Mikro-sítě připojené k síti vs. izolované mikro-sítě: klíčové rozdíly a požadavky na vybavení

Mikrosověty mají dva základní režimy provozu: připojení k síti a provoz bez připojení k síti. Tyto dva režimy se výrazně liší v řídicí logice, výběru zařízení a nastavení ochran. Porozumění těmto rozdílům je základem pro výběr zařízení v rané fázi projektu.

1. Jak fungují oba typy mikrosovětů

Při provozu s připojením k síti je mikrosovět připojen k vnější hlavní síti prostřednictvím bodu společného připojení (PCC). Hlavní síť je zodpovědná za udržení napětí a frekvence na stabilní úrovni. Distribuované generátory a akumulace energie uvnitř mikrosovětu sledují síť a převážně spolupracují, nikoli podporují. Vnější síť působí jako velmi velký zdroj napětí a zdroj frekvence a absorbuje kolísání mikrosovětu.

V režimu provozu mimo síť je bod připojení k síti (PCC) odpojen a mikro-síť se stává malým nezávislým elektrickým systémem. Neexistuje žádný vnější zdroj, na který by bylo možné spoléhat. Akumulátory energie, fotovoltaické panely, dieselové generátory a další zdroje uvnitř mikro-sítě musí samy vytvořit napětí a frekvenci a neustále vyvažovat výrobu a zátěž. Režim řízení se mění z následování sítě na aktivní podporu, čímž se obtížnost výrazně zvyšuje.

Přepínání mezi těmito dvěma režimy se dělí na plánované a neplánované přepínání. Plánované přepínání má přípravnou dobu: nejprve lze upravit vnitřní výrobu a zátěž a poté lze mikro-síť odpojit hladce. Neplánované přepínání je často vyvoláno poruchou ve veřejné síti. Po detekci poruchy musí řídicí systém rychle odpojit mikro-síť a převzít řízení akumulátor nebo záložní zdroj, zároveň se odpojí některé nepodstatné zátěže, aby nedošlo k přetížení a kolapsu malého systému. Při přepínání z režimu off-grid zpět do režimu připojení k síti je nejprve nutné zajistit synchronizaci napětí, frekvence a fáze. Jinak dojde v okamžiku uzavření ke skokovému proudovému nárůstu, který může poškodit zařízení.

2. Technické výzvy provozu v režimu off-grid během výpadku elektrické energie

Po výpadku veřejného napájení a přechodu systému do režimu off-grid největší změnou je, že zmizí setrvačnost systému hlavní síť obsahuje mnoho rotujících strojů, které přirozeně poskytují setrvačnost a dokážou tlumit změny kmitočtu způsobené náhlými změnami zátěže. Mimo-síťová mikrosíť je malá a výkonové elektronické zařízení, jako jsou měniče akumulace energie, nedokáží poskytnout stejnou fyzickou setrvačnost. Kmitočet a napětí reagují na poruchy rychleji a s větší amplitudou.

To vyvolává tři konkrétní problémy. Za prvé, rychlá regulace kmitočtu a napětí . V režimu mimo síť musí měnič akumulace energie přepnout ze způsobu řízení podle sítě na způsob tvorby sítě a aktivně stanovit referenční hodnoty napětí a kmitočtu. Toto je mnohem obtížnější řídit než v režimu připojení ke síti. Za druhé, hladkost neplánovaného přepínání . Pokud během přepínání klesne napětí nebo kmitočet příliš, citlivá zařízení mohou vypnout nebo poškodit. Řízení přepínání proto musí stav identifikovat a strategii změnit během milisekund. Za třetí, změny uzemňovacího systému při připojení k síti je uzemnění zajištěno hlavní sítí. Po odpojení od sítě se způsob uzemnění může změnit, což přímo ovlivňuje dráhu poruchového proudu a správnost činnosti ochranných zařízení.

3. Různé požadavky na transformátory, rozváděče a ochranné systémy

Transformátory

V architektuře připojené k síti je kapacita transformátoru hlavně určena výměnným výkonem mezi mikrosítí a sítí, přičemž skupina vektorů a poměr jsou vybrány tak, aby odpovídaly napětí sítě. V architektuře nezávislé na síti musí transformátor rovněž udržovat napětí stabilní i při nízké zátěži a nárazových zátěžích, čímž se na jeho schopnost regulace napětí a návrh impedance kladou dodatečné požadavky. Pokud je kapacita zkratového proudu omezena, pomáhá impedance transformátoru také omezit poruchový proud. Distribuční transformátory a suché transformátory společnosti Zhongmeng umožňují úpravu skupiny vektorů a konfigurace regulace napětí podle kapacity mikrosítě a charakteristik zátěže, čímž se přizpůsobují různým prioritám obou architektur.

Rozvaděčů

Hranice mezi provozem připojeným k síti a provozem izolovaným od sítě je obvykle stanovena v bodě připojení k síti (PCC). Spínač v tomto bodě musí mít schopnost přerušovat proud obousměrně: musí rychle odpojit mikro-síť v případě výpadku sítě, aby se zabránilo zpětnému napájení porouchané sítě, a musí také spolehlivě otevřít v případě, že je vyžadován izolovaný provoz od sítě. Vysokonapěťové a nízkonapěťové rozváděče a vybavení prefabrikovaných kabin firmy Zhongmeng jsou předmontovány a předem otestovány v továrně. Na stavbě je třeba pouze připojit vedení, což odpovídá požadavkům mikro-sítí, u nichž je nutná rychlá implementace.

Ochranné systémy

Toto je oblast s největším rozdílem mezi oběma architekturami. Při provozu připojeném k síti je poruchový proud hlavně dodáván hlavní sítí a úroveň zkratového proudu je relativně vysoká. Po přepnutí na provoz izolovaný od sítě je zkratový proud dodáván pouze distribuovanými zdroji uvnitř mikrosítě a může činit jen zlomek hodnoty při provozu připojeném k síti. Pokud jsou nastavení ochrany stále určena pro podmínky provozu připojeného k síti, relé nemusí poruchy v izolovaném režimu detekovat a nemusí se aktivovat. Ochranný systém proto musí mít adaptivní schopnost v obou režimech nebo alespoň být schopen přepínat skupiny nastavení ochrany při změně režimu. Rozhraní se sítí vyžaduje také obousměrnou ochranu, aby pokrylo poruchy jak na straně sítě, tak na straně mikrosítě. Ochranná a řídicí zařízení společnosti Zhongmeng lze integrovat se spínacími zařízeními a transformátory do kompletního balíčku, čímž se snižují rizika koordinace mezi zařízeními od různých dodavatelů.

4. Problémy s napětím, frekvencí a změnami zátěže v izolovaných systémech

V izolovaném režimu již není napětí a frekvence podporováno hlavní sítí. Regulace probíhá v reálném čase hlavními řídícími zdroji, jako jsou měniče akumulované energie nebo dieselové generátory. Běžným provozním cílem je udržet frekvenci blízko 50 Hz a odchylku napětí v rozmezí přijatelném pro připojené zátěže. Ve skutečném provozu však změny výstupu FV a spouštění či zastavování velkých zátěží oba způsobují poruchy.

Změna zátěže je nejpřímějším testem pro ostrovní systém. Při spuštění relativně výkonného motoru může dojít k okamžitému poklesu napětí v systému. Pokud výstup fotovoltaických panelů náhle klesne kvůli oblačnosti, může se zvýšit frekvence. Ovládání ostrovního systému musí zůstat stabilní i za těchto souvislých poruch. Současně musí bateriové úložiště energie rychle nabíjet a vybíjet výkon, aby vyrovnalo kolísání, a v případě potřeby odpojit některé nepodstatné zátěže podle priority. Normy již vyžadují, aby doba přepnutí z ostrovního režimu do režimu připojení k síti nepřesahovala 10 ms, avšak to klade velmi vysoké požadavky na konzistenci rychlosti odezvy řídicích jednotek a spínací techniky.

5. Elektrické parametry, které je třeba potvrdit v rané fázi projektu

Čím jasnější jsou parametry v rané fázi, tím méně přepracování bude zapotřebí při výběru zařízení a nastavení ochran. Nejprve je třeba potvrdit následující parametry:

Úroveň zkratového proudu. Maximální a minimální zkratové proudy je třeba získat odděleně pro provoz připojený k síti a pro provoz izolovaný od sítě. V režimu připojení k síti jsou poskytovány jak sítí, tak distribuovanými zdroji společně. V režimu izolovaného provozu jsou poskytovány pouze distribuovanými zdroji. Tyto hodnoty se mohou lišit několikanásobně. To je přímý základ pro výběr vypínací schopnosti rozvaděčů a nastavení ochranných hodnot.

Způsob uzemnění. Způsoby uzemnění na straně sítě a na straně mikro-sítě by měly být koordinovány. Způsob uzemnění středního vodiče určuje velikost a směr proudu jednofázového zemního poruchy a ovlivňuje také výběr skupiny napěťových poměrů transformátoru. Po přechodu do izolovaného provozu se podmínky uzemnění mohou změnit, proto by měly být uspořádání uzemnění před i po přepnutí definována již ve fázi návrhu.

Parametry transformátoru. Mezi ně patří jmenovitá kapacita, poměr napětí, vektorová skupina, impedanční napětí a metoda regulace napětí. Kapacitu lze vybrat podle maximální trvalé výměnné výkonnosti mezi mikro-sítí a vnější sítí; měla by být také zkontrolována schopnost spouštět zátěž s nárazovým proudem v režimu izolovaného provozu.

Harmonické charakteristiky. Měly by být předem známy harmonické spektrum, řády a obsah střídačů a nelineárních zátěží. Harmonické složky ovlivňují kvalitu elektrické energie a mohou také způsobit dodatečné zahřívání transformátorů a rezonanci kondenzátorů. Při výběru je třeba přizpůsobit odpovídající odolnost vůči harmonickým složkám nebo opatření k jejich potlačení.

Povolené rozsahy frekvence a napětí. Je třeba definovat provozní hranice jak v síťovém, tak v izolovaném režimu, stejně jako povolené přechodné odchylky během přepínání. Tyto ukazatele přímo určují strategii řízení měniče a nastavení ochran.

Klasifikace zátěže a maximální zátěž s nárazovým proudem. Autonomní systém má omezenou kapacitu. Je nutné rozlišit kritické a nekritické zátěže a potvrdit způsob spuštění a startovací proud největšího jednotlivého motoru. To určuje požadovanou přetížitelnost měniče akumulace energie a prahovou hodnotu strategie odpojování zátěže v autonomním režimu.

Integrační body produktů Zhongmeng: Výše uvedené parametry je nakonec nutné implementovat do konkrétního zařízení. Distribuční transformátory zajišťují přeměnu napětí a přizpůsobení impedance. Rozvaděče řídí otevírání/zavírání bodu připojení k síti (PCC) a ochranu obvodů. Přizpůsobená distribuční zařízení integrují transformátory, rozvaděče, ochranu a řízení i monitorování do předem vyrobených kabin nebo podzemních transformačních stanic, čímž se snižují chyby koordinace při montáži na místě. Pokud jsou v rané fázi projektu potvrzeny zkratový proud, způsob uzemnění, harmonické složky a charakteristiky zátěže, lze kompletní zařízení přizpůsobit skutečným provozním podmínkám místo pasivních kompromisů s běžnými výrobky.

6. Aplikační scénáře

7. Nejčastější dotazy

Otázka: Jaký je hlavní rozdíl mezi mikro-sítěmi připojenými ke sítí a mikro-sítěmi mimo síť?

Odpověď: Hlavní rozdíl spočívá v řídící logice. V režimu připojení ke síti poskytuje vnější hlavní síť referenční napětí a frekvenci a mikro-síť se řídí podle sítě. V režimu mimo síť musí mikro-síť vytvořit vlastní napětí a frekvenci prostřednictvím vnitřních zdrojů energie a generátorů, což činí řízení výrazně složitějším.

Otázka: Proč se ochranný systém liší mezi těmito dvěma architekturami?

A: Úrovně zkratového proudu se výrazně liší. V režimu připojení k síti hlavní síť dodává vysoký zkratový proud. V izolovaném režimu (off-grid) zkratový proud dodávají pouze distribuované zdroje, a to často jen zlomek hodnoty při připojení k síti. Nastavení ochran navržená pro provoz připojený ke síti nemusí být schopna poruchy v izolovaném režimu detekovat, proto je nutná adaptivní ochrana nebo přepínatelné skupiny nastavení.

Q: Jaký je požadovaný čas přepnutí při přechodu z izolovaného režimu (off-grid) do režimu připojení k síti?

A: Průmyslové normy vyžadují, aby čas přepnutí z izolovaného režimu (off-grid) do režimu připojení k síti nepřesahoval 10 ms. To klade velmi vysoké nároky na rychlost odezvy řídicích systémů a spínací techniky a vyžaduje přesnou synchronizaci napětí, frekvence a fáze ještě před opětovným připojením.

Q: Jakou roli hrají transformátory v mikrosíti?

A: Transformátory zajišťují převod napětí a přizpůsobení impedance mezi mikro-sítí a vnější sítí. V režimu off-grid musí také udržovat stabilitu napětí za podmínek nízké zátěže a nárazové zátěže. Impedance transformátoru může navíc pomoci omezit poruchový proud v případě omezeného zkratového výkonu.

Q: Jaké elektrické parametry je třeba potvrdit v rané fázi projektu mikro-sítě?

A: Klíčové parametry zahrnují: úrovně zkratového proudu pro oba režimy, způsob uzemnění, parametry transformátoru (výkon, převodový poměr, skupina spojení, impedance), harmonické charakteristiky, povolené rozsahy kmitočtu a napětí a klasifikaci zátěže včetně maximální nárazové zátěže. Časná potvrzení těchto parametrů snižují nutnost přepracování při výběru zařízení a nastavení ochran.