Fotovillamos (PV) inverterek
2011/10. lapszám | Szentpály W. Miklós | 8980 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az elmúlt lapszámokban cikksorozat indult a fotovillamos rendszerek egyes elemeinek bemutatására. Ez alkalommal a napenergia- felhasználás technológiai vetületének egyik kitüntetett fontosságú berendezésére, az inverterekre fókuszálunk, méghozzá a há...
Az elmúlt lapszámokban cikksorozat indult a fotovillamos rendszerek egyes elemeinek bemutatására. Ez alkalommal a napenergia- felhasználás technológiai vetületének egyik kitüntetett fontosságú berendezésére, az inverterekre fókuszálunk, méghozzá a hálózatba integrálhatóság műszaki paramétereire vonatkozó vizsgálatok tükrében. A legfontosabb információkat Szentpály W. Miklós úrral, a TÜV Rheinland InterCert Kft. (MEEI divízió) szakértőjével készült interjú alapján osztjuk meg az olvasókkal.
■ Fejlődés és technika
Az inverterek előtérbe kerülésére a megújuló energiákra fókuszáló technológiák megjelenésével és rohamos elterjedésével párhuzamosan került sor. Az inverter a megújuló energiaforrást kiaknázó eszköz – amely például lehet napelem, szélgenerátor, illetve valamilyen más megújuló energiaforrás által hajtott generátor – által termelt villamos energiát konvertálja át a közüzemi hálózatra.
Az inverter feladata, hogy a forrás által megtermelt változó nagyságú, teljesítményű egyenfeszültségből váltakozó áramot állítson elő, amelynek olyannak kell lennie, hogy ne veszélyeztesse se a hálózat, se a rajta lévő különböző berendezések, fogyasztók biztonságát, valamint a lehető legkisebb mértékben zavarja a környezetet.
Természetesen ez csak meglehetősen vázlatos megközelítés: az inverternek emellett és ezen belül nagyon sok kulcsfontosságú mozzanat, követelmény megvalósításában, illetve ellenőrzésében van kulcsszerepe. Ilyen például a fotovillamos panelek feszültségének, áramerősségének mérése; a hálózati feszültség, áramerősség és frekvencia mérése; a kimeneti áram teljesítményfaktorának (cos ) és harmonikus- tartalmának kontrollja; a lágyindítás és a hálózatra kapcsolódás vezérlése; az ún. szigetüzem érzékelése; a szigetüzem miatti leállás utáni újraindítás; éjszakai takaréküzem stb. Az inverterek kialakítása és teljesítménye jól tükrözi azt a célt, amelyet követve létrehozták ezeket az eszközöket: a háztartási, kiegészítő energiatermelési célú berendezések (pár száz wattól a néhány kilowattosokig) mellett ma már igen elterjedtek az ipari méretű energiatermelésre szánt fotovillamos rendszerek (akár több ezer kilowattig).
Hozzáférhetők kezelőszervekkel rendelkező, külön helyiségben elhelyezendő berendezések éppúgy, mint a teljesen zárt, automatizált, esetleg kültérre is telepíthető eszközök, illetve a kor kihívásainak megfelelően a távvezérelhető változatok is.
A technikai fejlődés üteme azonban mindig gyorsabb, mint ahogyan az új megoldásokat feldolgozó szabványosítás folyamata halad: a műszaki társadalom szabványokkal próbálja érvényesíteni az alkalmazott berendezésekkel szemben a biztonságos előállítás és üzemeltetés feltételeit, de ez értelemszerűen mindig reaktív, válaszjellegű tükröződése az innovációnak. Amikor valamely berendezés „berobban” a gazdasági várakozásoknak megfelelően a kereskedelmi piacra, akkor nem feltétlenül állnak rendelkezésre még a működést szabályozó szabványok.
Ennek megfelelően, amikor megjelentek a piacon a fotovillamos rendszerek, illetve maguk az inverterek, akkor még nem voltak az inverterekre specifikusan vonatkozó teljes körű szabványok: a tekintélyes, komoly mérnöki apparátust alkalmazó gyártók ezért a hasonló eszközöknél korábban alkalmazott tapasztalatokra támaszkodtak, így például ügyeltek az érintésvédelemi és más biztonsági (tűz- és mechanikai védelmi) kérdésekre a tervezésnél és az előállításnál.
Úgy jártak el, hogy az inverterekre más, részben vonatkoztatható szabványokat alkalmaztak. A nemzetközi szabványügyi szervezeteknek lépniük kellett: ennek eredményeképpen ma már rendelkezésre állnak az inverterekre vonatkozó, specifikus szabványok: mivel – amúgy sajnálatos módon – Magyarország meglehetősen későn lépett be a megújuló energiaforrások kiaknázására szakosodott technológiák felhasználási piacára, hazánkban már a legújabb szabványok kerültek alkalmazásra. Három nézőpont Háromféle alapvető szempont szerint lehet megítélni egy inverter szabványossági megfelelőségét, a hálózati rendszerhez való kapcsolhatóság vonatkozásában.
Az első és legfontosabb természetesen az inverter biztonságossága, ami alatt most azt kell érteni, hogy itt lényegében több száz volt feszültségen üzemelő, több kilowatt teljesítményű berendezésekről beszélünk, amelyek laikus felhasználók otthoni környezetében is „dolgoznak”, így értelemszerűen potenciális veszélyforrásként kezelendők, figyelembe véve azt is, hogy esetleg olyan villanyszerelők szerelik és üzemelik be e készülékeket, akik nem rendelkeznek sajátos szakismeretekkel magukkal az inverterekkel kapcsolatban.
Mindezek miatt nagyon fontosak a biztonsági kérdések! Másrészt nagyon fontos a következő szempont is: az inverter által szállított áramnak számos minőségi követelménynek meg kell felelnie: kis harmonikus-torzítás, túl- és alacsony feszültségek, frekvenciák elleni védelem stb., hiszen az inverter egy nagy áramelosztó rendszer része, lokális, országos (nemzetközi) hálózatra dolgozik, nem ronthatja annak minőségi jellemzőit. Azt a helyzetet is, mikor az áramszolgáltató valamilyen oknál fogva esetlegesen megszakítja a szolgáltatást, az inverternek megfelelően kell tudnia kezelnie.
A kiérkező villanyszerelő a jelekből könnyen azt a téves következtetést vonhatja le, hogy feszültségmentes hálózaton kezdheti meg a hiba felderítését, noha az inverter dolgozik tovább, nagy teljesítményű áramot juttatva így a helyi hálózatra. Könnyen elképzelhető, hogy milyen balesetveszélyes szituációt hordoz magában ez a vázlatosan körvonalazott, ám nagyon is hétköznapi eseménysorozat. Szaknyelven ezt úgy fogalmazhatjuk meg, hogy az inverternek rendelkeznie kell a „nem kívánt sziget- üzem”-elkerülési képességgel.
Végül ki kell emelni, hogy az inverterekben sok kiloherz-es frekvencián nagy teljesítményű kapcsolóeszközök működnek, így könnyen alakulhatnak ki. Senki se szeretné például azt, hogy a fotovillamos rendszere miatt se ő, se a szomszédok ne tudjanak tévézni, rádiót hallgatni: ez tehát azt jelenti, hogy a zavarsugárzás mérését is el kell végezni. De az is előfordulhat, hogy a mobiltelefonálás következtében magában az inverterek működésében lép fel zavar: más szóval, az EMC- (Electro Magnetic Compatibility) zavarkibocsátást és -immunitást egyaránt megfelelően ellenőrizni kell.
■ Az öt alapszabvány
Melyek is ezek a fent hivatkozott, új szabványok? Az inverterek ún. általános biztonsági szabványa az IEC 62109-1; ez később kiegészítésre került az IEC 62109-2 szabvánnyal, amely még általánosabb és még szigorúbb követelményeket fogalmaz meg a berendezésekkel szemben: ez azonban már nem csak a hálózati kapcsolódású inverterekkel, hanem a szigetüzemben működő egységekkel szemben támasztott biztonsági és műszaki elvárásokat is rögzíti.
E szabványban kerül sor olyan fejezetek tárgyalására, mint például az élet- és vagyonbiztonság, a szigetelések, a légközök, az érintésvédelem, a földelési ellenállás, valamint a hő-, mechanikai és folyadékbehatolás-tűrés. Hozzá kell tenni, hogy ez az inverterspecifikus szabvány olyan fontos részleteket is figyelembe vesz már, mint például, hogy az inverterek működését processzorok irányítják, amihez megfelelő minőségű, biztonságú szoftverek elkészítése is szükséges: ezekkel szemben hasonlóképpen elkerülhetetlen bizonyos normák megfogalmazása és betartása (ehhez az IEC 62109-1-es szabvány hivatkozik egy programvezérelt eszközökre vonatkozó szabványra).
A következő fontos szabvány az IEC 61727: ez lényegében az áramminőségi paraméterek vonatkozásában meghatározó. A szabvány címe: „Közüzemi hálózati interfész jellemzők”; azaz ez a szabvány határozza meg, hogy az inverternek milyen paraméterekkel rendelkező áramot kell produkálnia a hálózat irányában. Ennek keretében kerül definiálásra többi között azon működési tulajdonságok köre is, amelyeket hálózat-kimaradás, hálózati áram-paraméter-változások esetén a berendezéseknek tudniuk kell teljesíteni. A fentiek mellett még három szabvány említése elengedhetetlen.
Egyikük az IEC 62116: ennek rendeltetése az, hogy a vizsgáló intézetek számára biztosítson protokollt: milyen egyértelmű körülmények között kell ellenőrizni az inverter nem kívánt szigetüzem- elkerülési képességét. Az inverter „szakadásérzékelő képességének” vizsgálata meglehetősen összetett eljárást feltételez: különböző meddő és valós teljesítményarányoknál és különböző teljesítményeknél szükséges az ellenőrzéseket végrehajtani (sok munkapontban végzett, összetett mérés, igy célszerű a mérés automatizálása számítógépes adatgyűjtő rendszer telepítésével). Végül fontos kiemelni az EN 61000-6-1(3), EN 61000-6-2(4) szabványokat.
Ez a két szabvány a már említett EMC-problémákra reflektál, teljesítménykategóriának – másképpen közelítve működtetési környezetnek (háztartási vagy ipari) – megfelelően mind az immunitást, mind a zavarkibocsátást tárgyalják.
Ennek az öt szabványnak a kritériumai alapján dől el tehát az, hogy az adott típusú inverter biztonságosan üzembe helyezhető-e vagy sem. A fentiekből világosan kitűnik, hogy ma már a magyarországi piacra belépő termékek egy egységes, kifejezetten az inverterekre vonatkozó szabványrendszer szerint kell kerülnek bevizsgálásra és kereskedelmi forgalmazásra.
Azt azonban tudni kell, hogy valóban csak néhány évre tekint vissza ez a most már viszonylag rendezett állapot: három évvel ezelőtt az IEC 62109-1 még csak „preliminary”, azaz előzetes státuszban volt, bár a szakemberek már ismerték a munkaanyagokból a szabályozás sarokpontjait, és ezek szerint végezték a vizsgálatokat. Mára a nemzetközi szabványok európai honosítása is megtörtént (EN), s az alapszabvány a low voltage, alacsony feszültségű direktívában (LVD) kapott helyet – tehát harmonizálva lett. Azáltal, hogy ilyen teljessé vált a tárgyi szabványkör, az elektromos szolgáltatók helyzete meglehetősen egyszerűvé vált. Anélkül, hogy konkrét gyártókat neveznénk meg, láttunk a piacon olyan invertereket, amelyeknek voltak ugyan tanúsítványai, de ezek hamisnak bizonyultak. Ezért minden esetben ellenőrizni szükséges azt, hogy egy akkreditált tanúsító intézet által kibocsátott dokumentumról van-e szó!
Erre a szolgáltatóknak nincs megfelelő potenciálja, a hazai tanúsító intézetnek kell elvégeznie ezt a tevékenységet. Meg kell jegyezni, hogy korábban ez a kérdéskör nem volt megfelelően rendezve: volt arra eset, hogy megkeresték az intézetet egy termék tanúsításának hitelesítésével kapcsolatban, ám erről hamar kiderült, hogy ugyan hiteles a tanúsítás, ám nem inverter-specifikus szabvány alapján állították ki a dokumentumot.
A forgalmazó azonban ezt követően már úgy kereste fel a szolgáltatót, hogy az inverter rendelkezik a szükséges tanúsítvánnyal, s zöld utat kaphatott a termék rendszerbe állítására. Ma már minden szolgáltatónál a hálózatra való csatlakoztatás feltételrendszerében definiálásra kerültek a fenti szabványok, tehát ha valaki ilyen berendezést akar beépíteni, akkor, a szabványoknak való megfelelést igazoló dokumentációt be kell mutatni. Mennyiben egységesek az elvárások? Kijelenthető, hogy ma már meglehetősen egyneműek a megfogalmazott elvárások, de ismételten nem szabad megfeledkezni arról, hogy ez csak az utóbbi években alakult ki, és a régebben telepített rendszereknél még üzemben lehetnek olyan inverterek, amelyek nem rendelkeznek megfelelő tanúsítványokkal. A minősített termékekkel kapcsolatos vizsgálati eredményeket (tanúsítványok) a szolgáltatók számára megküldjük, ezek publikálásával jelentősen megkönnyíthetők a beruházók és a tervezők döntései.
eddig az invertereket egy kísérleti mérési elrendezésben vizsgáltuk, amely ugyan alkalmasnak bizonyult a paraméterek hiteles ellenőrzésére, ám ipari volumenben csak lassan lehetett tesztelni az eszközöket. Jelenleg fejezzük be egy olyan rendszer kialakítását, amely lényegesen rövidebb idő alatt teszi lehetővé az inverterek szabványossági megfelelőségének ellenőrzését: a korábbi több hetes mérési idő helyett a közeljövőben már néhány nap alatt átfuttatható a vizsgálatok jelentős része. A következő rendszerelemek kerülnek beépítésre a feladatok elvégzéséhez. Egy 32 kVA-es, váltakozó áramú generátor, amivel a hálózatot lehet szimulálni: az eszköz különlegessége abban áll, hogy változtatható a frekvencia, de egyúttal „nyelésre” is alkalmas, tehát az inverter ugyanúgy rádolgozhat, mint egy közüzemi hálózatra. A rendszert számítógéppel vezéreljük, amely a szimulációk, mérések vezérlésére, illetve a nyert adatok mentésére szolgál. A konfigurációban található még egy 32 kW-os, egyenfeszültségű tápegység, amely napelem-modulok szimulálására szolgál. Ez akár 1000 V feszültség kiadására is alkalmas. Ki kell még emelni a rendszerbe integrált terheléseket: egy-egy egység 12 kVA-ot képvisel, a szimulációknál három egységet használunk fel, mivel értelemszerűen háromfázisú kialakítást modellezünk. Fontos kiemelni, hogy változtatható teljesítményű (ohmos és reaktív) terhelésekről van szó, hangolható induktivitások és kapacitások találhatók itt, amelyek mágneskapcsolókkal vezérelhetők. |
■ A gyakorlati tapasztalatok
A vizsgáló intézet az elmúlt időszakban nagyobb volumenben vizsgált invertereket: ezek a berendezések túlnyomórészt „high tech” színvonalat testesítenek meg, ugyanakkor ez nem jelenti azt, hogy nem merültek fel jellegzetes problémák. Ezek részben onnan erednek, hogy a más és más technikatörténeti múlttal rendelkező országokban más és más beállításokra tervezték, és más és más gyártási fegyelemmel gyártják a készülékeket. Ennek megfelelően a vizsgálatok során nem megfelelő beállítási értékekkel, dokumentációval egyaránt lehetett találkozni. Voltak olyan eszközök is, amelyekhez drasztikus módon hozzá kellett nyúlnia a gyártónak annak érdekében, hogy a szabványossági kritériumoknak megfeleljen.
Fontos kiemelni, hogy a vizsgáló intézet típusengedélyeket állít ki, azaz ettől kezdve a gyártó felelőssége, hogy a gyártás során előállított inverterek mindegyike teljesítse ezeket az elvárásokat. Említettük azt is, hogy gyakori jelenség az, hogy a vizsgáló intézet csak a korábban már elvégzett tanúsítás honosítását kapja feladatul: a konkrét méréseket máshol végeztetik el. Ennek az oka, hogy egy teljes tanúsítási eljárás tekintélyes költségvonzattal jár: a műszaki paraméterek szabványossági vizsgálatától egészen a terméket kísérő adatlapok, működési és üzembe helyezési leírás ellenőrzéséig számtalan ponton kell ellenőrizni az invertereket, ennek megfelelően ez meglehetősen idő- és költségigényes folyamat. Ellenben a már meglévő tanúsítás hitelesítése lényegében adminisztratív feladat: nyilvánvaló, hogy a két eljárás más-más költséget implikál.
■ Néhány szó a jövőről
Az invertergyártók a marketingtevékenységük során különböző hatásfokokat kommunikálnak, nagyon hasznos lenne, ha ez a paraméter is bevonásra kerülne az ellenőrzendő tulajdonságok körébe. Ez a hitelesítés értékes lehet a gyártók számára is, hiszen jelentősen fokozhatja a termék piacképességét, és értelemszerűen a vásárlónak is előnyös lenne, hiszen így biztosítva láthatja azt, hogy a termék valóban teljesíti azokat az értékeket, amiket a gyártó állít. Másfelől, azzal is számolni kell, hogy az elkövetkező évtizedekben várhatóan ugrásszerűen emelkedni fog a telepített napelemes rendszerek száma: míg egy-egy rendszer csak korlátozott hatást fejthet ki a szolgáltató által felügyelt közületi hálózatra, addig a rendszerek számának drasztikus emelkedése már a hálózatra gyakorolt hatás és a potenciális veszélyek jelentős emelkedésével jár.
Ez egy új kérdéskört vet fel: az új invertereknek már felkészültnek kell lenniük arra, hogy kritikus hálózati szituációkban ne jelentsenek veszélyt, inkább segítsék a hálózat munkáját. Ezeket a feladatokat már további szabványok írják majd elő, s az ezeknek való megfelelés természetesen szintén tanúsítást igényel majd. Tekintettel arra, hogy a megújuló energiaforrásokat kiaknázó technológiák ma meglehetősen nagy beruházást igényelnek, a megbízhatóság kérdése döntő kritérium lehet egy-egy projekt elindításával kapcsolatban. Ez is egy olyan tényező, amelynek számszerű mérésére gondolni kell, hiszen ez kulcsfontosságú mind a beruházó, mind a finanszírozó bank részére. Nem szabad elfelejteni azt, hogy a napelem-mezők erősen kitettek a környezeti hatásoknak, és ezeket nem néhány hónapig, hanem akár több évtizeden keresztül kell elviselniük – üzemszerűen.
Jelenleg támogatás nélkül a szélerőmű-rendszerek 6-7 éves, a napelemes rendszerek 10-15 éves megtérüléssel kalkulálhatók, az elvárható/ígért élettartam több tíz év. Ezért egyáltalán nem mindegy, hogy a telepített rendszer „lelkét” biztosító inverter cseréjére, javítására sort kell-e keríteni vagy sem. Összegzésül tehát megállapítható, hogy az inverterekkel kapcsolatos tanúsítási eljárások az elkövetkező időszakban újabb és újabb fejezetekkel bővülnek majd, amelyek hozzájárulhatnak mind a berendezések biztonságos működéséhez, mind pedig a megtérülés megalapozottabb kalkulációjához.