Regulátor GreenBonO. přístroj pro optimalizaci využívání vlastní elektřiny ze střešních fotovoltaických elektráren

Transkript

1 Regulátor GreenBonO přístroj pro optimalizaci využívání vlastní elektřiny ze střešních fotovoltaických elektráren 1. Obecné informace 1.1. Cílová skupina Přístroj je určen majitelům fotovoltaických elektráren, účtujícím v režimu zeleného bonusu a zároveň nakupujícím elektřinu pro vytápění a ohřev TUV s osmihodinovým nízkým tarifem (nočním proudem) Účel použití Úkolem přístroje je zajistit přednostní využívání vlastní elektřiny před jejím nákupem z distribuční sítě. Téměř veškeré přebytky vlastní elektřiny nasměruje do spotřebičů nočního proudu, které by jinak v době největší aktivity FVE zůstaly odpojeny a veškerou energii by později musely čerpat ze sítě. GreenBonO tak zajistí přinejmenším částečné nabití těchto spotřebičů vlastní elektřinou a úměrně tomu snížení nákupu nočního proudu Přínos Při nezměněné spotřebě elektřiny dochází ke shodnému snížení jak dodávky, tak odběru, což vede k úspoře nákladů odpovídající rozdílu mezi cenou nočního proudu a výkupní cenou elektřiny dodávané do sítě. Tento finanční efekt rok od roku roste a potrvá i po uplynutí 20 let, až skončí příjmy ze zeleného bonusu. Navíc snížení odběru elektřiny ze sítě se ve výkazech projeví jako úspora, která na rozdíl od výnosů z prodeje elektřiny není zatížena ani daněmi, ani odvody na sociální a zdravotní pojištění Princip funkce Regulátor GreenBonO trvale měří velikost a směr proudu tekoucího mezi veřejnou distribuční sítí a přípojným místem (tedy totéž, co elektroměr provozovatele veřejné sítě). V době přebytkové výroby elektřiny fotovoltaickou elektrárnou (FVE) pak postupně připojuje spotřebiče nočního proudu a současně řídí jejich odběr tak, že udržuje velikost monitorovaného proudu na nule (přesněji na nepatrné přebytkové hodnotě, aby elektroměr vykazoval směr proudu do sítě) a zajišťuje tak téměř stoprocentní využití vlastní elektřiny. Díky umístění proudového snímače mezi odběrné místo a distribuční síť přitom zohledňuje odběr dalších náhodně připojovaných spotřebičů. Regulátor zároveň umožňuje vhodně omezit dobu sepnutí nočního proudu, aby se nestalo, že vymezené úložné prostory obsadí nakupovaná elektřina a přebytky elektřiny z FVE pak nebude kam ukládat. 1

2 2. Popis funkce Aby přístroj mohl účinně ovlivňovat hospodárné využití vyrobené vlastní elektřiny, musí umět nejen řídit spotřebu v době výroby elektřiny, ale i zajistit, aby bylo kam ji ukládat. Přístroj proto provádí řadu dílčích funkcí: měří velikost napětí a proudu, dále orientaci proudu vůči napětí (tedy zda proud teče ven či dovnitř objektu). Proudové i napěťové hodnoty jsou získávány A/D převodem. V každé půlperiodě síťové sinusovky má GreenBonO k dispozici 24 vzorků každé měřené hodnoty, z nich pak diskrétní integrací určí hodnoty pro celé periody. Přesné informace v každém okamžiku umožňují regulátoru reagovat velmi rychle až na úrovni jednotlivých period síťové sinusovky. Podle počtu měřených fází podporuje přístroj dvě verze použití: Jednofázová verze: Uvnitř přístroje je vestavěn měřící proudový transformátor s lineárním rozsahem 0-12A. Rozhodne-li se uživatel pro jednofázovou regulaci, je tento rozsah dostačující pro FVE do výkonu okolo 5 kwi. Podmínkou je, aby byl k dispozici dostatek jednofázových spotřebičů. Měří a řídí se ta fáze, na níž je FVE. Třífázová verze: Přístroj také může měřit všechny 3 fáze pomocí tří externích měřících transformátorů připojených k jeho analogovým vstupům. V takovém případě může GreenBonO ovládat i třífázové spotřebiče. Výkon FVE v této verzi může být podstatně vyšší, podmínkou je pouze přiměřené dimenzování periférií regulátoru GreenBonO: proudových měřících transformátorů a spínacích přístrojů. spíná vybrané spotřebiče a plynule řídí jejich odběr ovládáním vestavěné čtyřstupňové reléové kaskády a řízením externího polovodičového spínače udržuje GreenBonO proud v přípojném místě na co nejmenší, ale vždy přebytkové hodnotě. Polovodičový spínač umožňuje řídit spotřebu připojené zátěže spojitě v celém rozsahu 0 100% jmenovitého výkonu zátěže, a to řízeným spínáním jednotlivých celých sinusových period síťového napětí. První spotřebič může být připojen již při nepatrném přebytku elektřiny z FVE. Tak lze zajisti spotřebu veškeré přebytkové energie FVE (až na nepatrnou úlitbu řádu jednotek %, sloužící k udržení elektroměru v přebytkovém kvadrantu). Aby bylo možné spojité řízení odběru v celém rozsahu výkonu FVE, musí být polovodičový spínač předřazen minimálně spotřebiči spínanému prvním relé () a zároveň musí být rozsah spojitého řízení větší, než největší možný skok v zátěži, čili součet jmenovitých výkonů spotřebičů řízených polovodičovým spínačem musí být větší, než jmenovitý výkon největší zátěže neřízené - pouze připojované přes relé. Vestavěná relé mohou přímo spínat zátěž do 230V, 5A, při vyšší zátěži je nutno doplnit stykače. Charakter řídícího signálu z regulátoru GreenBonO vyžaduje, aby polovodičový spínač byl typu SSR-ZS (solid state relay zero switch) triak s funkcí spínání v nule. Tento způsob řízení byl zvolen proto, že je nejlepší z hlediska elektromagnetické kompatibility. omezuje spínání nízkého tarifu na časové intervaly specifikované uživatelem a zajišťuje tak "úložný prostor" pro vlastní elektřinu (pomocí vestavěného relé K5) 2

3 umožňuje uživateli propojení přístroje s PC a následnou konfiguraci přístroje či sledování dostupných parametrů přes datové rozhraní RS485 (protokol MODBUS).PC program pro komunikaci s přístrojem je zdarma poskytován výrobcem přístroje. 3. Popis přístroje Veškeré funkce přístroje zajišťuje software použitého mikrokontroléru Atmel ATMega16L. Hardware je proto relativně jednoduchý a omezuje se na zajištění nutného fyzického rozhraní s okolím přístroje Vstupně/výstupní rozhraní přístroje Rozmístění V/V svorek a jejich význam je patrný ze štítku přístroje: NT Vcc B(-) A(+) AI4 AI3 AI2 AI1 AI0 DO6 DO 0 2 RS 48 5 K5 K5 GreenBonO K4 K3 K2 K4 K3 K2 YO RI X s.r.o. fax: ww w.yorix.cz Pwr K5 K5 K4 K4 K3 K3 K2 K2 N L Dolní strana plošného spoje je vyhrazena pro silové svorky (galvanicky spojené s napětím rozvodné sítě 230V AC). Svorka L1 slouží k připojení fázového napětí k napájecímu transformátoru přístroje. K zajištění správné funkce přístroje je nutné, aby se jednalo o stejnou fázi, na níž je připojen výstup z měniče fotovoltaické elektrárny. Svorka N slouží k připojení středního vodiče k napájecímu transformátoru přístroje Na svorkové páry označené..k5 jsou vyvedeny spínací kontakty stejnojmenných relé. Zatížitelnost kontaktů je 5A~. Pokud je těmto kontaktům předřazen polovodičový spínač SSR, probíhá spínání kontaktů bez zatížení a nedochází k jejich opotřebení (při změně stavu relé zablokuje GreenBonO řídící signál do SSR). Relátka bez předřazeného SSR tuto ochranu nemají a pro zajištění jejich výrazně delší životnosti je proto vhodné spínat jimi zátěž nepřímo-přes přídavný stykač Na horní straně plošného spoje je pouze bezpečné malé napětí, galvanicky oddělené od dolní strany (a tedy i od sítě) s elektrickou pevností 4kV AC. (řídící svorky mezi sebou navzájem již galvanicky oddělené nejsou) Na první dvě svorky zleva je vyvedeno rozhraní RS485 sériové komunikace. Dalších šest svorek slouží jako analogové vstupy 0 5V. Aby bylo možno měřit analogové hodnoty obou polarit, je druhý analogový vstup připojen na referenční napětí 2,5V (svorka Vcc/2). Tento potenciál je určen jako společný (common) pro všechny vstupní analogové hodnoty. Bipolární analogová hodnota se pak stanoví jako rozdíl mezi hodnotou daného vstupu a referenční hodnotou. Z toho vyplývá měřitelný rozsah bipolárních analogových hodnot -2,5V +2,5V. Vstupy AI4,AI3,AI2 jsou určeny pro měření proudu třemi externími proudovými transformátory, AI1 a AI0 jsou nevyužity Poslední tři svorky obsahující dva digitální výstupy 0/5V a GND. Jsou zdrojem řídícího signálu 5V,10mA pro řízení polovodičových spínačů SSR (Solid State Relay). 3

4 Uvnitř přístroje je umístěn ještě jeden analogový vstup měřící transformátor TM1 s lineárním rozsahem 0 10A, který je určen pro jednofázovou verzi regulace a zajišťuje v této verzi, že jediným nutným periferním obvodem regulátoru GreenBonO je spínač SSR, (samozřejmě kromě připojovaných spotřebičů) viz kap Elektrická pevnost 4KV AC mezi silovou a řídící částí přístroje je zajištěna následovně: Na plošném spoji je mezi oběma potenciály více než 15mm široký pruh bez mědi Součástky uvnitř přístroje, které jsou připojeny k oběma stranám (použitá relé a napájecí transformátor) mají oba potenciály vzájemně galvanicky oddělené s garantovanou elektrickou pevností 4kV AC. Totéž se vyžaduje i od periférií připojených k řídícím svorkám (měřících transformátorů a spínačů SSR); přístroje doporučené v tomto dokumentu tuto podmínku splňují 3.2. Mechanické provedení Regulátor GreenBonO je vestavěn do plastové skříňky Modulbox 6M, rozměrů 105 x 95 x 65 mm.. Tato skříňka je standardně uzpůsobena přichycení na DIN lištu. K přichycení na DIN lištu je uzpůsoben i doporučený SSR spínač (RM1A40D50 Carlo Gavazzi) s vhodně dimenzovaným chladičem. 4

5 4. Konfigurace přístroje a varianty použití Regulátor GreenBonO obsahuje řadu parametrů nastavitelných pomocí PC připojeného přes rozhraní RS485. Lze tak regulátor přizpůsobit různým požadavkům konkrétního odběrného místa s ohledem na počet měřených fází, výkon, topologii a způsob řízení použitelných spotřebičů apod. Konfigurační program pro PC (pro OS Windows 98 a novější) je majitelům regulátoru poskytován zdarma. Podle počtu měřených fází lze volit mezi jednofázovou a třífázovou variantou. V obou variantách se však měří jen jedna napěťová hodnota, a to napětí na té fázi, na níž je připojena FVE. Průběh tohoto napětí slouží jako fázová reference, z níž se odvozuje polarita jednotlivých naměřených vzorků proudu všech fází. K získání správných hodnot je proto bezpodmínečně nutné dodržet předepsaný sled fází. Další členění může být podle použitých spotřebičů může být k dispozici dostatek doplňkových jednofázových spotřebičů a pak stačí, aby regulátor GreenBonO řídil pouze jednu fázi ( i když bude měřit všechny 3 fáze a při řízení odběru zohledňovat odběr všech spotřebičů odběrného místa), mohou být též k dispozici pouze třífázové spotřebiče a může nastat i situace, kdy část spotřebičů bude jednofázových a část třífázových. Tuto nejsložitější variantu naznačuje schéma v kapitole Jednofázové měření vestavěným proudovým měřícím transformátorem TM1 Vestavěný proudový transformátor obsahuje pouze sekundární vinutí, zaletované v desce plošného spoje. Snímač proudu se z něho vytvoří prostým provlečením izolovaného vodiče protékaného měřeným proudem skrz otvor v toroidním jádru. Řádná izolace vodiče je nutná z důvodu bezpečnosti, silový vodič prochází svisle celým vnitřkem přístroje, tedy i v těsné blízkosti galvanicky oddělených obvodů s malým napětím. Pro správné fungování regulátoru je nutné dodržet orientaci vodiče z dolní strany přístroje vede směrem k rozvodné síti, z horní strany směrem k odběrnému místu. V této ( jednofázové) verzi regulace je monitorována a regulována pouze fáze, na kterou je připojena FVE. To znamená mít k dispozici dostatek jednofázových spotřebičů. Na prvním místě bývá obvykle bojler pro ohřev TUV s garantovaným celoročním provozem. Z dalších možných spotřebičů pro takové použití jsou záložní topná tělesa, která obvykle bývají vestavěna (a nepřipojena) v akumulačních nádržích. Naopak nepoužitelné jsou zde ty spotřebiče, které mají jednotlivá topná tělesa připojena na sdružené napětí 400V a jsou již využívány ke spotřebě nočního proudu. 5

6 6

7 4.2. Třífázové měření externí proudové transformátory přivedené na analogové vstupy V této variantě jsou použity tři externí měřící transformátory, jejich sekundární vinutí jsou navzájem propojeny do hvězdy, jejíž uzel je připojen na vstupní svorku Vcc/2. Zbylé tři vývody hvězdy jsou připojeny na analogové vstupy AI4, AI3, AI2. Je přitom zcela nezbytné dodržet následující předpis: Vývod měřícího transformátoru pro fázi L1 tj. tu fázi, na níž je připojena fotovoltaická elektrárna a z níž je také napájen regulátor GreenBonO, musí být připojen na vstup AI4 7

8 Vývod měřícího transformátoru pro fázi L2 musí být připojen na vstup AI3. Fází L2 se zde rozumí fáze zpožděná za L1 o 120. Vývod měřícího transformátoru pro fázi L3 musí být připojen na vstup AI2. Fází L3 se zde rozumí fáze zpožděná za L1 o 240. Externí měřící transformátory musí být doplněny vhodným zatěžovacím odporem, a to tak, aby napětí na něm nepřekročilo rozkmit ±2,5V (viz. kap.3.1.). Vzhledem k obvyklým velikostem střešních fotovoltaických elektráren je vhodným měřícím transformátorem typ PT3/V500 firmy PMEC s.r.o., schopný lineárního měření do 100A. Trojice těchto transformátorů existuje v provedení modulu na DIN lištu jako volitelné příslušenství regulátoru GreenBonO. Orientace průvlaků je na modulu vyznačena nálepkou. Propojení tohoto modulu s regulátorem GreenBonO je také vyznačeno na štítku GreenBona NT Vcc B(-) A(+) AI4 AI3 AI2 AI1 AI0 DO6 DO 0 2 RS 48 5 K5 K5 GreenBonO K4 K3 K2 K4 K3 K2 YO RI X s.r.o. fax: ww w.yorix.cz Pwr K5 K5 K4 K4 K3 K3 K2 K2 N L1 8