Μικροδίκτυα Συνδεδεμένα με το Δίκτυο έναντι Μικροδικτύων Αυτόνομων: Βασικές Διαφορές και Απαιτήσεις Εξοπλισμού

Τα μικροδίκτυα έχουν δύο βασικές λειτουργικές λειτουργίες: συνδεδεμένα στο δίκτυο και αυτόνομα. Οι δύο λειτουργίες διαφέρουν σαφώς ως προς τη λογική ελέγχου, την επιλογή των εξοπλισμών και τις ρυθμίσεις προστασίας. Η κατανόηση αυτών των διαφορών αποτελεί τη βάση για την επιλογή των εξοπλισμών στο αρχικό στάδιο ενός έργου.

1. Πώς λειτουργούν οι δύο τύποι μικροδικτύων

Στη λειτουργία συνδεδεμένου στο δίκτυο, το μικροδίκτυο συνδέεται με το εξωτερικό κύριο δίκτυο μέσω του σημείου κοινής σύζευξης (PCC). Το κύριο δίκτυο είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της σταθερότητας της τάσης και της συχνότητας. Οι κατανεμημένοι γεννήτορες και οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας εντός του μικροδικτύου ακολουθούν το δίκτυο και συνεργάζονται κυρίως, αντί να το υποστηρίζουν. Το εξωτερικό δίκτυο λειτουργεί σαν μια πολύ μεγάλη πηγή τάσης και πηγή συχνότητας και απορροφά τις διακυμάνσεις του μικροδικτύου.

Σε λειτουργία εκτός δικτύου, η σημειακή σύνδεση με το δίκτυο (PCC) αποσυνδέεται και το μικροδίκτυο μετατρέπεται σε ένα μικρό ανεξάρτητο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν υπάρχει εξωτερική πηγή στην οποία να στηριχθεί. Οι εσωτερικές πηγές ενέργειας του μικροδικτύου — όπως οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες και οι πετρελαιοκινητήρες γεννήτριες — πρέπει να δημιουργήσουν αυτόνομα την τάση και τη συχνότητα και να διατηρούν συνεχώς την ισορροπία μεταξύ παραγωγής και φόρτισης. Η λειτουργική λειτουργία ελέγχου μεταβάλλεται από την ακολούθηση του δικτύου σε ενεργητική υποστήριξη, με σημαντική αύξηση της δυσκολίας.

Η εναλλαγή μεταξύ των δύο λειτουργικών καθεστώτων διαχωρίζεται σε σχεδιασμένη εναλλαγή και μη σχεδιασμένη εναλλαγή. Η σχεδιασμένη εναλλαγή περιλαμβάνει χρόνο προετοιμασίας: η εσωτερική παραγωγή και η κατανάλωση μπορούν να ρυθμιστούν πρώτα, και στη συνέχεια το μικροδίκτυο μπορεί να αποσυνδεθεί ομαλά. Η μη σχεδιασμένη εναλλαγή προκαλείται συχνά από βλάβη του δικτύου. Μετά την ανίχνευση της ανωμαλίας, ο ελεγκτής πρέπει να αποσυνδέσει γρήγορα το σύστημα και να επιτρέψει στην αποθήκευση ενέργειας ή σε εφεδρική πηγή να αναλάβει τη λειτουργία, ενώ ταυτόχρονα αποκόπτονται ορισμένα μη κρίσιμα φορτία για να αποτραπεί η υπερφόρτωση και η κατάρρευση του μικρού συστήματος. Κατά την επιστροφή από αυτόνομη λειτουργία (off-grid) σε σύνδεση με το δίκτυο (grid-connected), πρέπει να ολοκληρωθεί πρώτα η σύγχρονη εξισορρόπηση τάσης, συχνότητας και φάσης. Διαφορετικά, θα προκύψει ρεύμα επιπλέον φόρτισης (surge current) τη στιγμή της επανασύνδεσης, με πιθανότητα ζημιάς των εξοπλισμών.

2. Τεχνικές προκλήσεις της αυτόνομης λειτουργίας (off-grid) κατά τη διάρκεια διακοπής ρεύματος

Μετά την απώλεια της παροχής από το δημόσιο δίκτυο και τη μετάβαση του συστήματος σε αυτόνομη λειτουργία (off-grid), η σημαντικότερη αλλαγή είναι ότι η αδράνεια του συστήματος εξαφανίζεται το κύριο δίκτυο περιλαμβάνει πολλές περιστρεφόμενες μηχανές, οι οποίες παρέχουν φυσικά αδράνεια και μπορούν να απορροφήσουν τις αλλαγές συχνότητας που προκαλούνται από αιφνίδιες μεταβολές φορτίου. Ένα αυτόνομο μικροδίκτυο είναι μικρό και ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος, όπως οι μετατροπείς αποθηκευτικών συστημάτων, δεν μπορούν να παρέχουν την ίδια φυσική αδράνεια. Η συχνότητα και η τάση αντιδρούν ταχύτερα και με μεγαλύτερο πλάτος σε διαταραχές.

Αυτό δημιουργεί τρεις συγκεκριμένα προβλήματα. Πρώτον, η ταχεία ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης . Σε αυτόνομη λειτουργία, ο μετατροπέας αποθηκευτικού συστήματος πρέπει να μεταβεί από λειτουργία ακολούθησης δικτύου (grid-following) σε λειτουργία δημιουργίας δικτύου (grid-forming) και να δημιουργήσει ενεργά την αναφορά τάσης και συχνότητας. Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο να ελεγχθεί σε σύγκριση με τη λειτουργία συνδεδεμένου στο δίκτυο. Δεύτερον, η ομαλότητα της μη σχεδιασμένης μετάβασης . Εάν η τάση ή η συχνότητα πέσει υπερβολικά κατά τη μετάβαση, ευαίσθητα φορτία μπορεί να διακοπούν ή να υποστούν βλάβη. Ως εκ τούτου, ο έλεγχος μετάβασης πρέπει να αναγνωρίζει την κατάσταση και να τροποποιεί τη στρατηγική εντός χιλιοστών του δευτερολέπτου. Τρίτον, οι αλλαγές στο σύστημα γείωσης όταν είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο, η γείωση διατάσσεται από το κύριο δίκτυο. Μετά την αποσύνδεση από το δίκτυο, η μέθοδος γείωσης μπορεί να αλλάξει, γεγονός που επηρεάζει άμεσα τη διαδρομή του ρεύματος βραχυκυκλώματος και την ορθότητα της λειτουργίας της προστασίας.

3. Διαφορετικές απαιτήσεις για μετασχηματιστές, διακόπτες και συστήματα προστασίας

Μετασχηματιστές

Σε μια αρχιτεκτονική συνδεδεμένη με το δίκτυο, η ισχύς του μετασχηματιστή καθορίζεται κυρίως από την ισχύ που ανταλλάσσεται μεταξύ του μικροδικτύου και του δικτύου, ενώ η ομάδα διανυσμάτων και ο λόγος επιλέγονται ώστε να ταιριάζουν με την τάση του δικτύου. Σε μια αρχιτεκτονική αυτόνομης λειτουργίας (off-grid), ο μετασχηματιστής πρέπει επίσης να διατηρεί σταθερή την τάση υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου και επιβαρυντικών φορτίων, γεγονός που επιβάλλει επιπλέον απαιτήσεις όσον αφορά την ικανότητα ρύθμισης της τάσης και τον σχεδιασμό της αντίστασης. Όταν η ικανότητα βραχυκύκλωσης είναι περιορισμένη, η αντίσταση του μετασχηματιστή συμβάλλει επίσης στον περιορισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Οι μετασχηματιστές διανομής και οι ξηροί μετασχηματιστές της Zhongmeng μπορούν να προσαρμόζουν τις ομάδες διανυσμάτων και τις διαμορφώσεις ρύθμισης τάσης σύμφωνα με την ισχύ του μικροδικτύου και τα χαρακτηριστικά του φορτίου, προσαρμόζοντας έτσι τη λειτουργία τους στις διαφορετικές προτεραιότητες που επιβάλλουν οι δύο αρχιτεκτονικές.

Διακόπτες

Το όριο μεταξύ λειτουργίας συνδεδεμένης στο δίκτυο και αυτόνομης λειτουργίας ορίζεται συνήθως στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο (PCC). Ο διακόπτης σε αυτό το σημείο πρέπει να διαθέτει δικατευθυντική ικανότητα διακοπής: πρέπει να αποκόπτει γρήγορα την παροχή όταν το δίκτυο αποτύχει, προκειμένου να αποτραπεί η τροφοδοσία ισχύος από το μικροδίκτυο προς το ελαττωματικό δίκτυο, και πρέπει επίσης να ανοίγει αξιόπιστα όταν απαιτείται αυτόνομη λειτουργία. Τα υψηλής και χαμηλής τάσης διανεμητικά συστήματα και οι προκατασκευασμένες καμπίνες της Zhongmeng συναρμολογούνται και δοκιμάζονται εκ των προτέρων στο εργοστάσιο. Επιτόπου, απαιτείται μόνο η σύνδεση των γραμμών, γεγονός που καθιστά αυτόν τον εξοπλισμό κατάλληλο για έργα μικροδικτύων που απαιτούν γρήγορη εγκατάσταση.

Συστήματα Προστασίας

Αυτή είναι η περιοχή με τη μεγαλύτερη διαφορά ανάμεσα στις δύο αρχιτεκτονικές. Στη λειτουργία συνδεδεμένη με το δίκτυο, το ρεύμα βραχυκυκλώματος προέρχεται κυρίως από το κύριο δίκτυο και το επίπεδο ρεύματος βραχυκυκλώματος είναι σχετικά υψηλό. Μετά τη μετάβαση σε αυτόνομη λειτουργία, το ρεύμα βραχυκυκλώματος προέρχεται αποκλειστικά από τις κατανεμημένες πηγές εντός του μικροδικτύου και μπορεί να αντιστοιχεί σε μόνο ένα κλάσμα της τιμής που επικρατεί στη συνδεδεμένη με το δίκτυο λειτουργία. Εάν οι ρυθμίσεις προστασίας παραμένουν εκείνες που ισχύουν για τη συνδεδεμένη με το δίκτυο λειτουργία, η ρελέ μπορεί να αποτύχει στην ανίχνευση βλαβών κατά την αυτόνομη λειτουργία και να μην ενεργοποιηθεί. Ως εκ τούτου, το σύστημα προστασίας πρέπει να διαθέτει προσαρμοστική ικανότητα και στις δύο λειτουργικές καταστάσεις, ή τουλάχιστον να είναι σε θέση να εναλλάσσει ομάδες ρυθμίσεων προστασίας κατά την αλλαγή λειτουργικής κατάστασης. Η διεπαφή με το δίκτυο απαιτεί επίσης προστασία διπλής κατεύθυνσης, προκειμένου να καλύπτονται βλάβες τόσο στην πλευρά του δικτύου όσο και στην πλευρά του μικροδικτύου. Τα συστήματα προστασίας και ελέγχου της Zhongmeng μπορούν να ενσωματωθούν με τον εξοπλισμό διακοπής και τους μετασχηματιστές σε ένα ολοκληρωμένο πακέτο, μειώνοντας έτσι τους κινδύνους ασυμφωνίας μεταξύ εξοπλισμού από διαφορετικούς προμηθευτές.

4. Προβλήματα τάσης, συχνότητας και μεταβολής φορτίου σε αυτόνομα συστήματα

Σε αυτόνομη λειτουργία, η τάση και η συχνότητα δεν υποστηρίζονται πλέον από το κύριο δίκτυο. Ρυθμίζονται σε πραγματικό χρόνο από τις κύριες πηγές ελέγχου, όπως οι μετατροπείς αποθηκευμένης ενέργειας ή οι πετρελαιοκινητήρες γεννήτριες. Ο συνήθης στόχος λειτουργίας είναι να διατηρείται η συχνότητα κοντά στα 50 Hz και η απόκλιση τάσης εντός ενός εύρους που είναι αποδεκτό από τα φορτία. Στην πράξη, ωστόσο, οι μεταβολές της εξόδου των φωτοβολταϊκών (PV) και η εκκίνηση ή διακοπή λειτουργίας μεγάλων φορτίων προκαλούν και οι δύο διαταραχές.

Η μεταβολή της φόρτισης είναι η πιο άμεση δοκιμή για ένα αυτόνομο σύστημα. Όταν ξεκινά ένας σχετικά μεγάλος κινητήρας, μπορεί να προκαλέσει ακαριαία πτώση της τάσης του συστήματος. Όταν η παραγωγή φωτοβολταϊκού ρεύματος μειωθεί απότομα λόγω συννεφιάς, η συχνότητα μπορεί να αυξηθεί. Ο έλεγχος του αυτόνομου συστήματος πρέπει να παραμένει σταθερός υπό τέτοιες συνεχείς διαταραχές. Ταυτόχρονα, η αποθήκευση ενέργειας σε μπαταρίες πρέπει να φορτίζει και να εκφορτίζει ρεύμα γρήγορα για να εξομαλύνει τις διακυμάνσεις, και, όταν χρειαστεί, να αποσυνδέει ορισμένα μη κρίσιμα φορτία με βάση τη σειρά προτεραιότητας. Οι πρότυπες προδιαγραφές απαιτούν ήδη ο χρόνος μετάβασης από αυτόνομο σε σύνδεση με το δίκτυο να μην υπερβαίνει τα 10 ms, αλλά αυτό θέτει πολύ υψηλές απαιτήσεις συνέπειας όσον αφορά την ταχύτητα ανταπόκρισης των ελεγκτών και των διακοπτικών συσκευών.

5. Ηλεκτρικές παράμετροι που πρέπει να επιβεβαιωθούν στο πρώιμο στάδιο ενός έργου

Όσο πιο σαφείς είναι οι παράμετροι στο πρώιμο στάδιο, τόσο λιγότερη επανεργασία θα υπάρξει στην επιλογή του εξοπλισμού και στη ρύθμιση της προστασίας. Οι ακόλουθες παράμετροι πρέπει να επιβεβαιωθούν πρώτες:

Επίπεδο ρεύματος βραχυκυκλώματος. Οι μέγιστες και ελάχιστες ρεύματα βραχυκυκλώματος πρέπει να υπολογίζονται ξεχωριστά για τις συνθήκες σύνδεσης στο δίκτυο και για τις αυτόνομες συνθήκες λειτουργίας. Σε κατάσταση σύνδεσης στο δίκτυο, προέρχονται από το δίκτυο και τις διανεμημένες πηγές μαζί. Σε κατάσταση αυτόνομης λειτουργίας, προέρχονται μόνο από τις διανεμημένες πηγές. Οι δύο τιμές μπορεί να διαφέρουν κατά πολλαπλάσιο. Αυτό αποτελεί την απευθείας βάση για την επιλογή της ικανότητας διακοπής των διακοπτικών συσκευών και τη ρύθμιση των τιμών προστασίας.

Μέθοδος γείωσης. Οι μέθοδοι γείωσης στην πλευρά του δικτύου και στην πλευρά του μικροδικτύου πρέπει να είναι συντονισμένες. Η μέθοδος γείωσης του ουδέτερου καθορίζει το μέγεθος και τη διαδρομή του ρεύματος μονοφασικού βραχυκυκλώματος προς τη γη και επηρεάζει επίσης την επιλογή της ομάδας διανορμάλωσης του μετασχηματιστή. Μετά την αυτόνομη λειτουργία, οι συνθήκες γείωσης μπορεί να αλλάξουν, επομένως η διάταξη γείωσης πριν και μετά την αλλαγή λειτουργίας πρέπει να καθορίζεται κατά το στάδιο σχεδιασμού.

Παράμετροι μετασχηματιστή. Περιλαμβάνουν την ονομαστική χωρητικότητα, τον λόγο τάσης, την ομάδα διανυσμάτων, την τάση εμπέδησης και τη μέθοδο ρύθμισης τάσης. Η χωρητικότητα μπορεί να επιλεγεί σύμφωνα με τη μέγιστη συνεχή ισχύ ανταλλαγής μεταξύ του μικροδικτύου και του εξωτερικού δικτύου, ενώ πρέπει επίσης να ελεγχθεί η ικανότητα εκκίνησης φορτίων με μεγάλη επιβάρυνση σε κατάσταση αποσύνδεσης από το δίκτυο.

Χαρακτηριστικά αρμονικών. Το φάσμα, η τάξη και το περιεχόμενο των αρμονικών των αντιστροφέων και των μη γραμμικών φορτίων πρέπει να είναι γνωστά εκ των προτέρων. Οι αρμονικές επηρεάζουν την ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας και μπορούν επίσης να προκαλέσουν επιπλέον θέρμανση των μετασχηματιστών και συντονισμό στους πυκνωτές. Κατά την επιλογή, πρέπει να ταιριάζει η αντίστοιχη ικανότητα ανοχής αρμονικών ή να λαμβάνονται μέτρα μείωσής τους.

Επιτρεπόμενες περιοχές συχνότητας και τάσης. Πρέπει να οριστούν τα όρια λειτουργίας τόσο σε κατάσταση σύνδεσης με το δίκτυο όσο και σε κατάσταση αποσύνδεσης από αυτό, καθώς και οι επιτρεπόμενες παροδικές αποκλίσεις κατά τη μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων. Αυτοί οι δείκτες καθορίζουν απευθείας τη στρατηγική ελέγχου του μετατροπέα και τις ρυθμίσεις προστασίας.

Κατηγοριοποίηση φορτίων και μέγιστο φορτίο με μεγάλη επιβάρυνση. Ένα αυτόνομο σύστημα έχει περιορισμένη χωρητικότητα. Πρέπει να διακρίνονται οι κρίσιμες και οι μη κρίσιμες επιβαρύνσεις, και να επιβεβαιωθούν η μέθοδος εκκίνησης και το ρεύμα εκκίνησης του μεγαλύτερου μοναδικού κινητήρα. Αυτό καθορίζει την ικανότητα υπερφόρτωσης που απαιτείται από τον μετατροπέα αποθήκευσης ενέργειας και το κατώφλι της στρατηγικής αποφόρτισης φορτίου σε αυτόνομο λειτουργούντα σύστημα.

Σημεία ενσωμάτωσης προϊόντων Zhongmeng: Οι παραπάνω παράμετροι απαιτείται τελικά να υλοποιηθούν σε συγκεκριμένο εξοπλισμό. Οι μετασχηματιστές διανομής αναλαμβάνουν τη μετατροπή τάσης και την προσαρμογή αντίστασης. Το ρελέ διακοπής αναλαμβάνει το άνοιγμα/κλείσιμο του σημείου σύνδεσης με το δίκτυο (PCC) και την προστασία του κυκλώματος. Ο εξειδικευμένος εξοπλισμός διανομής ενσωματώνει μετασχηματιστές, ρελέ διακοπής, προστασία και έλεγχο, καθώς και παρακολούθηση, σε προκατασκευασμένες θαλάμους ή υπόστασεις επί του εδάφους, μειώνοντας τα λάθη συντονισμού κατά την τοπική συναρμολόγηση. Εάν η ένταση βραχυκυκλώματος, η μέθοδος γείωσης, οι αρμονικές και τα χαρακτηριστικά φόρτισης επιβεβαιωθούν στο αρχικό στάδιο του έργου, ο πλήρης εξοπλισμός μπορεί να προσαρμοστεί στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, αντί να γίνουν παθητικές παραχωρήσεις σε τυποποιημένα προϊόντα.

6. Σενάρια Εφαρμογής

7. Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Ποια είναι η κύρια διαφορά μεταξύ μικροδικτύων συνδεδεμένων στο δίκτυο και μικροδικτύων εκτός δικτύου;

Α: Η κύρια διαφορά βρίσκεται στη λογική ελέγχου. Σε λειτουργία σύνδεσης στο δίκτυο, το εξωτερικό κύριο δίκτυο παρέχει την αναφορά τάσης και συχνότητας, και το μικροδίκτυο ακολουθεί το δίκτυο. Σε λειτουργία εκτός δικτύου, το μικροδίκτυο πρέπει να δημιουργήσει τη δική του τάση και συχνότητα μέσω εσωτερικής αποθήκευσης ενέργειας και γεννητριών, γεγονός που καθιστά τον έλεγχο σημαντικά πιο περίπλοκο.

Ε: Γιατί το σύστημα προστασίας διαφέρει μεταξύ των δύο αρχιτεκτονικών;

Α: Τα επίπεδα ρεύματος βραχυκυκλώματος διαφέρουν σημαντικά. Σε λειτουργία συνδεδεμένη με το δίκτυο, το κύριο δίκτυο παρέχει υψηλό ρεύμα βραχυκυκλώματος. Σε αυτόνομη λειτουργία, μόνο οι κατανεμημένες πηγές παρέχουν ρεύμα βραχυκυκλώματος, το οποίο μπορεί να αντιστοιχεί σε μόνο ένα κλάσμα της τιμής σε σύνδεση με το δίκτυο. Οι ρυθμίσεις προστασίας που έχουν σχεδιαστεί για συνδεδεμένες με το δίκτυο συνθήκες ενδέχεται να μην ανιχνεύσουν σωστά τα σφάλματα σε αυτόνομη λειτουργία, επομένως απαιτείται προσαρμοστική προστασία ή ομάδες ρυθμίσεων που μπορούν να εναλλάσσονται.

Ε: Ποιος χρόνος εναλλαγής απαιτείται κατά τη μετάβαση από αυτόνομη σε σύνδεση με το δίκτυο;

Α: Τα βιομηχανικά πρότυπα απαιτούν ο χρόνος εναλλαγής από αυτόνομη σε σύνδεση με το δίκτυο να μην υπερβαίνει τα 10 ms. Αυτό θέτει πολύ υψηλές απαιτήσεις στην ταχύτητα ανταπόκρισης των ελεγκτών και των διακοπτικών συσκευών και απαιτεί ακριβή συγχρονισμό τάσης, συχνότητας και φάσης πριν από την επανασύνδεση.

Ε: Ποιο ρόλο διαδραματίζουν οι μετασχηματιστές σε ένα μικροδίκτυο;

Α: Οι μετασχηματιστές διαχειρίζονται τη μετατροπή τάσης και την προσαρμογή αντίστασης μεταξύ του μικροδικτύου και του εξωτερικού δικτύου. Σε λειτουργία αυτόνομου δικτύου (off-grid), πρέπει επίσης να διατηρούν τη σταθερότητα της τάσης υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου και επιβαρυντικού φορτίου. Η αντίσταση του μετασχηματιστή μπορεί επιπλέον να βοηθήσει στον περιορισμό του ρεύματος βραχυκυκλώματος, όταν η ικανότητα βραχυκυκλώματος είναι περιορισμένη.

Ε: Ποιές ηλεκτρικές παράμετροι πρέπει να επιβεβαιωθούν στο αρχικό στάδιο ενός έργου μικροδικτύου;

Α: Οι βασικές παράμετροι περιλαμβάνουν: τα επίπεδα ρεύματος βραχυκυκλώματος για και τις δύο λειτουργικές λειτουργίες, τη μέθοδο γείωσης, τις παραμέτρους του μετασχηματιστή (ισχύς, λόγος, ομάδα διανυσμάτων, αντίσταση), τα χαρακτηριστικά αρμονικών, τις επιτρεπόμενες περιοχές συχνότητας και τάσης, καθώς και την ταξινόμηση των φορτίων με το μέγιστο επιβαρυντικό φορτίο. Η επιβεβαίωση αυτών των παραμέτρων σε πρώιμο στάδιο μειώνει την ανάγκη επανεργασίας κατά την επιλογή εξοπλισμού και τη ρύθμιση των συστημάτων προστασίας.