Как выбрать между оптимизаторами и микропреобразователями?

В распределенных инвестициях в фотоэлектрические (ФЭ) системы каждый дополнительный ватт напрямую увеличивает доходность проекта. Однако затенение, несоответствие модулей и скрытые потери в системе постоянно снижают её производительность и рентабельность инвестиций (ROI), из-за чего многие инвесторы испытывают хроническую «тревогу по поводу эффективности». В результате технологии электроники управления мощностью на уровне модуля (MLPE) привлекают всё большее внимание благодаря таким преимуществам, как гибкость проектирования, более высокая выработка энергии, повышенная безопасность и цифровизация эксплуатации и технического обслуживания (ТОиР). В то же время MLPE включает различные технические подходы — в первую очередь оптимизаторы ФЭ-модулей (далее — «оптимизаторы») и микроконвертеры (далее — «микроконвертеры»). Выбор наиболее подходящего решения для конкретного проекта может представлять значительную сложность. В данной статье оба решения сравниваются по ключевым параметрам: архитектура системы, общая эффективность, рентабельность инвестиций, безопасность и надёжность — с целью поддержки обоснованного принятия решений.

Одинаковые MLPE, но разные технологии

Хотя как оптимизаторы, так и микропреобразователи относятся к категории MLPE, их системные архитектуры принципиально различаются, что напрямую влияет на стоимость проекта, монтаж, эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M), а также на долгосрочную доходность.

В качестве примера можно привести интеллектуальные фотогальванические оптимизаторы AndSolar: эти устройства не выполняют преобразование постоянного тока в переменный. Вместо этого они работают на стороне постоянного тока, обеспечивая отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) на уровне модуля для устранения потерь, вызванных несоответствием характеристик, и гарантируя стабильную координацию между модулями. Каждый модуль работает в реальном времени в точке своей оптимальной мощности, при этом все выходные сигналы постоянного тока суммируются и преобразуются в переменный ток цепочечным инвертором.

Микроинверторы, как следует из названия, представляют собой миниатюрные инверторы. Обеспечивая отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) на уровне модуля, они также выполняют преобразование постоянного тока в переменный. Каждый микроинвертор работает как независимое устройство, формируя полностью распределенную архитектуру системы. С точки зрения повышения энергетической отдачи системы микроинверторы выполняют функцию, схожую с функцией оптимизаторов: оба типа устройств позволяют устранить потери, вызванные несоответствием характеристик компонентов в системе, и обеспечивают работу каждого модуля в точке его максимальной мощности. M микроинверторы и оптимизаторы, на первый взгляд, обеспечивают сопоставимый функционал. Однако из-за различий в архитектуре систем они подходят для разных сценариев применения. В следующих разделах будут проанализированы их ключевые различия с нескольких точек зрения.

С точки зрения инвестиций: стоимость жизненного цикла и доходность

Оценка фотогальванического решения требует балансировки первоначальных инвестиций и долгосрочной доходности с учётом всего жизненного цикла.

В небольших системах, таких как солнечные электростанции на балконе, микроконвертеры обеспечивают определённые преимущества. Из-за ограниченной мощности системы и небольшого потенциала дохода инвестиционные решения в первую очередь основаны на стоимости развертывания, простоте монтажа и контроле рисков. Распределённая архитектура микроконвертеров делает их подходящими для подобных сценариев.

Однако в средних и крупных системах оптимизаторы демонстрируют очевидные преимущества с точки зрения стоимости. Например, в проекте на 36 модулей решение на основе PV-оптимизатора AndSolar и строкового инвертора позволяет снизить стоимость за ватт на 20–50 % по сравнению с микропреобразователями. По мере увеличения масштаба проекта разрыв в стоимости между этими двумя решениями продолжает расти. В таких сценариях системы на основе микропреобразователей, как правило, требуют большего количества устройств на стороне переменного тока на этапе первоначального монтажа, а также большего расхода кабелей переменного тока и сопутствующих материалов. Это приводит к повышению сложности монтажа и росту затрат на материалы по сравнению с решениями на основе оптимизаторов, что усиливает разницу в стоимости по мере увеличения размера системы.

С точки зрения долгосрочного технического обслуживания и эксплуатации (ТОиЭ) микропреобразователи содержат плотно упакованные электронные компоненты, включая изнашиваемые элементы, такие как электролитические конденсаторы, чувствительные к нагреву и повышающие вероятность отказа. Что касается гарантии, то микропреобразователь с обычно составляет 5 лет, а гарантия на оптимизаторы — обычно 10 лет. Эта разница становится особенно важной в коммерческих и промышленных применениях.

В целом, в сценариях небольших систем модульная конструкция микроконвертеров обеспечивает более гибкое проектирование и компоновку системы на раннем этапе проектирования. Оптимизаторы, напротив, имеют меньше потенциальных точек отказа, выделяют меньше тепла и обладают повышенной стабильностью; кроме того, они обычно поставляются с более длительными сроками гарантии. Это существенно снижает частоту замены и технического обслуживания, обеспечивает непрерывную максимизацию дохода от выработки электроэнергии электростанцией и даёт очевидные преимущества в долгосрочных затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M).

Адаптация к сценарию: выбор соответствующего решения в зависимости от потребностей

Различные сценарии применения распределенных фотоэлектрических систем предъявляют существенно отличающиеся требования к масштабу системы, структуре затрат и возможностям эксплуатации и технического обслуживания (ТОиР). Только выбор решений MLPE, соответствующих конкретному сценарию применения, позволяет проекту достичь ожидаемых показателей эффективности.

Решение на основе микроконвертеров благодаря модульной и гибкой установке обычно применяется в небольших жилых или коммерческих проектах, где расположение крыш фрагментировано, площадь для монтажа ограничена, чувствительность к первоначальным затратам относительно невысока, а более высокая сложность эксплуатации и технического обслуживания допустима. Ввиду различий в затратах и доходности в зависимости от масштаба проекта масштабируемость и структура затрат данного решения при использовании в крупномасштабных проектах требуют оценки в каждом конкретном случае.

Решение в виде оптимизатора обладает высокой адаптивностью с точки зрения архитектуры системы и совместимости с инженерными решениями. Его можно применять в широком спектре сценариев: в жилых объектах, небольших и средних коммерческих проектах, а также на крупных крышных электростанциях, например, на заводах и в промышленных парках. Кроме того, оно подходит и для модернизации устаревших электростанций. В качестве примера можно привести интеллектуальный оптимизатор AndSolar, который обеспечивает внедрение оптимизации, мониторинга и функции быстрого отключения на уровне отдельных модулей без необходимости масштабной реконструкции существующей системы, при этом сохраняя оригинальный инвертор и архитектуру системы старой электростанции. Это позволяет повысить выработку электроэнергии и усилить безопасность системы, одновременно эффективно контролируя затраты на модернизацию.

Установка и масштабируемость: адаптивность к различным масштабам систем

Оптимизаторы обычно устанавливаются на рамы модулей или несущие конструкции. Постоянный ток подводится к оптимизаторам по кабелям, а затем объединяется в строковый инвертор. Этот процесс практически полностью соответствует традиционной установке строковых систем и требует минимального количества дополнительных материалов. Ввод в эксплуатацию может выполняться на уровне земли, что снижает риски при работе на крышах и облегчает последующее расширение системы.

Микроинверторы также устанавливаются на раму модуля или несущую конструкцию. Для их систем, как правило, требуется относительно плотная сеть переменного тока (AC) на крыше, где выходы переменного тока каждого микроинвертора подключаются параллельно и объединяются. В результате количество точек подключения переменного тока соответственно увеличивается, а архитектура электропроводки становится более сложной. Эта особенность проводки проявляется ещё отчётливее по мере масштабирования системы, и проекту соответственно требуется больше вспомогательных материалов, таких как кабели переменного тока и соединительные муфты. Кроме того, на крыше необходимо выполнить большое количество разъёмных или клеммных подключений переменного тока, что предъявляет повышенные требования к организации строительных работ и согласованности монтажа. Повышенное внимание также требуется на этапах последующей эксплуатации и технического обслуживания (O&M), а также при локализации неисправностей.

В целом решения на основе оптимизаторов очень похожи на традиционные фотогальванические системы с точки зрения рабочего процесса монтажа и организации строительства, что делает их хорошо подходящими для крупномасштабного и быстрого развертывания. В отличие от них, системы микроконвертеров имеют распределённую структуру переменного тока, что лучше подходит для гибкого развертывания, но одновременно предъявляет более высокие требования к контролю качества строительно-монтажных работ и возможностям эксплуатации и технического обслуживания в долгосрочной перспективе.

КПД преобразования: стабильность и долгосрочные эксплуатационные характеристики

Как решения на основе оптимизаторов, так и решения с использованием микроконвертеров позволяют снизить влияние несоответствия в цепочке (string mismatch) на уровне модуля. Это преимущество особенно заметно в сложных условиях монтажа на крышах, где присутствует затенение или неоднородная ориентация модулей. Микроконвертеры выполняют преобразование постоянного тока в переменный непосредственно на уровне модуля, при этом полный инверторный блок интегрирован за каждым модулем. В результате наблюдается высокая концентрация силовых компонентов, работающих непрерывно в условиях высокой температуры на тыльной стороне модуля. Из-за ограничений, связанных с размещением компонентов и отводом тепла, их пиковая эффективность преобразования обычно составляет около 97 %, что также предъявляет повышенные требования к тепловому управлению системы и её долгосрочной надёжности.

Напротив, решения на основе оптимизаторов централизуют процесс инверсии высокой мощности и высокой тепловой плотности внутри строкового инвертора. В качестве примера можно привести умные оптимизаторы AndSolar: пиковая эффективность преобразования на уровне модуля может достигать 99,6 %, в то время как вся система в целом выигрывает от высокой эффективности централизованного строкового инвертора. Благодаря чрезвычайно низким потерям мощности оптимизаторы практически не выделяют тепла на уровне модуля, что сводит к минимуму влияние на производительность модуля и его долгосрочную надёжность.

С точки зрения долгосрочной эксплуатации стабильная, предсказуемая и устойчивая эффективность системы зачастую является более ценным ключевым показателем при принятии инвестиционных решений по проектам распределённой фотоэлектрической генерации.

Совместимость с системами накопления энергии: сравнение двух решений

По мере всё большей интеграции систем накопления энергии в распределённые фотоэлектрические системы акцент смещается в сторону комплексной координации энергетических потоков.

Решения с оптимизаторами в паре с накопителями энергии, подключаемыми по постоянному току (DC-связь), позволяют оптимизировать мощность на уровне отдельных модулей до централизованного преобразования. Это сокращает количество этапов преобразования и минимизирует потери, связанные с многократными преобразованиями постоянного тока в переменный и обратно (DC/AC/DC).

В архитектуре системы, объединяющей микроконвертеры с накопителями энергии, подключаемыми по переменному току (AC-связь), мощность, вырабатываемая фотоэлектрическими модулями, сначала преобразуется из постоянного тока в переменный при помощи микроконвертеров и подаётся на сторону переменного тока, а затем снова выпрямляется в постоянный ток для хранения. Такой многоступенчатый процесс преобразования энергии приводит к дополнительным потерям и затрудняет координацию между фотоэлектрическими генераторами и системами хранения энергии; по мере дальнейшего роста доли накопителей энергии в общей структуре энергосистемы общая эффективность такой архитектуры и её долгосрочная энергоотдача требуют тщательного анализа.

Возвращение к долгосрочной ценности распределённой фотоэлектрической генерации

Суть распределенных фотогальванических систем никогда не заключалась в применении «концептуально более новых» технологических решений, а скорее в создании энергосистемы, способной стабильно и надёжно функционировать в реальных условиях на протяжении длительного времени. По мере увеличения масштаба системы, удлинения срока её эксплуатации и постепенного превращения систем накопления энергии в стандартную конфигурацию критерии оценки решений на уровне модулей смещаются от вопроса «существует ли данная функция» к вопросу «обеспечивает ли она долгосрочную управляемость и устойчивую отдачу».

По мере увеличения масштаба электростанций и удлинения их эксплуатационных циклов мониторинг на уровне модулей, управление и оптимизация эволюционируют от «дополнительных функций» в «базовые возможности». На этом фоне решение AndSolar для интеллектуальной оптимизации, обладающее превосходными характеристиками безопасности и связи, обеспечивает централизованное управление через специализированный шлюз (каждый шлюз связи способен подключать до 600 модулей), предлагая более надёжное решение для распределённых систем.

Если вы планируете новый проект распределённой фотоэлектрической станции или рассматриваете возможность модернизации существующей электростанции, свяжитесь с AndSolar, чтобы узнать больше о наших решениях!