Проєктування конфігурації інвертора для інтеграції сонячної генерації на промисловому підприємстві

Abstract

У вступі роботи окреслено актуальність дослідження: в умовах зростаючого енергетичного дефіциту, частих аварій енергосистем та цілеспрямованих атак на енергетичну інфраструктуру України, питання впровадження відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) набуває особливої значущості. Зокрема, інтеграція сонячних електростанцій (СЕС) у промислову енергетику розглядається як ефективний інструмент забезпечення енергетичної автономії підприємств. У першому розділі проведено комплексний аналіз сучасного стану промислового енергоспоживання, виявлено основні проблеми традиційних систем електропостачання: нерівномірність навантаження, високі пікові потужності та відсутність енергоефективних стратегій. Наведено статистичні дані по Україні та світу, розкрито концепцію децентралізованої генерації. Показано ефективність використання СЕС на дахах промислових об'єктів, наведено приклади реалізованих проєктів. Обґрунтовано потребу у використанні високотехнологічного інверторного обладнання. У другому розділі представлено технічне проєктування інверторної системи на базі 216 сонячних панелей Trina Solar Vertex S по 585 Вт (загальна потужність 126,36 кВт DC) та мережевого інвертора Huawei SUN2000-100KTL-M1. Детально обґрунтовано вибір конфігурації (10 MPPT, 20 стрінгів), кабельних перерізів, захисних пристроїв (SPD, автоматика DC/AC), моніторингових засобів (SmartLogger, Smart Power Sensor). Розглянуто взаємодію системи з мережею підприємства та забезпечення електробезпеки згідно з українськими та міжнародними стандартами. У третьому розділі проведено імітаційне моделювання в середовищі MATLAB Simulink: побудовано цифрову модель, яка дозволила оцінити поведінку системи в динаміці — при пікових навантаженнях, аварійних ситуаціях, мінімальному споживанні. Проаналізовано стабільність роботи інвертора, ефективність MPPT, реакцію на короткочасні просідання напруги. Енергетичний ефект — понад 136 000 кВт·год/рік генерації. Економічна оцінка свідчить про швидкий термін окупності ~3 роки при тарифі 5 грн/кВт·год, що робить проєкт високорентабельним і адаптивним. У четвертому розділі розглянуто економічну доцільність впровадження. Визначено річну генерацію з урахуванням регіональної інсоляції (?136 128 кВт·год/рік), враховано всі основні втрати: на інверторі, у кабелях, при затіненні, через температурні фактори. Підраховано питомі втрати системи (~20%) та зважений ККД. Визначено, що проєктна СЕС може щорічно економити до 680 000 грн, що дозволяє повернути вкладення вже через 3,1 року. Обговорено також альтернативні сценарії: продаж надлишкової енергії за "зеленим тарифом", підключення акумуляторів, застосування енергоменеджменту. У п’ятому розділі описано правові та технічні аспекти, а саме етапи монтажу, введення в експлуатацію та обслуговування. Розглянуто передпроєктну підготовку (оцінка даху, закупівля обладнання, перевірка сертифікації), монтаж кріплень, панелей, прокладку кабелів, встановлення інвертора, введення в експлуатацію з налаштуванням SmartLogger та перевіркою системи заземлення. Зазначено регулярні регламенти обслуговування, гарантійні умови (Huawei — 10 років, Trina — до 25 років), наведено перелік заходів із захисту від перенапруг та перегріву. Наголошено на важливості системного моніторингу для збереження ефективності. Об’єкт дослідження – дахова фотоелектрична система потужністю 100 кВт для промислового підприємства. Предмет дослідження – інверторна система з багатоканальним MPPT, орієнтована на підвищену ефективність, надійність та інтеграцію до локальної мережі. Мета роботи – розробити технічно оптимальну, економічно вигідну та енергоефективну інверторну систему на базі Huawei SUN2000-100KTL-M1 з максимальною генерацією в умовах промислової експлуатації.

The introduction outlines the relevance of the study: in the context of increasing energy shortages, frequent grid failures, and deliberate attacks on Ukraine’s energy infrastructure, the implementation of renewable energy sources (RES) is of particular importance. Specifically, the integration of photovoltaic power plants (PV systems) into industrial energy supply is considered an effective tool for ensuring the energy autonomy of enterprises. Chapter one presents a comprehensive analysis of the current state of industrial energy consumption, identifying key issues of traditional power supply systems: load imbalance, high peak demands, and lack of energy efficiency strategies. Statistical data for Ukraine and globally is provided, along with the concept of decentralized generation. The effectiveness of rooftop PV systems for industrial facilities is demonstrated with real-world examples. The necessity of using advanced inverter technology is substantiated. Chapter two presents the technical design of the inverter system based on 216 Trina Solar Vertex S panels rated at 585 W each (total 126.36 kW DC) and the Huawei SUN2000-100KTL-M1 grid-tied inverter. The configuration (10 MPPTs, 24 strings), cable sizing, protective devices (SPD, DC/AC protection), and monitoring components (SmartLogger, Smart Power Sensor) are thoroughly justified. The system’s interaction with the enterprise’s grid and electrical safety measures according to Ukrainian and international standards are discussed. Chapter three describes simulation modeling conducted in MATLAB Simulink. A digital model was created to assess system behavior under dynamic conditions — peak load, emergency modes, and minimum demand. The simulation confirmed inverter stability, MPPT efficiency, and response to voltage dips. The expected annual energy output exceeds 136,000 kWh. Economic evaluation shows a payback period of approximately 3 years at a rate of 5 UAH/kWh, making the project both profitable and adaptive. Chapter four evaluates the economic feasibility of implementation. Annual output is estimated at ~136,128 kWh, accounting for regional solar irradiation and system losses (inverter, cabling, shading, temperature). Specific system losses (~20%) and weighted efficiency are calculated. The PV system is projected to save up to UAH 680,000 annually, achieving payback within 3.1 years. Alternative scenarios are considered: selling surplus energy via feed-in tariff, adding batteries, and implementing energy management strategies. Chapter five outlines the legal and technical aspects of installation, commissioning, and maintenance. The pre-installation stage (roof assessment, equipment procurement, certification) is discussed, followed by mounting, cabling, inverter setup, SmartLogger configuration, and grounding system verification. Regular maintenance protocols, warranty conditions (Huawei – 10 years, Trina – up to 25 years), surge and thermal protection measures are described. The importance of continuous system monitoring to maintain efficiency is emphasized. Object of the study: 100 kW rooftop photovoltaic system for an industrial facility. Subject of the study: inverter system with multi-channel MPPT, focused on enhanced efficiency, reliability, and local grid integration. Objective: to develop a technically optimal, economically viable, and energy-efficient inverter system based on the Huawei SUN2000-100KTL-M1, ensuring maximum generation under industrial conditions.