Одна батарея, три фази: проєктування мікрогріду Теплої Гори

Стаття про фотовольтаїку закінчувалась побажанням і питанням. Побажання — батарея на 60 кВт·год. Питання — якої потужності інвертор насправді потрібен такій будівлі, як Unity Hub. За літо з'явились обидві відповіді, і жодна не збігається з тим, чого ми чекали в березні.

Таблиця електричних навантажень будівлі дає близько 25,8 кВт, якщо ввімкнути все одночасно. Очевидне прочитання — трифазний гібридний інвертор на 25 кВт із високовольтною батареєю позаду: одна коробка, один кабель, готово. Натомість майданчик отримує групу з трьох однофазних інверторів по 8 кВт, разом 19,2 кВт, і батарею 48 В на приблизно 47 кВт·год. Ця стаття пояснює, чому саме менша цифра є правильною, що від цієї системи живиться і що відбувається, коли зникає мережа.

Ввід — це не інвертор

Перше, що треба розділити, — пік будівлі і роботу інвертора. Пік — це вимога до приєднання і до головного щита. Сауна, кухня подій, тепловий насос, ліфт, усе разом: цей струм надходить із мережі й проходить через головний розподільчий щит. Проходити через інвертор йому не потрібно.

Інвертор розраховують на інше: на те, що живиться від батареї щодня і під час блекауту. А це набагато менше навантаження. Домашня автоматика й сервери, освітлення, вентиляція, циркуляційні насоси, фанкойли, базові розетки. Якщо додати некритичну групу, яку ми вирішили залишити на острові (про це нижче), реалістична цифра становить 10–14 кВт. Інвертор на 25 кВт означав би платити за потужність, яку батарея змогла б забезпечувати лише близько двох годин.

Чому саме три блоки? Справа в тому, що трифазне приєднання працює не як один потужний канал, а як три окремі лінії приблизно по 10 кВт (близько 50 А на фазу). Внутрішні мережі будівлі розподілені по всіх трьох фазах, тому сонячна енергія має надходити на кожну з них. Встановлення однофазного інвертора лише на одну фазу позбавило б дві третини споживачів сонячної генерації. Саме тому система охоплює всі три фази — по блоку на кожну, хоча саме обладнання є суто однофазним. У проєкті немає жодного трифазного електроприладу. Три фази обумовлені специфікою підключення до мережі, а не потребами самого обладнання.

Зірка з одним центром

Архітектура — DC-центрична зірка. Кожен дах майданчика живить свій MPPT-контролер. Кожен контролер заряджає одну батарею 48 В. Одна група інверторів бере енергію з цієї батареї і формує острівну мережу змінного струму. Усе це розміщено в ТеплоХабі, технічній будівлі, яку цього року звели поруч із майстернею.

Схема мікрогріду, архітектура v4.3, липень 2026: дахи як джерела, електричне серце в ТеплоХабі, острівний підщит, ГРЩ з межею Обленерго і три режими роботи.

Ближні дахи, майстерня і ТеплоХаб, підключаються стрінгами близько 250 В — звідси й правило «не більше чотирьох панелей у стрінгу» зі статті про фотовольтаїку. Кожен tiny house, коли з'явиться, приведе в ТеплоХаб власний стрінг близько 400 В: вища напруга дозволяє подолати відстань, а DC-пара прокладається в одній траншеї з AC-лінією будиночка. Контролер на 450 В приймає вісім-дев'ять панелей у стрінг і вдвічі скорочує кількість кабельних пар. Порожній будиночок лише віддає енергію; заселений споживає зі спільного ресурсу без окремого обліку оплати, з моніторингом струму і зимовими правилами в автоматиці.

Заряджання відбувається за одну конверсію, з DC у DC, оминаючи інвертори. Саме тому потужність групи визначає споживання змінного струму, а не розмір сонячного поля. Більше панелей означає більше контролерів на тій самій шині, а не більший інвертор. Ріст із 20 до 30 кВт·пік нічого не змінює на стороні змінного струму.

Фізично: контролери, батарея, група інверторів, острівний підщит і ГРЩ розміщені в ТеплоХабі. Тепловий насос, його буфер і поверхові щити — в Unity Hub. Між будівлями йдуть дві силові лінії, основна і резервна, в одній траншеї з теплотрасою.

Що де працює

Енергосистема майданчика має дві смуги.

Острів — це те, що група інверторів формує на своєму першому виході. Там ядро Unity Hub: усе, що працює цілодобово. У липні ми перенесли туди й некритичну групу, назавжди: сауну близько 3 кВт, кухню подій з індукцією на 4–7 кВт і дві однофазні точки заряджання електромобілів по 7,4 кВт на різних фазах. Коли мережа є, ця група живиться транзитом через перекидне реле інверторів; конверсія покриває лише різницю, тож острівна проводка не змінює аргументу про 19,2 кВт. Коли мережі немає, групу не вимикає сама схема. Її поступово скидають за рівнем заряду, в межах того, що може дати острів.

Мережева смуга — це головний щит. До неї підключені тепловий насос узимку і майбутній ліфт, якщо його колись встановлять. Енергія для теплового насоса має три маршрути. У хмарний зимовий день він бере її з мережі напряму, оминаючи батарею. У сонячний зимовий день група інверторів віддає надлишок сонця в шину головного щита, і лічильник на межі бачить лише різницю. Це не розумна функція інвертора, це закон Кірхгофа на шині. Під час блекауту автоматичний ввід резерву в ГРЩ перемикає живлення теплового насоса на острів. Його компресор близько 3,4 кВт вкладається в потужність однієї фази; резервний електронагрівач на 3 кВт скидається.

Є дві причини тримати тепловий насос на мережевій смузі у звичайному режимі. Зимове тепло — це 20–60 кВт·год на день протягом двох-трьох місяців. Пропускати це через батарею означало б додати 10–15 % втрат на круговий цикл і від половини до повного циклу зносу батареї щодня, без жодної користі. Добовий зсув для опалення робить натомість теплова батарея: буфер на 300 л і маса CLT зі стяжкою. Друга причина — лінія, і вона заслуговує окремого розділу.

Чому не один гібрид на 25 кВт

Ми порівняли зірку з одним трифазним гібридом на 25 кВт і високовольтною батареєю. Це цілком виправдане рішення для іншої архітектури, тієї, де все живлення будівлі проходить через інвертор, — саме тому їй і потрібні 25 кВт.

Зірка виграє за чотирма пунктами. Батарея: банк на 48 В збирається з призматичних комірок приблизно вдвічі дешевше за кіловат-годину, ніж відповідна високовольтна стійка, і це та сама хімія, яка вже працює в House 001. Масштабування сонця: по контролеру на дах без обмежень проти двох трекерів у гібрида, тобто межі приблизно в чотири дахи. Відмова: один несправний блок у групі з трьох лише зменшує потужність; один несправний гібрид знеструмлює все. Інтеграція: шлюз групи обмінюється даними з сервером домашньої автоматики напряму, без хмари виробника в контурі.

Реальні переваги гібрида: вищий піковий ККД, безперебійне живлення на всю будівлю, одна коробка і дешевший інвертор у перерахунку на кіловат. Безперебійність на всю будівлю означає менше, ніж здається. Сорок сім кіловат-годин на пік 22 кВт — це близько двох годин. Разом з батареєю обидва варіанти вийшли приблизно в одну ціну після того, як у липні ми підняли блоки групи з 5 до 8 кВт. Рішення тримається на батареї, масштабуванні й режимі відмови, а не на ціні.

Саме збільшення потужності було рішенням бюджетним, а не технічним. Група інверторів — єдиний компонент системи, який не можна нарощувати малими кроками. Панелі, комірки й контролери можна додавати потім поступово, за ті гроші, які є. Групу — ні, тож її розрахували на майбутнє життя майданчика, з можливістю додати другу трійку пізніше.

Батарея

План — 47 кВт·год літій-залізо-фосфату на 48 В: наявна самозібрана батарея спільноти на 15 кВт·год плюс нова на 32 кВт·год із шістнадцяти призматичних комірок, зібрана на місці. Це та сама конструкція, що роками працює в House 001. Це менше за 60 кВт·год, про які мріяла стаття про фотовольтаїку, і цього достатньо, з причини, яку ми не одразу побачили.

Батарея не мусить забезпечувати зимове опалення. Це робить мережева смуга, а добовий зсув — теплова маса. Батарея живить острів уночі: ядро і те, що дозволяє логіка скидання. Сеанс сауни — близько 9 кВт·год, п'ята частина ємності. Чи працюватиме сауна зимового вечора під час блекауту — це питання про запас енергії в батареї, а не про те, чи сауна «критична». Саме тому ми залишили другий вихід інверторів невикористаним. Той вихід за задумом гасне в мить, коли зникає мережа. Наш критерій скидання — доступна енергія, з рівня заряду, сонця і прогнозу, і вихід, який не вміє сказати «мережі нема, але сонця повно, працюй далі», — не той інструмент. Літній блекаут на Теплій Горі має виглядати як звичайний літній день.

Два світи

Якість лінії вирішує більше, ніж інвертор.

З'ясувалося, що майданчик має два вводи, а не один: однофазну лінію на кафе і хостел і трифазну на майстерню. На папері трифазна лінія розрахована на 64 А, близько 44 кВт, більше за 30 кВт, які ми збираємось замовляти. На практиці заряджання одного електромобіля на 2,5 кВт просаджує напругу до 160 В при нормі 230 В плюс-мінус 10 %. Десь вище по лінії є близько 5 Ом імпедансу. Цифри на папері — не мідь у дротах.

Тому в проєкті є розвилка. У світі A оператор приводить лінію до норми, і це його нормативний обов'язок. Мережевий вхід групи інверторів активний, тепловий насос узимку працює від мережі, надлишок виходить назовні, і річний баланс чесний. У світі B лінія залишається проблемною. Тоді мережа працює на майданчику лише як зарядний пристрій для батареї: або через телеком-випрямлячі 48 В із широким вхідним вікном, за зразком House 001, або малим струмом через мережевий вхід групи з обмеженням. Тепловий насос тоді живиться з острова через ввід резерву, котел бере на себе більшу частку зими, а ціна — втрати на круговий цикл. Експорт у лінію з 5 Ом імпедансу марний в обох світах: напруга підіймається, інвертор відключається.

Острів в обох світах однаковий. Різняться лише кілька позицій у головному щиті. У якому світі ми живемо, вирішують два вимірювання, а не припущення: до якого вводу підключена точка заряджання і «сходинка навантаження» в першій доступній точці після опломбованого лічильника — напруга без навантаження проти напруги під відомими 2 кВт; різниця дає імпеданс лінії.

Скидання, байпас і ціна «завжди ввімкнено»

Скидання навантаження має два шари. Верхній — сервер домашньої автоматики з розкладами і прогнозом сонця. Під ним апаратний запобіжник, якому сервер не потрібен: реле у шлюзі групи інверторів, кероване рівнем заряду, працює тими самими контакторами і скидає опційні групи, коли банк падає нижче порога. Це закриває сценарій «блекаут плюс несправний сервер», у якому контактори, налаштовані на комфорт, непомітно розрядили б батарею. Точки заряджання електромобілів мають власну логіку використання сонячного надлишку і дотримуються її незалежно від наявності мережі.

Кожен tiny house отримує однаковий щиток: критична група напряму — холодильник, світло, роутер — і опційна група за нормально замкненим контактором під автоматикою. Дефіцит скидає опційні групи, а не будиночки цілком.

Головний щит також отримує ручний байпас, перемикач 1-0-2, який живить острівний підщит просто з мережевої шини при повністю ізольованій групі інверторів. Він потрібен для обслуговування: оновлення прошивки зупиняє всю групу на десять-двадцять хвилин, а в трифазній групі один несправний блок зупиняє всі три. Він же дозволяє будівлі працювати на байпасі ще до монтажу інверторів. Ввід резерву і байпас — різні пристрої з різною філософією, один автоматичний і по навантаженню, другий ручний і сервісний, і ми свідомо їх не об'єднували.

Режим «завжди ввімкнено» має свою ціну. Три блоки на холостому ходу споживають близько 29 Вт кожен, разом близько 87 Вт, тобто приблизно 0,76 МВт·год на рік, або близько 0,5 МВт·год у режимі сну групи. Це число звірене з даташитом і прийняте. Така ціна майданчика, який не знеструмлюється.

Що відкрито

Групу інверторів команда затвердила, але не купила; купівля, найімовірніше, у 2027 році. Модель шлюзу і режими відмови контакторів ще треба специфікувати. По батареї змін немає. Перші приблизно десять панелей, найімовірніше, стануть на новий металевий дах над майстернею і ТеплоХабом протягом кількох тижнів, і перший контролер отримає навантаження. Попереду заявка до оператора, діагностика лінії і вимір якості напруги. Розширення до шести блоків можливе на папері, але має власну вимогу: два блоки на одній фазі можна паралелити лише через зовнішній перемикач, і це вже бюджет того майбутнього кроку.

Зірку накреслено. Скільки вона коштуватиме в карпатську зиму, в кіловат-годинах і в комфорті, покажуть вимірювання 2027 року.

Це дослідження — частина проєктування енергосистеми Unity Hub у рамках проєкту UA Unity Hub на Теплій Горі. Пов'язані: Проєктування зимової фотовольтаїки для карпатської еко-спільноти, Що змушувало нас змінювати думку про опалення карпатської еко-спільноти.