Що буде, якщо струм панелей вищий за ліміт MPPT інвертора

Коли стрінг панелей здатен віддати більший струм, ніж розрахований вхід MPPT інвертора, інвертор його просто не бере. Трекер зсуває робочу точку стрінга вгору по вольт-амперній характеристиці (ВАХ) панелі: напруга росте, струм падає до номіналу входу, і стрінг віддає трохи менше потужності, ніж міг би. Нічого не перегрівається, нічого не пошкоджується, а панелі працюють точно так, як описує крива в їхньому паспорті.

Несподіване тут інше: скільки саме втрачається. Панель 720 Вт на комірках 210 мм (Impp 17,4 А) на вході 16 А віддає приблизно на 3,4 % менше на самому піку ясного дня, але за рік у Києві чи Берліні це лише 0,3–0,4 % енергії, а в Мадриді близько 1 %, бо струм перевищує 16 А тільки в найяскравіші години. Єдина схема, яка справді болить, — два стрінги, з'єднані на один вхід: мінус 20–28 % річної енергії і перевищений ліміт струму короткого замикання.

Останнє важливо, бо в паспорті інвертора є два числа про струм, а не одне. Максимальний вхідний струм — це ліміт продуктивності: перевищите його, і трекер обмежить струм ціною виробітку. Максимальний струм короткого замикання — це ліміт захисту: струм аварії, який має витримати залізо входу. Далі в статті — ВАХ, цифри для реальних панелей та інверторів, погодинне моделювання для п'яти міст і відповідь, коли інший інвертор чи інша схема справді того варті.

Максимальний вхідний струм на MPPT — це найбільший струм, який DC-DC каскад за цим входом братиме під час стеження за точкою максимальної потужності. Він визначається розміром дроселя, ключовими транзисторами й охолодженням каскаду. Понад нього інвертор не бере більше — він переміщує робочу точку, поки струм не вкладеться в ліміт.

Максимальний струм короткого замикання на MPPT — інша річ: струм, на який розраховані проводка входу, DC-вимикач і захист на випадок замикання стрінга за найгарячішої комірки. IEC 62548-1:2023 підбирає захист за струмом короткого замикання стрінга з поправкою на температуру, а виробники знімають гарантію, якщо Isc стрінга перевищує цей номінал. Ось як два числа виглядають у побутових інверторах 6 кВт з каталогу Solar Stack:

16 А — найпоширеніший номінал входу в каталозі: його мають 227 із 1 645 мережевих і гібридних інверторів, далі йдуть 20 А (198 моделей) і 18 А (126). Більшість побутових платформ проєктували під панелі на комірках 182 мм, у яких Isc близько 14 А. Панелі на комірках 210 мм із струмом короткого замикання 18–19 А з'явилися пізніше — тому невідповідність, про яку ця стаття, стала такою частою.

Сонячна панель — це джерело струму аж до «коліна» кривої. Від нуля до приблизно 35 В панель Trina 720 Вт на графіку нижче віддає майже повний струм короткого замикання, 18,5 А, за будь-якої напруги, на якій її тримають. За коліном струм обвалюється до нуля при напрузі холостого ходу 49,4 В. Потужність — це напруга, помножена на струм, тож її пік одразу за коліном: точка максимальної потужності (MPP) лежить на 41,3 В і 17,44 А, що дає 720 Вт за стандартних умов випробувань.

Напругу, на якій працює стрінг, задає DC-DC каскад інвертора; панель відповідає тим струмом, який дозволяє її крива при цій напрузі. У звичайному режимі алгоритм MPPT рухає напругу, доки не знайде вершину кривої потужності. Коли активний ліміт входу 16 А, контролер піднімає напругу далі, поки струм не впаде до 16 А — у цієї панелі це 43,5 В — і тримає стрінг там. Ось і весь механізм: інвертор не може «витягнути» 17,4 А, тому переходить у точку кривої, де панель сама пропонує 16 А.

Крива за коліном така крута, що зменшення струму на 8 % коштує лише 3,4 % потужності: приріст напруги повертає більшу частину. Якби інвертор мусив зрізати струм на пологій ділянці кривої, втрата була б пропорційною, але трекер там ніколи не працює. Саме тому обмеження струму обходиться набагато дешевше, ніж підказують голі ампери, і попередження в паспорті «струм буде обмежено» — зовсім не та катастрофа, якою звучить.

Звідси два наслідки. По-перше, стрінг втрачає енергію лише в ті години, коли його Impp справді перевищує номінал: для панелі на 17,4 А на вході 16 А це освітленість понад приблизно 920 Вт/м² на площині панелі. По-друге, що більше струм перевищує номінал, то вище по кривій доводиться підніматися трекеру, і втрати зростають значно швидше за лінійно: перевищення на 10 % коштує близько 3 %, на 35 % — близько 18 % на піку.

Та сама панель, один стрінг, на входах 16 А, 18 А та 20 А за умов, які дах бачить насправді. STC — паспортна точка; спекотний полудень — 1000 Вт/м² з коміркою 55 °C; рядок «край хмари» — короткий сплеск 1200 Вт/м², коли сонце відбивається від краю хмари, комірка ще 50 °C, бо сплеск триває секунди. Потужність на одну панель; для стрінга помножте на кількість панелей послідовно.

Читаємо таблицю: при 900 Вт/м² струм панелі 15,7 А, і жоден вхід нічого не обмежує. Спека майже не змінює картину, бо температурний коефіцієнт струму +0,04 %/°C крихітний, а коефіцієнт напруги −0,24 %/°C — ні: гаряча панель має майже той самий струм і значно меншу напругу, тож її потужність у MPP нижча, а обмежена частка лишається близько 3 %. Край хмари — там, де вхід 16 А втрачає найбільше, 15 %, але таких сплесків набирається кілька годин на рік.

У стрінгу з шести панелей: 4 320 Вт у MPP за STC і 4 173 Вт на вході 16 А. Напруга на панель росте з 41,3 В до 43,5 В, тож напруга стрінга, яку показує інвертор, піднімається з 248 В до 261 В, а струм стоїть рівно на 16,0 А. Рівний струм із ростом напруги в ясний полудень — саме так обмеження струму впізнають у даних моніторингу.

Це один стрінг із шести панелей 720 Вт на одному вході 16 А в Києві 1 травня 2023 року — день того року з найбільшою втратою від ліміту струму. Дані — супутникова освітленість PVGIS SARAH3 на південній площині з нахилом 35° і температура повітря ERA5, погодинно: 1 067 Вт/м² і 13 °C повітря о 13:00, комірка 44 °C. Прохолодний весняний день із дуже чистим небом дає найвищий струм панелі за рік — вищий, ніж спекотний липневий полудень.

Втрачена смужка — 0,85 кВт·год із 34,3 кВт·год, 2,5 % дня, а трекер обмежує струм три години навколо полудня. Усі інші години стрінг сидить у своїй MPP так, ніби ліміту немає. У липні повітря на 15 °C тепліше, напруга нижча, а піковий струм не вищий, тож смужка ще тонша; взимку її не буває взагалі.

У цьому графіку ховається ще одне. Якщо ваш коефіцієнт DC/AC високий, інвертор і так зрізав би частину цього полуденного піку на виході AC, тож енергія, яку забирає ліміт струму, — почасти та, яку ви вже списали. Дві втрати перекриваються, а не додаються, і на перевантаженому масиві ліміт струму обходиться ще дешевше.

Та сама модель, прогнана через усі 8 760 годин 2023 року для однієї панелі 720 Вт, орієнтованої на південь під 35°, у п'яти містах. Для кожної години обчислено ВАХ, її точку максимальної потужності та точку обмеження струму, а результати просумовано. Стовпчик виробітку — це DC-енергія в MPP до втрат на забруднення, кабелі та інвертор; важливі саме відсотки.

В Україні та Центральній Європі вхід 16 А коштує панелі 720 Вт 3–5 кВт·год на рік, 0,3–0,4 % її виробітку. Система з 12 панелей на 8,6 кВт у Києві втрачає близько 38 кВт·год на рік — приблизно 165 грн за тарифом 4,32 грн/кВт·год; в Одесі, з 347 обмеженими годинами, — 54 кВт·год і близько 230 грн. У Мадриді, з 644 обмеженими годинами, втрата сягає 1 % і 174 кВт·год для тієї ж системи. Ніде вона й близько не дотягує до різниці в ціні між двома інверторами.

Вхід 18 А прибирає втрату майже повністю — до кількох десятків ват-годин на рік у Києві та 0,09 % у Мадриді, а вхід 20 А прибирає її зовсім, бо 20 А вище за струм панелі навіть під небом 1 100 Вт/м². Наступний розділ зводить це порівняння в одну таблицю.

Візьмемо 12 панелей Trina Solar Vertex N 720 Вт як два стрінги по шість, по одному стрінгу на вхід MPPT, на даху в Києві (від −25 °C до +35 °C). Три стовпчики — три номінали входу, які трапляються в реальних інверторах 6 кВт; моделі — приклади кожного номіналу, і бренд у цифрах ролі не грає. Пікова потужність — для одного стрінга за STC, рядок спекотного полудня — 1000 Вт/м² з коміркою 55 °C, а рядки енергії — моделювання 2023 року для одного стрінга.

Інвертор на 16 А віддає 19 кВт·год на стрінг, 38 кВт·год на всю систему — близько 165 грн на рік. Різниця в ціні між моделями на 16 А та 20 А — тисячі гривень, тож купувати інший інвертор заради 0,34 % не окупиться ніколи. Обирайте інвертор за тим, що вирішує проєкт: фази, порт батареї, кількість входів MPPT, гарантія та ціна. А попередження калькулятора сприймайте як те, чим воно є, — примітку про виробіток, а не несправність.

Порівняння змінюється, коли невідповідність велика. Та сама панель на 17,4 А на вході 13 А — наприклад, Deye SUN-6K-SG04LP1-EU — втрачає 3,5 % на рік у Києві та 6,4 % у Мадриді: 30 кВт·год на стрінг, усе ще не драма, але вже помітно в рахунку. І ця пара не проходить перевірку безпеки, бо гарячий струм короткого замикання стрінга 18,8 А перевищує номінал цього входу 17 А. Тут відповідь — інший інвертор або інша панель, що б не казала арифметика виробітку.

Спокуслива схема: другий вхід MPPT зайнятий іншим схилом даху, тож два стрінги по шість заводять у перший вхід через Y-конектор. У паралелі струми додаються: 2 × 17,44 А = 34,9 А проти номіналу 16 А. Тепер трекер мусить піднімати напругу, доки кожен стрінг не віддасть 8 А, а це в цієї панелі 47,5 В — майже холостий хід. Пара видає 380 Вт на панель замість 720 Вт: мінус 47 % опівдні.

Оскільки ліміт тепер спрацьовує вже при половинній освітленості, приблизно 460 Вт/м², втрата перестає бути лише полуденною і розтягується майже на весь день. За рік:

І перевірку безпеки така схема не проходить узагалі. Струм короткого замикання стрінга при гарячій комірці — 18,8 А, тож два стрінги дають 37,6 А на вході, розрахованому на 24 А. Калькулятор позначає таку пару як несумісну, а інструкція інвертора знімає за неї гарантію. До того ж IEC 62548 вимагає запобіжник у кожному стрінгу, щойно стрінги з'єднано паралельно, бо замкнений стрінг може живитися від сусіднього. Якщо стрінгів більше, ніж входів, вихід — інвертор із більшою кількістю входів, вхід, розрахований на два стрінги (26–32 А в багатьох гібридів Deye), або довші стрінги й менша їх кількість.

Те саме моделювання для трьох класів панелей, які сьогодні є в продажу, проти номіналів входу, що трапляються в побутових інверторах. У комірках — річна втрата у відсотках енергії панелі, спершу Київ, потім Мадрид. 12,5 А — це серія Huawei SUN2000 L1, 13 А — Deye SG04LP1-EU, 16 А — найпоширеніший номінал, 18 А та 20 А — новіші платформи Deye і GoodWe.

Кожна пара, яку реально купує власник будинку, втрачає менше ніж 1,5 % на рік навіть у Мадриді, поки струм панелі в межах приблизно 10 % від номіналу. Панель 460 Вт втрачає трохи більше за 600 Вт на тому самому вході, бо її коліно лежить на нижчій напрузі, і той самий зрізаний ампер — більша частка її потужності. Панель 720 Вт на вході 12,5 А чи 13 А — комбінація, якої варто уникати: 3,5–4,5 % на рік у Києві, 6–8 % у Мадриді, і в обох випадках номінал струму КЗ (17–18 А) нижчий за гарячий Isc панелі 18,8 А, тож калькулятор відхиляє її з міркувань безпеки ще до розмови про виробіток.

Практичний спосіб читати таблицю: підбирайте клас панелі під покоління інвертора. Панелі 182 мм (Isc близько 14,5 А) без жодних втрат стають на будь-який вхід від 16 А і з часткою відсотка втрат — на вхід 13 А. Панелям 210 мм (Isc 18,5 А) потрібен вхід від 18 А і номінал струму КЗ щонайменше 20 А.

Калькулятор Solar Stack проганяє обидві перевірки струму для будь-якої панелі та інвертора з каталогу. Він бере струм короткого замикання панелі, піднімає його до найгарячішої температури комірки вашої локації (максимум повітря плюс приріст за NOCT) із власним температурним коефіцієнтом панелі, множить на кількість стрінгів на найзавантаженішому вході й порівнює результат з обома номіналами цього входу.

Понад номінал вхідного струму ви отримуєте попередження «Ліміт вхідного струму»: це та втрата, яку ця стаття порахувала, — 0,3–1 % на рік при невідповідності 10 %. Понад номінал струму КЗ — відмову «Захист від короткого замикання», і вона не обговорюється: змініть схему так, щоб кожен стрінг мав свій вхід, візьміть панель із меншим Isc або інвертор, розрахований на такий струм. Ніколи не відповідайте на відмову запобіжником. Стрінговий запобіжник захищає кабелі від зворотного струму, а не змінює те, що витримує вхідний каскад.

Якщо інвертор ви ще обираєте, підбір фільтрує каталог за вхідним струмом, тож стрінг із панелей 210 мм може починати з моделей на 18 А і вище. А якщо інвертор на 16 А у вас уже є, ця стаття — ваша відповідь: підключіть по одному стрінгу на вхід і отримуйте 99,6 % того, що дала б модель на 20 А.

1. «Інвертор згорить, якщо панелі дадуть більший струм за його номінал».

   Не згорить. Номінал вхідного струму — це струм, який трекер сам вирішує брати; інвертор обмежує його, зсуваючи робочу точку, а не поглинаючи перевантаження. Єдиний жорсткий апаратний ліміт — номінал струму короткого замикання, і саме з ним порівнює перевірка безпеки.

2. «Тримати панелі вище MPP — шкодити їм».

   Кожна точка ВАХ — нормальний робочий режим панелі; розімкнена панель цілий день сидить на Voc без жодної шкоди. Трохи менше відібраної потужності лишає в панелі кілька зайвих ватів тепла, частку градуса — ніщо поруч із 30 °C, які додає сонце.

3. «Це те саме, що кліпінг інвертора».

   Споріднене, але інше. AC-кліпінг обмежує вихід інвертора його номінальною потужністю змінного струму; ліміт струму обмежує один DC-вхід його номінальним струмом. Обидва зрізають полуденний пік і перекриваються: на перевантаженому масиві частину втрати від ліміту струму інвертор і так зрізав би на стороні AC.

4. «Y-конектор вирішує брак входів MPPT».

   Він подвоює струм на вході, який живить. На вході 16 А це коштує 20–28 % річної енергії і перевищує номінал струму КЗ; таке витримують лише входи, розраховані на два стрінги (від 26 А), і тоді кожному стрінгу потрібен свій запобіжник.

5. «Більше панелей у стрінгу — більший струм».

   Панелі послідовно мають один струм і додають напруги. Десять панелей чи дванадцять — струм стрінга дорівнює струму однієї панелі; довший стрінг змінює напругу в мороз, а це вже інша перевірка.