Fotowoltaika: jak obniżyć za wysokie napięcie w sieci? Przyczyny i rozwiązania problemów z wyłączeniem instalacji PV

Teoretycznie napięcie w polskiej sieci energetycznej wynosi 230 V. Jednak jest to tylko tzw. wartość nominalna. W rzeczywistości napięcie może być o 10% niższe lub wyższe. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że 10% to niezbyt dużo. Jednak oznacza to, że faktycznie napięcie może więc wynosić od 207 do 253 V. Ostatecznie dopuszczalny zakres zmian wynosi więc prawie 50 V. Dopiero, jeżeli któraś z tych granic zostanie przekroczona, mamy podstawy do reklamacji z powodu za wysokiego napięcie u operatora sieci (Operatora Systemu Dystrybucyjnego - OSD).

Dlaczego fotowoltaika się wyłącza?

To górna granica - 253 V jest problemem dla właścicieli mikroinstalacji PV. Po jej osiągnięciu możliwość przekazywania prądu do sieci zostaje zablokowana. Co istotne, wyłączenie fotowoltaiki powoduje przekroczenie napięcia 253 V na którejkolwiek z faz falownika trójfazowego. Takie zaś są w naszym kraju zdecydowanie najpopularniejsze.

Skąd się bierze za wysokie napięcie w sieci?

W powszechnym przekonaniu powodem zbyt wysokiego napięcia w sieci jest zbyt duża liczba mikroinstalacji fotowoltaicznych, które w danym momencie przekazują swoją nadprodukcję energii do linii energetycznej, z którą są połączone. Jest w tym sporo racji, lecz to mimo wszystko tylko część prawdy.

Rzeczywiście, aby móc przesłać nadmiar prądu z paneli, falownik musi nadać mu napięcie nieco wyższe, niż aktualne napięcie występujące w sieci. Tak więc każda kolejna mikroinstalacja powoduje nieznaczny wzrost napięcia. Jednak jeżeli jest ich dużo, np. na sporym osiedlu, na którym co 2 czy co 3 dom wyposażono w panele fotowoltaiczne, problem staje się poważny. W którymś momencie napięcie w sieci osiąga bowiem górną dopuszczalną granicę 253 V i „wbicie się” w nią kolejnego falownika jest już niemożliwe.

Zbyt dużo na transformatorze

Dlaczego jednak piszemy, że nie wyczerpuje to problemu? Bardzo ważne jest bowiem napięcie panujące w sieci, gdy nie zasila jej jeszcze żadna instalacja PV. Ostatecznie liczy się bowiem różnica pomiędzy tym poziomem, który możemy nazwać bazowym lub początkowym, oraz dopuszczalnym maksimum 253 V. W praktyce zaś zwykle nie jest to wcale nominalne 230 V. W niektórych miejscach punktem wyjścia będzie bowiem np. zaledwie 210 V, w innym zaś 245 V. Żeby było jeszcze trudniej, obie te wartości mogą występować w ramach tej samej linii!

Przyczyną tego całego zamieszania jest z jednej strony często zły stan oraz niewystarczający poziom rozbudowy linii niskiego (230/400 V) i średniego napięcia (najczęściej 15 kV), z drugiej zaś zobowiązanie dostawców do dostarczania odbiorcom energii o określonych parametrach. Jeżeli w danym regionie linie niskiego napięcia są bardzo długie lub zbyt mocno obciążone, to pojawia się ryzyko, że u części odbiorców napięcie będzie zbyt niskie, poniżej wymaganego poziomu 207 V (czyli nominalnego 230 V minus 10%). Co ważne, operator sieci ma obowiązek zapewnić właściwe parametry dostarczanej energii także w skrajnie niekorzystnych warunkach. Czyli chociażby w zimie, wieczorami przy szczytowym poborze mocy. Czyli w sytuacji, gdy fotowoltaika po prostu nie działa i nie podnosi napięcia w systemie. Co więc robi firma nadzorująca sieć, aby zapewnić wymagane minimalne napięcie na takich długich i zbytnio obciążonych liniach? Podnosi bazowe napięcie na transformatorze, bo największe spadki napięcia występują właśnie z dala od niego, niejako na przeciwnym krańcu układu. Jeżeli punktem startu jest 240 V lub więcej, to dla mikroinstalacji PV znajdujących się blisko transformatora dopuszczalny zakres pracy bardzo się kurczy.

Fotowoltaika a zbyt wysokie napięcie w sieci: co można zrobić?

Jeżeli nasza mikroinstalacja PV często się wyłącza, bo inwerter sygnalizuje zbyt wysokie napięcie po stronie sieci, to zaistniały problem (reklamację) możemy zgłosić do jej operatora. Powinien on wówczas zbadać i wyjaśnić sprawę. Nie znaczy to jednak, że zawsze problem zbyt wysokiego napięcia zostanie dzięki temu rozwiązany, nawet jeżeli jego źródłem jest rzeczywiście sieć.

Konieczne może się bowiem okazać chociażby przebudowanie jakiegoś fragmentu infrastruktury. Jeżeli miałaby to być budowa np. nowej linii średniego napięcia oraz dodanie kilku nowych stacji transformatorowych, to realizacja takiej inwestycja może wymagać nawet kilku lat. O ile, ma się rozumieć, w ogóle znajdą się na nią pieniądze i zostanie uznana za celową i opłacalną. Operator sieci musi bowiem godzić sprzeczne interesy i wymogi poszczególnych odbiorców, równocześnie bardzo skrupulatnie licząc pieniądze.

To zły stan sieci energetycznej i przeciążenie wielu linii jest często przyczyną problemów z fotowoltaiką. Poprawa sytuacji wymaga niestety poważnych inwestycji w infrastrukturę w całym kraju, fot. Adobe Stock

Z pozoru nic prostszego, jak obniżyć napięcie na transformatorze, jeżeli jakiś znajdujący się blisko niego odbiorca, a przy okazji prosument z instalacją PV, zgłasza problem. Co jednak z pozostałymi, którzy mieszkając na drugim krańcu tej samej długiej linii skarżą się na nadmierny spadek napięcia? Przebudowa całości i dodanie transformatorów oznacza zaś duże koszty. Które z kolei warto ponieść tylko wówczas, gdy sprawa dotyczy wielu osób i w nieodległej przyszłości i tak trzeba się liczyć z koniecznością rozbudowy, bo w okolicy wciąż powstają nowe domy. Jeżeli jednak w danym rejonie nie ma raczej perspektyw rozwoju i problem dotyczy pojedynczych użytkowników instalacji fotowoltaicznej, nie ma co liczyć na podjęcie szeroko zakrojonych prac. Prawdopodobnie usłyszą oni, że inwestycje nie miałyby uzasadnienia technicznego i ekonomicznego. 

Jak obniżyć napięcie w sieci bez jej przebudowy - problemy z fotowoltaiką

Nie zmienia to jednak faktu, że czasem można poprawić sytuację i ograniczyć problem częstego wyłączania się fotowoltaiki, nie dokonując przy tym dużych zmian w sieci. Niekiedy wystarczają takie zabiegi jak bardziej równomierne obciążenie poszczególnych faz mocą w ramach linii. Przypomnijmy, że już przekroczenie dopuszczalnego napięcia na chociaż jednej z nich uniemożliwia działanie inwertera. Ponadto operatorzy sieci stopniowo wdrażają też inne rozwiązania usprawniające jej współpracę z fotowoltaiką. Jednak uwzględniając skalę zjawisk są to jak na razie eksperymenty.

Tak czy inaczej, warto zgłosić operatorowi sieci problem częstego wyłączania się instalacji PV z powodu problemów ze zbyt wysokim napięciem w sieci. Ponadto może przy tym wyjść na jaw, że prawdziwą przyczyną problemów nie jest sieć, lecz wady instalacji wewnętrznej, tej za której stan odpowiada właściciel domu.

Wyłączenia fotowoltaiki a błędy w instalacji elektrycznej

Popularnie mówimy, że falownik wyłącza się z powodu zbyt wysokiego napięcia w sieci. Jednak nie jest to do końca ścisłe określenie. Wyłączenie następuje z powodu nadmiernego wzrostu napięcia, ale tak naprawdę jego przyczyną mogą być również zjawiska zachodzące na odcinku pomiędzy falownikiem i siecią. Warto wiedzieć, że zasadniczo mamy tu dwie, zupełnie inaczej traktowane części. Pierwszą jest przyłącze, za które odpowiada zakład energetyczny (operator sieci). Druga zaś to już linia zasilająca doprowadzona od złącza do budynku oraz pozostała część instalacji elektrycznej. Część poza przyłączem pozostaje już w gestii właściciela budynku. Początkiem przyłącza jest połączenie jego przewodów z przewodami linii niskiego napięcia (najczęściej zawieszonymi na słupach). Końcem zaś jest tzw. złącze, które w nowszych domach oznacza zwykle skrzynkę z licznikiem i odpowiednimi zabezpieczeniami, umieszczoną w linii ogrodzenia. W starszych budynkach licznik często jest zaś umieszczony wewnątrz budynku, w pobliżu głównej rozdzielnicy elektrycznej.

Falownik (inwerter) będący częścią instalacji fotowoltaicznej najczęściej znajduje się wewnątrz budynku i jest oczywiście połączony z jego instalacją wewnętrzną. Być może niektórzy Czytelnicy dostrzegają już jakie kryje się w tym niebezpieczeństwo dla jego prawidłowego funkcjonowania. Po stronie sieci, a więc na odcinku od linii energetycznej, przez przyłącze, aż do złącza z licznikiem wszystko może być w porządku. Przyczyną problemów, także tych ze zbyt wysokim napięciem może być instalacja wewnętrzna (za złączem). Szczególnie jeżeli operator sieci dystrybucji energii nie wykrył problemów ze zbyt wysokim napięciem po swojej stronie, warto zlecić elektrykowi dokładne sprawdzenie stanu instalacji wewnętrznej. Przyczyną nadmiernego wzrostu napięcia może być np. zbyt duża rezystancja (opór elektryczny) powodowana przez zbyt cienkie przewody (o niewystarczającym przekroju), luzy w miejscach połączeń, utlenienie się ich końcówek. Te wszystkie wady szczególnie często występują w przypadku starych przewodów aluminiowych. Przede wszystkim ze względu na specyfikę samego materiału, np. wyjątkowo duża rozszerzalność cieplna i związaną z tym skłonność do „pływania” w zaciskach, w miejscach połączeń.

Również wady domowej instalacji elektrycznej mogą prowadzić do wzrostu napięcia sygnalizowanego przez falownik. Dlatego powinna być ona sprawdzona przez fachowca, jeszcze zanim założymy panele PV, fot. YATO (TOYA)

Jednak tak naprawdę to każda istniejąca instalacja elektryczna powinna zostać poddana szczegółowemu przeglądowi przez dobrego fachowca, zanim przyłączono do niej fotowoltaikę. Zwykle jednak tak się nie dzieje. Szczególnie w okresie największego boomu na fotowoltaikę przed kilku laty, takie instalacje wykonywano szybko, masowo i bardzo często byle jak. Teraz rozmaite niedoróbki wychodzą na jaw. Czasem wystarczy zaś jedno niestarannie wykonane połączenie, niedokręcony dobrze zacisk, żeby powodować problemy z działaniem fotowoltaiki. Ich przyczyną może być także nieodpowiedni sposób ułożenia przewodów (poszczególnych lub przewodów względem siebie), czy ich niewystarczający przekrój. Są to zaś rzeczy których amator w ogóle nie zauważy, nie będzie nawet świadomy istnienia takich problemów.

Przyczyna problemów ze zbyt wysokim napięciem, kiedy instalacja PV pobiera i przekazuje nadmiar prądu do sieci

Sygnalizowaliśmy już, że przekroczenie dopuszczalnego napięcia na którejkolwiek z 3 faz powoduje wyłączenie typowego falownika. Należałoby to uzupełnić informacją, że możliwa jest sytuacja, w której dokładnie w tym samym czasie czerpiemy prąd z sieci na jednej z faz, zaś na innej przekazujemy do systemu nadmiar energii. Tak naprawdę wcale nie należy to do rzadkości. Chociaż zasadniczo różnica pomiędzy ceną zakupu prądu z sieci oraz ceną jego odsprzedaży jest ogromna - szczególnie w ramach Net-billingu - to system rozliczania za energię jest tak skonstruowany, że pod względem finansowym na tym nie tracimy. 

Nie zmienia to jednak faktu, że takie działanie - przekazywanie prądu do sieci, gdy równocześnie go z niej czerpiemy, może spowodować wyłączenie falownika i całkowite zmarnowanie własnego prądu. Rzecz w tym, że czerpiąc prąd do zasilania urządzeń z jednej fazy powodujemy na niej pewien spadek napięcia. Jednak przekazując energię do sieci na innej fazie, na niej z kolei powodujemy jego wzrost. Jeżeli zaś poziom 253 V zostanie przekroczony, to cała nasza mikroinstalacja PV się wyłączy. 

Niekiedy, na problemy związane z za wysokim napięciem w sieci, może pomóc zmiana ustawień samego falownika. W pobliżu granicy 253 V będzie on działał z nieco mniejszą
mocą, ale rzadziej będzie się wyłączał, fot. FRONIUS

Jak zapobiec wyłączaniu falownika - co można poprawić w inwerterze?

Niekiedy w przypadku problemów ze zbyt wysokiem napięciem w sieci wskazane może się okazać zmodyfikowanie ustawień serwisowych samego falownika. To tzw. funkcje Q(U) oraz P(U), zmieniające nieco proporcje pomiędzy mocą czynną i bierną. Odpowiednio skonfigurowany pod tym względem falownik będzie dysponował wprawdzie nieco mniejszą mocą, gdy napięcie zbliży się do 250 V, ale za to nie będzie się wyłączał lub będzie to następowało rzadziej. Takie zmiany ustawień falownika to jednak zadanie dla fachowca i nie zawsze ich dokonanie jest możliwe.

Fot. otwierająca: CREATON