení je už delší dobu historií, je přebudováno na o něco lepší systém, pracující s bateriemi s vyšší kapacitou, s přidanými FV panely a jiným střídačem, a běží v poloostrovním režimu na jedné fázi, kdy trvale napájí vybrané spotřebiče. Bude o tom další článek.

A. Žeravík