Накопитель на стороне постоянного тока промышленной СЭС: когда DC-связь выгоднее подключения по переменному току
Короткий ответ: DC-связь выигрывает на новой станции, где батарею и панели проектируют вместе, и там, где инвертор срезает выработку из-за перегруза панелей. Разница КПД между схемами — порядка двух процентных пунктов на той части энергии, что идёт через батарею. Для уже работающей станции AC-накопитель почти всегда практичнее. Ниже расчёт по ступеням и таблица критериев.
Две схемы подключения накопителя к станции
Если к промышленной СЭС добавляется накопитель, у него два способа попасть в общую схему.
- AC-связь. Станция работает как раньше: панели, сетевой инвертор, выход на щит. Накопитель со своим преобразователем (PCS) подключается к тому же щиту по переменному току и ничего не знает о панелях.
- DC-связь. Батарея подключается к звену постоянного тока, рядом с панелями: через DC/DC-преобразователь или напрямую к входу гибридного инвертора. Выход в сеть общий — через один инвертор.
Для частного дома этот выбор разобран в статье «Накопитель к сетевой СЭС: AC-схема или гибрид». Здесь речь о предприятии: десятки и сотни киловатт, перегруз панелей по DC, требования к резерву и ограничение отдачи в сеть.
Цепочка КПД: считаем по ступеням
КПД ступеней ниже условные. Реальные значения берут из паспортов оборудования, и они зависят от загрузки.
Возьмём энергию, которая от панелей идёт в батарею и потом в нагрузку.
- AC-связь: инвертор СЭС (DC в AC) 0,98 × преобразователь накопителя на заряд (AC в DC) 0,98 × цикл батареи 0,95 × преобразователь накопителя на разряд (DC в AC) 0,98 = 0,98 × 0,98 × 0,95 × 0,98 ≈ 0,89.
- DC-связь: DC/DC на заряд 0,98 × цикл батареи 0,95 × общий инвертор (DC в AC) 0,98 = 0,98 × 0,95 × 0,98 ≈ 0,91.
Разница около двух процентных пунктов. Для 200 кВт·ч в сутки, прошедших через батарею, это примерно 4 кВт·ч. За год на предприятии с хорошей загрузкой накопителя набегает заметная, но не решающая цифра. Если в пересчёте на деньги она не оправдывает усложнения схемы, выбор делают по другим критериям — они ниже. Для энергии, которая идёт из сети в батарею и обратно, преимущества DC-связи нет: сетевая зарядка идёт через тот же преобразователь в обеих схемах.
Срезка при перегрузе панелей
Панели на промышленных станциях часто ставят с запасом по постоянному току: отношение DC/AC равно 1,2–1,4. Это экономит на инверторе, потому что полную мощность панели дают редко. Возьмём станцию с инвертором 100 кВт и панелями 130 кВт (отношение 1,3). В ясный день июня около полудня панели способны отдать, например, 105–110 кВт (после потерь), а инвертор пропустит только 100. Остаток срезается: инвертор смещает рабочую точку панелей, и энергия просто не вырабатывается.
Условная иллюстрация: если срезка составляет в среднем 8 кВт в течение четырёх часов около полудня, за такой день теряется 8 × 4 = 32 кВт·ч. Накопитель, подключённый по AC, этой энергии не видит: инвертор уже ограничил выход. DC-накопитель забирает её до инвертора и отдаёт вечером. За год срезка обычно составляет небольшую долю выработки, и точное значение даёт моделирование по профилю станции; в разные годы и при разных углах наклона оно различается.
К тому же срезка возникает и при ограничении отдачи в сеть. Если у станции стоит антиреверсивная защита (как она устроена), то в выходной день, когда нагрузка мала, станция и так не может отдать всё. Накопитель в этих условиях превращает срезанное солнце в вечернюю энергию, и как раз здесь DC-связь добавляет выгоды сверх AC: она забирает также энергию, лишнюю для инвертора.
Таблица: критерий, AC-связь, DC-связь
| Критерий | AC-связь | DC-связь |
|---|---|---|
| КПД энергии из панелей через батарею | Больше ступеней, условно 0,89 | Меньше ступеней, условно 0,91 |
| Энергия, срезанная перегрузом панелей | Накопитель её не получает | Может забрать, пока батарея не заполнена |
| Добавление к готовой станции | Просто: подключение к щиту и новая линия связи | Сложно: нужен доступ к звену постоянного тока, часто замена инверторов |
| Независимость от инвертора СЭС | Накопитель работает при остановке станции | Остановка общего инвертора останавливает и батарею |
| Совмещение оборудования разных поставщиков | Возможно, связь по протоколам | Ограничено: нужна совместимость по напряжению и управлению |
| Мощность выдачи в сеть | Складывается: инвертор СЭС плюс PCS | Общая: делится на панели и батарею |
| Резервирование и работа при отключении сети | Зависит от PCS и схемы щита | Зависит от режима гибридного инвертора |
| Согласование с сетевой организацией | Изменение схемы станции, проверка документов | То же, плюс замена оборудования станции |
Гибридные промышленные инверторы со входами для батареи
На практике DC-связь реализуют не отдельными DC/DC-блоками, а гибридными инверторами, у которых есть и входы панелей, и вход батареи. В белорусском каталоге это, например, Deye SUN-50K-SG01HP3 с высоковольтной батареей BOS-G: панели и батарея сходятся в одном устройстве, и дальше энергия идёт одним инвертором. Для новой станции мощностью десятки киловатт это естественная схема.
Время переключения на резерв — отдельная тема, она сильно зависит от схемы. Как различаются режимы с мгновенным и быстрым переключением, написано в разборе «Deye C&I ESS: 0 мс online-UPS против STS». Для предприятия с чувствительным оборудованием оно может быть важнее разницы в КПД.
Когда AC-связь проще
- Станция уже работает. Заменять инверторы ради DC-связи почти никогда не окупается. Накопитель по AC подключается без остановки станции.
- Станция согласована по определённой схеме. Любое вмешательство в нужные документы — отдельная работа; общий порядок для хозяйства описан в разборе «Накопитель к согласованной СЭС».
- Разные поставщики. Станция одного изготовителя, накопитель другого: общее звено DC потребует проверки совместимости по напряжению и управлению.
- Накопитель нужен в первую очередь под резерв и срез пика, а не под солнце. Тогда выигрыш DC-связи в срезке не используется.
- Нужна независимость. Если важно, чтобы отказ инвертора СЭС не оставил предприятие без накопителя, AC-связь устойчивее.
Честный вывод
Для готовой станции AC-накопитель почти всегда практичнее. DC-связь выбирают на этапе проектирования новой станции, особенно при большом перегрузе панелей и ограничении отдачи в сеть. Одна лишь прибавка КПД в два процентных пункта не оправдывает переделку действующей станции.
Как принять решение
- Определите, станция новая или действующая. Для действующей по умолчанию — AC.
- Для новой станции посчитайте срезку по профилю: сколько кВт·ч в год теряет инвертор при выбранном перегрузе.
- Сравните цену сэкономленных потерь с разницей в стоимости оборудования и с риском общего отказа.
- Проверьте требования к резерву: что должно работать при остановке инвертора.
- Проверьте схему с сетевой организацией до заказа оборудования.
Общие подходы к сетевым станциям для предприятия описаны на странице «Сетевая СЭС для бизнеса». Расчёт ёмкости и мощности накопителя в обеих схемах делается одинаково, различия только в точке подключения.
Частые вопросы
Можно ли довести готовую станцию до DC-связи?
Технически можно, если инвертор станции — гибридный или допускает подключение батареи со стороны постоянного тока. У обычных сетевых инверторов входа батареи нет, и придётся менять инвертор. Решение принимает проектировщик и изготовитель оборудования.
Что выбрать, если срезка в станции минимальна?
AC-связь: главный довод в пользу DC-связи — срезка — в этом случае почти не работает, а остальные преимущества невелики.
Влияет ли схема на пожарные и электрические требования?
Да, но требования к батарее одинаковы. Различается защита звена постоянного тока и разделение цепей. Проект выполняет проектная организация с учётом требований изготовителя.
Одинаков ли срок службы батареи в обеих схемах?
Ресурс батареи определяют число и глубина циклов и температура, а не схема подключения. DC-связь может увеличить число циклов, потому что батарея забирает больше солнечной энергии.
Короткий вывод
DC-связь экономит ступень преобразования (условно 0,91 против 0,89) и умеет забирать выработку, срезанную инвертором при перегрузе панелей. Но в готовую станцию её добавлять сложно, а отказ общего инвертора останавливает и станцию, и накопитель. Для новой станции с большим перегрузом по DC — разумный выбор; для действующей почти всегда лучше AC-накопитель.