Falownik grid-forming sam tworzy lokalne napięcie i częstotliwość, a falownik grid-following synchronizuje się z już działającą siecią. W domu funkcja grid-forming ma największe znaczenie przy współpracy fotowoltaiki z magazynem energii: po odłączeniu od sieci publicznej może zasilać wybrane obwody w trybie wyspowym, ale nie oznacza automatycznego stabilizowania sieci operatora.
Czym jest falownik grid-following?
Falownik grid-following działa jak urządzenie podążające za istniejącą siecią. Najpierw rozpoznaje jej napięcie i częstotliwość, a następnie dostosowuje do nich oddawanie energii. Nie tworzy samodzielnie podstawowego przebiegu prądu przemiennego, lecz korzysta z referencji zapewnianej przez źródła synchroniczne albo inny falownik ustanawiający lokalną sieć.
Przykładową częstotliwością referencyjną dla sieci USA jest 60 Hz. W takim układzie falownik grid-following śledzi istniejącą wartość i reaguje na jej zmiany. Sama liczba 60 Hz nie opisuje parametrów polskiej sieci dystrybucyjnej; pokazuje jedynie zasadę, w której urządzenie korzysta z gotowego wzorca napięcia i częstotliwości.
W instalacji PV pracującej równolegle z siecią publiczną falownik grid-following korzysta z referencji dostarczanej przez sieć. Gdy jednak sieć znika, falownik grid-following traci niezbędną referencję. Dlatego samodzielny falownik tego typu nie powinien zasilać domu podczas awarii w trybie równoległym z siecią pozbawioną napięcia lub zakłóconą.
Jak działa falownik grid-forming?
Falownik grid-forming może sam ustanawiać i utrzymywać napięcie oraz częstotliwość. Tworzy więc podstawę synchronicznego systemu prądu przemiennego, do której mogą dostosować się inne urządzenia. W lokalnej mikrosieci jeden falownik pełni funkcję nadrzędną, a pozostałe falowniki mogą pracować jako grid-following.
Takie rozwiązanie ma znaczenie szczególnie wtedy, gdy lokalny system nie korzysta z generatora synchronicznego. Opracowanie NREL z 2020 roku opisuje mikrosieci o mocy mniejszej niż 10 MW, w których falowniki grid-forming mogą pełnić rolę urządzeń ustanawiających parametry sieci. Dla domowej instalacji nie oznacza to konieczności budowania systemu o takiej mocy, lecz pokazuje skalowalność samej funkcji.
| Parametr | Wartość | Znaczenie dla instalacji PV |
|---|---|---|
| Częstotliwość referencyjna przykładowa dla sieci USA | 60 Hz | Grid-following korzysta z istniejącej referencji; grid-forming może ją ustanawiać lokalnie. |
| Typowa moc mikrosieci bez generatorów synchronicznych opisanej przez NREL | mniej niż 10 MW | Pokazuje skalę, w której falowniki grid-forming są już stosowane jako urządzenia nadrzędne mikrosieci. |
| Przykładowy próg zadziałania automatyki odciążającej UFLS w analizowanym przypadku | 59,5 Hz | Ilustruje, dlaczego szybka reakcja na zmianę częstotliwości jest istotna dla stabilności systemu. |
| Udział chwilowy źródeł opartych na falownikach rozważany w scenariuszu NREL | 100% | Przy takim poziomie system potrzebuje rozwiązań, które nie opierają się wyłącznie na generatorach synchronicznych. |
Wartości pochodzą z opracowania NREL z 2020 roku; 60 Hz dotyczy przykładu systemu USA, a 59,5 Hz i 100% — opisanych scenariuszy analitycznych, nie parametrów polskiej sieci.
Grid forming fotowoltaika a duży udział OZE
Wzrost udziału energii słonecznej i wiatrowej zmienia sposób utrzymywania stabilności systemu. Źródła te nie korzystają bezpośrednio z konwencjonalnych generatorów synchronicznych, więc naturalna bezwładność systemu może być mniejsza. W opracowaniu NREL analizowano nawet chwilowy udział 100% źródeł opartych na falownikach.
W takim scenariuszu falowniki grid-forming mogą przejąć aktywniejszą rolę: nie tylko oddawać energię zgodnie z cudzą referencją, ale również pomagać w tworzeniu warunków pracy sieci. Nie należy jednak przenosić tego wniosku bezpośrednio na każdą domową instalację. Funkcja grid forming fotowoltaika oznacza konkretną zdolność sterownika, a nie ogólną cechę każdej instalacji z panelami.
Znaczenie ma także architektura całego układu: źródło energii, magazyn, aparatura przełączająca, obwody awaryjne oraz sposób sterowania. Sama obecność paneli PV nie sprawia, że domowy falownik może ustanowić stabilną lokalną sieć.
Falownik hybrydowy i magazyn energii w domu
W praktyce domowej funkcja grid-forming najczęściej pojawia się w połączeniu, które tworzą falownik hybrydowy i magazyn energii. Podczas normalnej pracy instalacja może współpracować z siecią publiczną. Po jej zaniku układ przełączający odłącza obwody awaryjne od sieci, a odpowiedni falownik ustanawia lokalną referencję napięcia i częstotliwości, a magazyn dostarcza energię wtedy, gdy bieżąca produkcja PV jest niewystarczająca.
Układ przełączający musi uniemożliwić równoległą pracę instalacji domowej z pozbawioną napięcia albo zakłóconą siecią publiczną. Dopiero po bezpiecznym odłączeniu falownik grid-forming może stworzyć lokalną sieć dla wybranych obwodów.
Przykładowa częstotliwość referencyjna 60 Hz dotyczy systemu elektroenergetycznego w USA i nie jest parametrem polskiej instalacji domowej.
Przy planowaniu warto rozpatrywać nie tylko moc paneli, lecz także sposób połączenia magazynu, obciążenia awaryjne i współpracę urządzeń. Informacje o tym, jak PV wpływa na domową instalację, uzupełnia materiał fotowoltaika a instalacja elektryczna w domu.
Projektowanie, montaż i uruchamianie układu wyspowego należy powierzyć uprawnionemu instalatorowi; instalacja musi zapewniać bezpieczne odłączenie od sieci publicznej i ochronę przed podaniem napięcia na jej odłączony fragment.
Czy grid-forming stabilizuje sieć publiczną?
Nie należy utożsamiać awaryjnego zasilania domu ze wsparciem sieci publicznej. Praca wyspowa polega na fizycznym odłączeniu instalacji od sieci operatora i zasilaniu lokalnych obwodów. Falownik ustanawia wtedy referencję dla własnej mikrosieci, a nie dla odłączonego fragmentu infrastruktury publicznej.
W analizowanym przez NREL przypadku próg automatyki odciążającej UFLS wynosił 59,5 Hz. Ta wartość ilustruje, jak szybka reakcja na zmianę częstotliwości może mieć znaczenie dla stabilności systemu, ale nie jest parametrem polskiej sieci ani domowego falownika. Funkcje wspierające napięcie lub częstotliwość publicznej sieci wymagają zgodności z wymaganiami operatora, certyfikacji i odpowiedniego sterowania.
Dlatego określenie „grid-forming” trzeba czytać w kontekście konkretnego modelu i jego konfiguracji. Może oznaczać zdolność do utworzenia lokalnej sieci podczas zaniku zasilania, lecz nie stanowi samo w sobie zgody na świadczenie usług systemowych.
Najczęstsze pytania
Czy każdy falownik hybrydowy jest grid-forming?
Nie. Określenie „hybrydowy” informuje przede wszystkim o współpracy z magazynem energii i różnymi źródłami. O tym, czy urządzenie może utworzyć lokalną sieć podczas zaniku zasilania, decyduje konkretna funkcja grid-forming oraz komplet zabezpieczeń i aparatury przełączającej.
Czy falownik grid-following może pracować podczas awarii sieci?
Samodzielny falownik grid-following zwykle potrzebuje istniejącej referencji napięcia i częstotliwości, dlatego po zaniku sieci nie powinien zasilać domu w trybie równoległym. Do zasilania wyspowego potrzebny jest układ, w którym odpowiedni falownik grid-forming tworzy lokalną sieć.
Czy praca wyspowa oznacza stabilizowanie sieci publicznej?
Nie. Praca wyspowa polega na fizycznym odłączeniu instalacji domu od sieci publicznej i zasilaniu wybranych obwodów lokalnie. Wsparcie napięcia lub częstotliwości sieci publicznej wymaga zgodnej z wymaganiami operatora funkcji sieciowej, certyfikacji i odpowiedniego sterowania.
Czy do funkcji grid-forming potrzebny jest magazyn energii?
W domowej instalacji magazyn energii jest najczęściej kluczowym źródłem mocy podczas pracy wyspowej, ponieważ pozwala zasilać odbiorniki także wtedy, gdy chwilowa produkcja PV jest niewystarczająca. Sam napis „grid-forming” nie określa jednak pojemności ani mocy magazynu.
Źródła
- Inertia and the Power Grid: A Guide Without the Spin — National Renewable Energy Laboratory, 2020, NREL/TP-6A20-73856
