Nettilsluttet versus afkoblede mikronet: Nøgleforskelle og udstyrskrav

Mikrogrids har to grundlæggende driftstilstande: nettilsluttet og netuafhængig. De to typer adskiller sig tydeligt i styringslogik, udstyrsvalg og beskyttelsesindstillinger. At forstå disse forskelle er grundlaget for udstyrsvalg i et projekts tidlige fase.

1. Sådan fungerer de to typer mikrogrids

Ved nettilsluttet drift er mikrogridet forbundet til det eksterne hovednet via koblingspunktet (PCC). Det eksterne net er ansvarlig for at opretholde spænding og frekvens på en stabil måde. De distribuerede generatorer og energilagre inde i mikrogridet følger nettet og samarbejder primært frem for at støtte det. Det eksterne net fungerer som en meget stor spændingskilde og frekvenskilde og absorberer mikrogridets svingninger.

I afkoblet drift er PCC afbrudt, og mikronettet bliver et lille, uafhængigt elsystem. Der er ingen ekstern kilde at bygge på. Energilagre, PV, dieselgeneratorer og andre kilder inden for mikronettet skal selv oprette spænding og frekvens og kontinuerligt balancere produktion og belastning. Styringsmodus skifter fra at følge nettet til aktiv støtte, og sværhedsgraden stiger betydeligt.

Skift mellem de to tilstande opdeles i planlagt skift og uforudset skift. Planlagt skift har forberedelsestid: intern generation og belastning kan justeres først, og mikronettet kan derefter afkobles jævnt. Uforudset skift udløses ofte af en netfejl. Efter detektering af fejlen skal kontrollen hurtigt afkoble systemet og lade energilagringen eller den sikkerhedsmæssige kilde overtage, samtidig med at nogle ikke-kritiske belastninger frakobles for at forhindre, at det lille system overbelastes og kollapser. Når der skiftes tilbage fra off-grid-til stand til nettilsluttet drift, skal spænding, frekvens og fase synkronisering først fuldføres. Ellers vil der opstå en strømstød ved lukningen, hvilket kan beskadige udstyret.

2. Tekniske udfordringer ved off-grid-drift under en strømafbrydelse

Efter at elnettet går ned og systemet skifter til off-grid-drift er den største ændring, at systemets inertie forsvinder hovednettet har mange roterende maskiner, som naturligt leverer inertie og kan dæmpe frekvensændringer forårsaget af pludselige belastningsændringer. Et off-grid-mikronet er lille, og kraftelektroniske enheder såsom energilagrekonvertere kan ikke levere den samme fysiske inertie. Frekvens og spænding reagerer hurtigere og med større amplitude på forstyrrelser.

Dette giver anledning til tre specifikke problemer. For det første hurtig regulering af frekvens og spænding . I off-grid-tilstand skal energilagrekonverteren skifte fra grid-following til grid-forming og aktivt etablere spændings- og frekvensreference. Dette er langt sværere at styre end i grid-connected-tilstand. For det andet glathed ved uplanlagt omstilling . Hvis spændingen eller frekvensen falder for meget under omstillingen, kan følsomme belastninger udløses eller beskadiges. Derfor skal omstyringskontrollen identificere tilstanden og ændre strategien inden for millisekunder. For det tredje ændringer i jordforbindelsessystemet når nettilsluttet er jordforbindelsen ordnet af hovednettet. Efter frakobling fra nettet kan jordforbindelsesmetoden ændre sig, hvilket direkte påvirker fejlstrømstien og korrektheden af beskyttelsesfunktionen.

3. Forskellige krav til transformatorer, skaktekredsløb og beskyttelsessystemer

Transformatorer

I en nettilsluttet arkitektur bestemmes transformatorernes kapacitet primært af udvekslingsstrømmen mellem mikronettet og nettet, og vektorgruppen samt forholdet vælges for at matche netspændingen. I en frakoblede arkitektur skal transformatorerne også opretholde en stabil spænding ved lav belastning og ved pludselige belastningsændringer, hvilket stiller yderligere krav til spændingsreguleringskapaciteten og impedansdesignet. Når kortslutningskapaciteten er begrænset, hjælper transformatorimpedansen også med at begrænse fejlstrømmen. Zhongmengs distributionstransformatorer og tørtransformatorer kan justere vektorgrupper og spændingsreguleringskonfigurationer i henhold til mikronettets kapacitet og belastningsegenskaber, så de kan tilpasse sig de to arkitekturers forskellige prioriteringer.

Switchgear

Grænsen mellem nettilsluttet og afkoblet drift er normalt placeret ved PCC. Denne afbryder skal have tovejsafbrydelsesevne: Den skal hurtigt afbryde, hvis nettet svigter, for at forhindre mikronettet i at levere strøm tilbage til det fejlbehæftede net, og den skal også kunne åbne pålideligt, når afkoblet drift er nødvendig. Zhongmengs højspændings- og lavspændingsafbrydere samt præfabrikerede kabineudstyr er forudmonteret og testet på fabrikken. På stedet skal kun ledningerne tilsluttes, hvilket gør det velegnet til mikronetprojekter, der kræver hurtig implementering.

Beskyttelsessystemer

Dette er området med den største forskel mellem de to arkitekturer. Ved nettilsluttet drift leveres fejlstrømmen primært fra det centrale elnet, og kortslutningsstrømniveauet er relativt højt. Efter skift til autonome driften leveres kortslutningsstrømmen udelukkende af de distribuerede kilder inden for mikro-nettet og kan være kun en brøkdel af værdien ved nettilsluttet drift. Hvis beskyttelsesindstillingerne stadig er indstillet til nettilsluttet drift, kan relæet muligvis ikke registrere fejl i autonom drift og dermed ikke udløses. Derfor skal beskyttelsessystemet have adaptiv kapacitet i begge driftstilstande eller i det mindste kunne skifte mellem forskellige beskyttelsesindstillingsgrupper, når driftstilstanden ændres. Grænsefladen til elnettet kræver også tovejsbeskyttelse for at dække fejl på både elnettsiden og mikro-nettsiden. Zhongmengs beskyttelses- og styringsenheder kan integreres med afbrydere og transformatorer i et komplet system, hvilket reducerer koordineringsrisici mellem udstyr fra forskellige leverandører.

4. Spændings-, frekvens- og belastningsvariationer i afkoblede systemer

I afkoblet tilstand er spænding og frekvens ikke længere understøttet af hovednettet. De reguleres i realtid af de primære styringskilder, såsom energilagrekonvertere eller dieselgeneratorer. Det sædvanlige driftsmål er at holde frekvensen tæt på 50 Hz og spændingsafvigelsen inden for et område, som belastningerne kan acceptere. I praksis forårsager ændringer i PV-produktionen samt start og stop af store belastninger dog begge forstyrrelser.

Belastningsvariation er den mest direkte test for et off-grid-system. Når en relativt stor motor starter, kan det øjeblikkeligt trække systemspændingen ned. Når PV-ydelsen falder pludseligt på grund af skydække, kan frekvensen stige. Off-grid-styring skal forblive stabil under sådanne vedvarende forstyrrelser. Samtidig skal batterienergilagring hurtigt kunne lade og aflade strøm for at udjævne svingninger og, når det er nødvendigt, frakoble nogle ikke-kritiske belastninger efter prioritet. Standarder kræver allerede, at overgangstiden fra off-grid til nettilsluttet drift ikke må overstige 10 ms, men dette stiller meget høje krav til konsistensen i styringsenheders og afbrydere reaktionstid.

5. Elektriske parametre, der skal bekræftes i projektets tidlige fase

Jo tydeligere parametrene er i den tidlige fase, jo mindre omarbejdning vil der være ved udstyrsvalg og beskyttelsesindstillinger. Følgende parametre bør bekræftes først:

Kortslutningsstrømniveau. De maksimale og minimale kortslutningsstrømme skal bestemmes separat for nettilsluttet og afkoblet drift. I nettilsluttet tilstand leveres de af både elnettet og distribuerede kilder sammen. I afkoblet tilstand leveres de udelukkende af distribuerede kilder. De to værdier kan adskille sig med flere gange. Dette er den direkte grundlag for valg af afbryderudstyrets afbrydeevne og indstilling af beskyttelsesværdier.

Jordforbindelsesmetode. Jordforbindelsesmetoderne på net- og mikronetsiden skal koordineres. Neutraljordforbindelsesmetoden bestemmer størrelsen og strømstien for en enkeltfaset jordfejlstrøm og påvirker også valget af transformatorernes vektorguppe. Efter afkoblet drift kan jordforbindelsesforholdene ændres, så jordforbindelsesarrangementet før og efter skiftet skal defineres i designfasen.

Transformatorparametre. Dette omfatter den angivne kapacitet, spændingsforholdet, vektorgruppen, impedansspændingen og metoden til spændingsregulering. Kapaciteten kan vælges ud fra den maksimale kontinuerte udvekslingskraft mellem mikronettet og det eksterne net, og evnen til at starte belastninger med høj påvirkning i off-grid-tilstand bør også kontrolleres.

Harmoniske egenskaber. Det skal kendes på forhånd, hvilken harmonisk spektrum, orden og indhold invertere og ikke-lineære belastninger har. Harmoniske påvirker strømkvaliteten og kan også forårsage ekstra opvarmning af transformatorer samt kondensatorresonans. Ved valg skal den tilsvarende harmoniske tålbarhed eller reduktionsforanstaltninger matche kravene.

Tilladte frekvens- og spændingsområder. Driftsgrænserne både i nettilsluttet og off-grid-tilstand samt de tilladte transiente afvigelser under skift mellem tilstandene skal defineres. Disse parametre bestemmer direkte konverterens styringsstrategi og beskyttelsesindstillinger.

Belastningsklassificering og maksimal belastning med høj påvirkning. Et afkoblet system har begrænset kapacitet. Der skal skelnes mellem kritiske og ikke-kritiske belastninger, og den største enkelte motors startmetode og startstrøm skal bekræftes. Dette afgør den krævede overbelastningskapacitet for energilagringssystemets konverter samt tærsklen for afkoblingsstrategien for belastningsreduktion.

Zhongmengs produktintegrationspunkter: De ovenstående parametre skal endeligt implementeres i specifikke udstyr. Fordelingstransformere håndterer spændingsomdannelse og impedanstilpasning. Skaktkredsløb håndterer åbning/lukning af PCC samt kredsløbsbeskyttelse. Brugerdefineret strømforsyningsudstyr integrerer transformere, skaktkredsløb, beskyttelse og styring samt overvågning i forudfærdigede kabineanlæg eller jordmonterede understationer, hvilket reducerer koordineringsfejl under montering på stedet. Hvis kortslutningsstrøm, jordforbindelsesmetode, harmoniske og belastningsegenskaber bekræftes i projektets tidlige fase, kan komplet udstyr tilpasses de faktiske driftsforhold i stedet for at foretage passive kompromiser med standardprodukter.

6. Anvendelsesscenarier

7. Ofte Stillede Spørgsmål

Spørgsmål: Hvad er den primære forskel mellem elnettilsluttede og elnetuafhængige mikronet?

Svar: Den primære forskel ligger i styringslogikken. I elnettilsluttet tilstand leverer det eksterne hovedelnet spændings- og frekvensreference, og mikronettet følger elnettet. I elnetuafhængig tilstand skal mikronettet selv etablere sin egen spænding og frekvens via intern energilagring og generatorer, hvilket gør styringen betydeligt mere kompleks.

Spørgsmål: Hvorfor adskiller beskyttelsessystemet sig mellem de to arkitekturer?

A: Niveauet af kortslutningsstrøm adskiller sig markant. I nettilsluttet tilstand leverer det primære elnet en høj fejlstrøm. I frakoblede tilstande leverer kun de distribuerede kilder fejlstrøm, som kan udgøre kun en brøkdel af værdien i nettilsluttet tilstand. Beskyttelsesindstillinger, der er dimensioneret til nettilsluttede forhold, kan muligvis ikke registrere fejl i frakoblet tilstand; derfor kræves adaptiv beskyttelse eller skiftbare indstillingsgrupper.

Q: Hvilken skiftetid kræves ved overgang fra frakoblet til nettilsluttet drift?

A: Branchestandarder kræver, at skiftetiden fra frakoblet til nettilsluttet drift ikke må overstige 10 ms. Dette stiller meget høje krav til responshastigheden hos styringsenheder og afbrydere samt kræver præcis synkronisering af spænding, frekvens og fase før genanslutning.

Q: Hvilken rolle spiller transformatorer i et mikronet?

A: Transformere håndterer spændingsomdannelse og impedansmatchning mellem mikronettet og det eksterne net. I off-grid-tilstand skal de også opretholde spændingsstabilitet ved lav belastning og ved pludselig belastning. Transformatorimpedansen kan desuden hjælpe med at begrænse fejlstrømmen, når kortslutningskapaciteten er begrænset.

Q: Hvilke elektriske parametre skal bekræftes i det tidlige stadie af et mikronetprojekt?

A: De centrale parametre omfatter: kortslutningsstrømniveauer for begge tilstande, jordforbindelsesmetode, transformatorparametre (kapacitet, forhold, vektorgruppe, impedans), harmoniske egenskaber, tilladte frekvens- og spændingsområder samt belastningsklassificering med maksimal pludselig belastning. At bekræfte disse parametre tidligt reducerer omarbejde ved udstyrsvalg og indstilling af beskyttelsessystemer.