Ограничител (смарт-метър) или токов трансформатор? Как работи и за какво служи?

Всяка от предлаганите на този сайт системи има възможност за ограничаване на връщането на енергия в мрежата, или така наречения режим на нулев експорт. В тази статия ще разгледаме устройствата, благодарение на които това е възможно, но преди това нека отговорим на въпроса

Защо ни е необходим режим на нулев експорт?

Основната причина за необходимостта от ограничаване на връщането на електричество към мрежата се крие в начина на работа на стандартния електромер и как той отчита преминалата през него електроенергия. Накратко казано - за съжаление почти всички (дефакто всички) нови електромери отчитат върнатия ток като потребен. Въпреки че имат отделен регистър, който да отчита тока, протекъл обратно през електромера, към момента на написването на тази статия (2021) в България всеки киловатчас, преминал през електромера, независимо от неговата посока, се отчита като потребен. Няма значение дали изразходвате от мрежата или връщате в нея - всеки киловатчас се отчита като изразходван. Това е реалността и тя е такава, независимо дали това ни харесва или не. В следствие на това, дори и ако искате да "подарите" неупотребения излишък от вашата соларна инсталация на обществената мрежа, ако този остатък премине през един стандартен електромер, той ще бъде отчетен като потребен и трябва да бъде заплатено за него! Парадоксално, в този случай хем ще подарите излишъка, хем ще платите за него. Този начин на измерване прави връщането на излишъка от енергия напълно неприемлив, с важното уточнение, че това не важи, ако имате договор за изкупуване на излишната електроенергия, сключен с ЕРП или лицензиран търговец на електроенергия. В случаите, когато има поставен такъв електромер и централата е присъединане по съответния законов ред, ограничаването на връщането става напълно ненужно. Практиката ни обаче показва, че същестуват достатъчно голям брой малки централи, предназначени за собствена консумация, които не са присъединени и нямат договор за продажба на излишъка. В този случай ограничаването на експорта е от изключително значение и ако не се направи правилно, може да се окаже, че вместо да пести пари, работата на една централа може да доведе до увеличаване на сметката за електричество.

Прав и променлив ток.

Както всички знаем, токът в контакта е променлив, с честота 50Hz и напрежение 220V. Стандартът е променен и напрежението от доста години вече е 230V, но в разговорния език все още масово се използва изразът "двеста и двадесет волта". В терминологията на английски е прието променливият ток да се бележи с AC (от Alternate Current), а правият - с DC (от Direct Current). За двата вида най-най-общото, което трябва да запомните, за да ги различавате е, че правият ток има плюс и минус, а променливият - фаза и нула. Разликите, разбира се, не се изчерпват до тук, повече информация можете да намерите в българската секция на Уикипедия, като напишете "Променлив ток" в полето за търсене.

Измервателни уреди за променлив ток

Два са видовете измервателни уреди, които се използват в соларните инвертори с цел измерване на силата и големината на променливия ток и осигуряване на нулев експорт - токов трансформатор и т.нар. ограничител, който всъщност е един двупосочен електромер, който ние наричаме също и смарт-метър. Нека ги разгледаме в детайли.

Токов трансформатор

Когато протича през проводник, променливият ток има свойството да създава променливо магнитно поле, което от своя страна може да индуцира електрически ток в друг проводник, разположен в близост. Най-общо казано, това е принципът на действие на токовия трансформатор - един от уредите, които се използват за датчик, който отчита не само големината на протичащия през проводника ток, но и неговата посока. Точно това ни интересува, когато се стремим да постигнем нулев експорт - да не се допуска протичането на ток в посока от вътрешната мрежа към външната. В това отношение токовият трансформатор е идеален уред, още повече, че инсталирането му не изисква прекъсване на фазовия проводник, което го прави много лесен за монтаж. За да се използва токов трансформатор за отчитане на силата и посоката на тока, а от там и за осигуряване на нулев експорт, инверторът трябва да поддържа такъв вход, каквито са например инверторите от серията X1-BOOST.

Ограничител

Освен чрез токов трансформатор, измерването може да се реализира и чрез самостоятелно измервателно устройство, което представлява  двупосочен електромер, който се монтира на входа на вътрешната мрежа. Самото устройство е предназначено за монтаж на DIN шина, като различните производители предлагат различни модели. Принципът му на работа е малко по-различен, като в него има т.нар. шунт - съпротивление с много ниска стойност, през което преминава целият ток, който искаме да измерим.

Измервайки пада на напрежение върху шунта във волтове (реално в миливолти), можем да определим и големината на протичащия ток в ампери. Освен това, в този двупосочен електромер, който често е наричан "ограничител", има трансформатор за променлив ток и други датчици, чрез които той може да отчита стойностите на много повече показатели, характеризиращи променливия ток, отколкото токовия трансформатор. Ограничителят се свързва към инвертора посредством интерфейс за предаване на данни, по които ограничителят предава резултатите от измерването към инвертора. Всички инвертори, които са минали през нашите ръце, използват интерфейса RS485 - това е индустриален стандарт, който дефинира електрическия интерфейс за пренос (нивата на сигналите, изискванията към хардуера и т.н.). Върху този хардуерен интерфейс работи слоя за пренос на данни - в случая се използва протокол, наречен Modbus. По този начин ограничителят може да предава данни към инвертора. За целта, разбира се, трябва инверторът да поддържа не само протокола и формата на данните, но и самия модел ограничител да е одобрен за работа със съответния инвертор.

Ето и малко обобщение:

Метод на ограничаване на експорта

Преди всичко, трябва да започнем с това, че ограничителят не комутира вериги и нищо не ограничава - той само измерва. В ограничителя няма контактори или някакви щракащи релета и контактни пластини, които физически да правят така, че да не се отдава електроенергия извън вътрешната мрежа - не, той е просто един електромер с малко повече екстри. Инверторът е този, който осъществява ограничаването, като променя мощността си така, че да покрива само нуждите на консуматорите от вътрешната мрежа. Независимо дали получава сигнал от токов трансформатор или ограничител (смарт-метър), инверторът трябва да регулира своята отдавана мощност така, че да покрие нуждите на консуматорите във вътрешната мрежа, но без да ги надвишава. На практика този процес става на стъпки и има няколко секунди, през които има експорт, но той е пренебрежимо малък. Това се наблюдава най-вече при изключване на големи консуматори. Самото изчисляване на стойността на тока от ограничителя обкновено се извършва чрез интерполация на множество измервания, направени през определен интвервал от време, така че ограничителят предава данни към инвертора със скорост около веднъж в секунда. Управляващата електроника на инвертора също има нужда от няколко секунди, за да намали мощността до определената стойност. Друга причина за наличие на експорт, макар и в минимални граници, е толерансът на измервателните уреди, който е сравнително висок поради големия диапазон на измерване - ако един типичен ограничител има диапазон на измерване от 0 до 63А и грешка в рамките на само 0,1%, този 0,1% би се отразил като 63mA ток, който се равнява на около 15W. Затова и е нормално дори и при експорт, ограничен на нула, да има някакви минимални стойности на върната в мрежата енергия - това не е дефект и е причинено от два фактора: 1) времевия лаг в промяната на мощността на инвертора и 2) толеранса на измервателните уреди.  

Няколко думи за финал

Дали фотоволтаичната система поддържа ограничаване на експорта или не - това зависи най-вече от типа на инвертора. Ако инвертора има вход за свързване на ограничител и настройка в менюто, която да позволява режим на нулев експорт, тогава всичко ще е ОК. Ако обаче инверторът няма възможност за работа с ограничител, то няма как да бъде постигнато ограничаване на експорта. Не съществува универсален ограничител. Правилната работа на системата ограничител-инвертор зависи от тяхната съвместимост един с друг, правилното свързване и правилните настройки. Повечето по-стари модели мрежови инвертори, които се внасят втора употреба, не поддържат ограничаване на експорта, която ги прави почти безполезни за домашни системи за собствена употреба. Друга важна подробност е, че често една марка инвертори не работи с ограничители, предназначени за друга марка. От технологична гледна точка това е лесно постижимо чрез кодиране на адресите за комуникация по определен начин така, че само устройствата, закупени от производителя на инвертора, да работят с него. Затова е добре винаги системата да се проектира от самото начало като цялостен завършен набор от небходими компоненти.