Využití přetoků z fotovoltaiky pomocí třífázového triakového řízení

Rostoucí počet domácích fotovoltaických elektráren přináší vedle energetické soběstačnosti i méně viditelný technický problém – přetoky elektrické energie do distribuční sítě v době nízké vlastní spotřeby. Tyto přebytky bývají z pohledu uživatele často nevyužitou energií, přestože jejich efektivní zpracování může významně zvýšit celkovou energetickou efektivitu systému.

V popisovaném řešení je tato energie akumulována do tepla prostřednictvím plynule řízeného ohřevu vody v akumulační nádrži. Systém je navržen tak, aby dynamicky reagoval na okamžité přetoky a udržoval export do sítě na minimální úrovni, ideálně na hodnotě blízké nule.

Použité měřicí a řídicí zařízení

Základem celého řešení je měřicí a komunikační systém eLLa od společnosti Allcomp, který zajišťuje sběr dat o spotřebě a výrobě elektrické energie v reálném čase. Jednotka komunikuje po sběrnici RS485 a poskytuje informace o okamžitém výkonu na jednotlivých fázích i o celkové bilanci vůči distribuční síti.

Měření a sběr dat je realizován pomocí našeho zařízení eLLa pro vzdálené měření a řízení spotřeby elektrické energie, dostupného zde:
https://www.allcomp.cz/vzdalene-mereni-spotreby-elektriny-pres-internet/

V projektu je tato jednotka provozována s upraveným vlastním firmwarem, který umožňuje rychlejší vyhodnocování výkonových toků a přímé řízení výkonové části systému bez externího PLC.

Výkonová část a triakové řízení

Výkonová část je realizována pomocí třífázového triakového regulátoru s komunikací RS485, rovněž od společnosti Allcomp. Tento regulátor umožňuje plynulé řízení odporové zátěže až do výkonu 3×3,3 kW a je navržen pro aplikace, kde je nutná kontinuální změna výkonu bez mechanického spínání.

Detail zařízení je dostupný zde:
https://www.allcomp.cz/triakovy-regulator-3fazovy-s-komunikaci-rs485/

V konfiguraci tohoto projektu je na každý z tří nezávislých výstupů připojena topná patrona o výkonu 3,3 kW, což představuje celkový instalovaný výkon přibližně 9,9 kW. Každá fáze je řízena samostatně, což umožňuje jemnou kompenzaci nesymetrických přetoků v třífázové soustavě.

Princip řízení a regulace

Řídicí algoritmus pracuje v uzavřené regulační smyčce, kde vstupními veličinami jsou okamžité výkony jednotlivých fází měřené jednotkou eLLa. Cílovým stavem je nulový přetok do distribuční sítě.

Na základě odchylky od této referenční hodnoty je v reálném čase upravován výkon jednotlivých triakových regulátorů. Každá fáze je řízena nezávisle, což umožňuje přesnější kompenzaci lokálních nerovnováh mezi výrobou a spotřebou.

Oproti běžným systémům, které pracují pouze s celkovým výkonovým součtem, tento přístup umožňuje vyšší přesnost regulace a lepší využití dostupné energie zejména v situacích s nerovnoměrným zatížením jednotlivých fází.

Integrace systému

Komunikace mezi měřicí a výkonovou částí je realizována prostřednictvím sběrnice RS485. Tato architektura umožňuje robustní přenos dat i v prostředí elektricky rušených instalací a zároveň poskytuje dostatečnou flexibilitu pro softwarové úpravy řídicí logiky.

Významnou výhodou použité platformy eLLa je možnost rozšíření funkcionality prostřednictvím vlastního firmware, což umožňuje optimalizaci regulačních algoritmů bez zásahu do silové elektroinstalace.

Triakový regulátor pracuje jako plynulá odporová zátěž, jejíž výkon je modifikován v závislosti na okamžité dostupné přebytkové energii. Díky tomu nedochází ke skokovým změnám zatížení, které by mohly negativně ovlivňovat stabilitu celé soustavy.

Praktické chování systému

V reálném provozu se systém chová jako dynamický spotřebič, který automaticky absorbuje pouze přebytečnou energii z fotovoltaické elektrárny. V případě zvýšení domácí spotřeby dochází k okamžitému snížení výkonu topných spirál, aby nebyl překročen nulový bod exportu.

Tímto způsobem je dosaženo vysoké míry vlastní spotřeby vyrobené elektrické energie a současně je eliminováno nežádoucí dodávání přebytků do distribuční sítě.

Graf zobrazuje průběh výkonů na jednotlivých fázích během regulace přetoků z fotovoltaické elektrárny. Červená, černá a hnědá křivka představují okamžité výkony jednotlivých fází vůči distribuční síti. Cílem regulace je udržet všechny fáze co nejblíže nulové hodnotě, tedy minimalizovat přetoky i odběr energie ze sítě.

V první části grafu je patrné vyšší zatížení jednotlivých fází a postupný náběh regulace. Přibližně od ranních hodin začíná systém reagovat na rostoucí výrobu fotovoltaické elektrárny a výkon topných patron je postupně upravován tak, aby docházelo k vyrovnávání energetické bilance.

Ve střední části grafu je již vidět stabilní regulační stav, kdy se výkony všech tří fází pohybují v těsné blízkosti nulové hodnoty. To znamená, že přebytky energie jsou téměř okamžitě spotřebovávány topnými patronami a nedochází k významným přetokům do distribuční sítě.

Krátkodobé špičky a odchylky od nulové osy odpovídají dynamickým změnám spotřeby nebo výroby, například při zapnutí domácích spotřebičů, změně intenzity osvitu nebo při regulační odezvě systému. Regulace však na tyto změny reaguje velmi rychle a systém se následně vrací zpět do stabilního stavu.

Ve večerních hodinách, kdy výkon fotovoltaické elektrárny klesá, je patrné postupné ukončování regulace a návrat výkonových toků k běžnému odběru domácnosti ze sítě.

Graf dobře ilustruje schopnost systému udržovat třífázovou bilanci v okolí nulového přetoku a efektivně využívat přebytečnou energii pro ohřev teplé vody.

Závěr

Kombinace měřicí platformy eLLa a třífázového triakového regulátoru s komunikací RS485 představuje efektivní řešení pro využití přetoků z domácích fotovoltaických elektráren. Systém umožňuje plynulé, přesné a rychlé řízení výkonu odporové zátěže s cílem minimalizace exportu do sítě.

Díky modulární architektuře a softwarově definovanému řízení je řešení snadno rozšiřitelné a dále optimalizovatelné podle konkrétních provozních podmínek.