Aby zrealizować hybrydowy system wytwarzania energii (np. do produkcji energii na potrzeby własne), konieczne jest zastosowanie przetwornicy umożliwiającej integrację różnych źródeł wytwórczych oraz banku magazynującego energię. Przetwornica wyposażona jest w elektronikę sterującą przepływem energii od źródeł do odbiorników i od źródeł do banku energii oraz ewentualnie od źródeł do sieci elektroenergetycznej z uwzględnieniem zaprogramowanych priorytetów.

Zgodnie z uproszczoną definicją – hybrydowy system elektroenergetyczny wykorzystuje więcej niż jedno źródło energii elektrycznej (rzadziej ciepła) o charakterze lokalnym. Źródłem takim może być zarówno generator, np. turbina wiatrowa lub panel fotowoltaiczny, jak i lokalny magazyn energii, np. akumulator. System hybrydowy może być związany z siecią lub od niej niezależny, zwykle jednak oczekuje się, że zapewni zasilanie bezprzerwowe dla wydzielonej linii elektrycznej. Biorąc pod uwagę niestabilny charakter większości źródeł odnawialnych, zapewnienie nawet częściowej autonomii wymaga zastosowania bufora w postaci magazynu energii (najczęściej akumulatorów). Niewątpliwą przewagą systemów hybrydowych nad systemami jednoźródłowymi jest lepsze dopasowanie chwilowej mocy źródła do chwilowej mocy obciążenia.

Rys. 1. Przykładowa konfiguracja hybrydowego systemu zasilania

Hybrydowy system fotowoltaiczny

Roz patrując prosty przypadek systemu hybrydowego z dwoma źródłami lokalnymi – generator fotowoltaiczny wraz z baterią akumulatorów: system taki w letni dzień produkuje określoną ilość energii w ciągu doby, jednak cała produkcja przypada między godziną 6:00 a 19:00, w tym 50% między 10:00 a 14:00. Dzięki możliwości magazynowania energii w akumulatorach, system taki może zasilać określone odbiorniki również poza tymi godzinami. Jednocześnie jest w stanie kompensować chwilowe niedobory mocy powstałe wskutek okresowego zachmurzenia lub krótkotrwałego załączenia odbiorników o znacznych mocach (np. grzałek). System hybrydowy ma zatem możliwość zwiększenia lokalnej konsumpcji wyprodukowanej w generatorze fotowoltaicznym energii do poziomu znacznie wyższego niż systemy pozbawione własnego banku energii. Ponadto możliwość integrowania wielu różnych generatorów np. fotowoltaicznego i wiatrowego, w których moc chwilowa zależy od innych czynników, pozwala ograniczyć rolę baterii akumulatorów do pracy buforowej, tym samym wydłużyć okres ich eksploatacji.

Rys. 2. Sterowanie przepływem energii (SmartBoost)

Przetwornice w systemach hybrydowych

Aby zrealizować system hybrydowy, konieczne jest zastosowanie przetwornicy umożliwiającej integrację różnych źródeł wytwórczych oraz banku magazynującego energię. Urządzenie takie wyposażone jest w elektronikę sterującą przepływem energii od źródeł do odbiorników i od źródeł do banku energii oraz ewentualnie od źródeł do sieci elektroenergetycznej z uwzględnieniem zaprogramowanych priorytetów. Jeśli system ma odpowiadać na potrzebę zwiększenia lokalnej konsumpcji, priorytetem jest zasilanie lokalnych odbiorników bezpośrednio ze źródła wytwórczego, w dalszej kolejności doładowywanie banku energii i dopiero w sytuacji, kiedy nadwyżki energii miałyby być zmarnowane – oddawanie ich do sieci. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy schemat systemu hybrydowego integrującego wiele źródeł poprzez przetwornicę, nazywaną falownikiem wyspowym. Po stronie wyjściowej (AC) falownika wyspowego znajduje się linia zasilana bezprzerwowo z baterii akumulatorów, do której przyłączono dodatkowe źródła poprzez falowniki sieciowe. Po stronie DC falownika wyspowego znajdują się dodatkowe generatory, które doładowują bank energii (akumulatory) oraz umożliwiają zasilanie dodatkowych odbiorów DC. System w tej konfiguracji umożliwia magazynowanie nadwyżek powstałych zarówno po stronie AC, jak i DC. Falownik wyspowy podtrzymuje zasilenie (sygnał) na swoim wyjściu w przypadku zaniku napięcia w sieci, tym samym dodatkowe źródła AC nadal mogą pracować w obrębie wydzielonej linii AC. W szczególnym przypadku falowniki sieciowe nadal mogą oddawać nadwyżki energii do sieci elektroenergetycznej poprzez zamkniętą szynę transferową falownika wyspowego.

Rys. 3. Przetwornica wyspowa Studer serii XTH

System zarządzania przepływem energii

Producenci przetwornic do systemów hybrydowych intensywnie rozwijają możliwości transferowania energii pomiędzy interfejsami AC (wejście) – DC – AC (wyjście). Podstawowym zadaniem falownika wyspowego jest maksymalne wykorzystanie lokalnych źródeł, których chwilowa moc może ulegać istotnym wahaniom w czasie (np. zależnie od nasłonecznienia). Przetwornice umożliwiające integrację systemu hybrydowego z siecią elektroenergetyczną muszą zatem dysponować algorytmem płynnie dostosowującym natężenie prądu płynącego z sieci do odbiorników w stosunku do maksymalnego prądu mogącego płynąć z lokalnych źródeł. Przykładem implementacji takiego rozwiązania mogą być przetwornice serii XT szwajcarskiej firmy Studer Innotec, wykorzystujące algorytm SmartBoost. Udział energii płynącej do odbiorników z lokalnego źródła (np. generatora fotowoltaicznego) zależy od stanu naładowania baterii akumulatorów (funkcja napięcia). Przy odpowiednim poziomie zmagazynowanej energii algorytm ogranicza prąd z sieci na rzecz prądu z lokalnego źródła. Idea działania algorytmu została przedstawiona na rysunku 2.
Przetwornice Studer umożliwiają również integrację źródeł po stronie wyjściowej AC (linia podtrzymywanego zasilania). Zgodnie z rysunkiem 1 energia płynie w pierwszej kolejności do odbiorników AC, a nadwyżki doładowują akumulator poprzez układ prostowniczy wbudowany w falownik wyspowy.
Jeśli instalacja pracuje autonomicznie (brak sieci elektroenergetycznej), moc źródła AC przyłączonego poprzez falownik sieciowy jest regulowana przez przetwornicę wyspową generującą sygnał o wyższej częstotliwości (>50 Hz), aż do całkowitego odcięcia falownika sieciowego wskutek zadziałania zabezpieczenia nadczęstotliwościowego. Chroni to baterię akumulatorów przed przeładowaniem i umożliwia dynamiczną zmianę obciążenia po stronie wyjściowej AC.

mgr inż. Szymon Witoszek
Autor jest kierownikiem
działu fotowoltaiki
w firmie Emiter Net