Πώς να ενσωματώσετε φωτοβολταϊκά συστήματα ηλιακής ενέργειας, μπαταρίες αποθήκευσης και μετασχηματιστές διανομής σε ένα μικροδίκτυο

Ένα μικροδίκτυο περιγράφεται συχνά από τις πηγές του—τις φωτοβολταϊκές σειρές και τους σταθμούς μπαταριών—αλλά ο εξοπλισμός που καθορίζει εάν αυτές οι πηγές λειτουργούν πραγματικά καλά μαζί βρίσκεται στο κέντρο: το μετασχηματιστής . Σε λειτουργία σύνδεσης με το δίκτυο, λειτουργεί ως κανάλι ισχύος. Σε αυτόνομη λειτουργία, γίνεται μέρος της αναφοράς τάσης και συχνότητας για ολόκληρο το σύστημα. Η σωστή διαμόρφωση της σχέσης PV–PCS–μετασχηματιστής–φορτίο δεν είναι επομένως ένα λεπτομερές ζήτημα προμήθειας· είναι η αρχιτεκτονική απόφαση που καθορίζει εάν ένα μικροδίκτυο είναι σταθερό, αποδοτικό και μακρόχρονο.

Η Ηλεκτρική Αλυσίδα: PV, PCS, Μετασχηματιστής, Φορτίο

Ένα τυπικό μικροδίκτυο με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) ακολουθεί μια σαφή ακολουθία. Οι φωτοβολταϊκές (PV) σειρές τροφοδοτούν συνεχές ρεύμα (DC) σε ένα σύστημα μετατροπής ισχύος (PCS), το οποίο περιλαμβάνει τον αντιστροφέα και, σε σχεδιασμούς μεσαίας τάσης, έναν ανυψωτικό μετασχηματιστή. Η έξοδος του PCS ανυψώνεται σε μεσαία τάση, συγκεντρώνεται και στη συνέχεια μειώνεται στην πλευρά των φορτίων μέσω διανεμητικών μετασχηματιστών. Η μπαταρία αποθήκευσης συνδέεται μέσω ενός δικατευθυντικού PCS στο ίδιο AC λεωφορείο, επιτρέποντας στην ισχύ φόρτισης και εκφόρτισης να ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Ο ρόλος του μετασχηματιστή διαφέρει ανάλογα με τη θέση του. Οι αυξητικοί μετασχηματιστές στην πλευρά παραγωγής χρησιμοποιούνται κυρίως για εφαρμογές παραγωγής ενέργειας, ανυψώνοντας τάσεις επιπέδου αντιστροφέα (480–600 V) σε 10 kV, 34,5 kV ή υψηλότερες για συγκέντρωση και μεταφορά. Μετατροπείς κατανομής στην πλευρά φορτίου εκτελούν την αντίστροφη λειτουργία, μειώνοντας τη μεσαία τάση σε επίπεδα χρήσης. Σε ένα μικροδίκτυο, και οι δύο λειτουργίες πρέπει να συνυπάρχουν, και συχνά ο ίδιος μετασχηματιστής πρέπει να υποστηρίζει τη ροή ισχύος προς *και τις δύο* κατευθύνσεις, ανάλογα με το αν οι PV εξάγουν ενέργεια ή η μπαταρία φορτίζεται.

Υπολογισμός της ισχύος του μετασχηματιστή σε σχέση με την έξοδο του αντιστροφέα

Η ονομαστική ισχύς του μετασχηματιστή δεν πρέπει να θεωρείται απλώς ίση με την ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα. Στην πράξη, εφαρμόζεται συντελεστής υπερδιάστασης περίπου 1,10 έως 1,25 επί της ονομαστικής εναλλασσόμενης ρεύματος (AC) εξόδου του αντιστροφέα, προσαρμοσμένος για την περιβάλλουσα θερμοκρασία και το υψόμετρο. Η λογική είναι απλή: οι αντιστροφείς μπορούν να υπερφορτωθούν προσωρινά, οι αρμονικές συνιστώσες ρεύματος προκαλούν επιπλέον θερμική φόρτιση, και ο μετασχηματιστής πρέπει να μπορεί να μεταφέρει άεργο ισχύ σε κατάσταση αυτόνομης λειτουργίας (islanded mode) χωρίς να εισέρχεται σε κατάσταση κορεσμού.

Ταυτόχρονα, η ονομαστική ισχύς σε kVA του μετασχηματιστή πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη από τη συνολική ονομαστική έξοδο όλων των αντιστροφέων που είναι συνδεδεμένοι σε αυτόν — πρόκειται για βασική απαίτηση για συντονισμένη προστασία και ρύθμιση τάσης. Για ένα φωτοβολταϊκό τμήμα 1 MW, ένας ανυψωτικός μετασχηματιστής 1250 kVA είναι συνηθισμένη επιλογή· η υποδιάσταση για εξοικονόμηση κόστους οδηγεί συχνά σε θερμικό «στενωπό» ακριβώς τη στιγμή που συμπίπτουν η παραγωγή από τα φωτοβολταϊκά και η εκφόρτιση της μπαταρίας.

Αρμονικές, αντίστροφη ροή ισχύος και θερμική τάση

Οι μετατροπείς φωτοβολταϊκών (PV) και οι μονάδες ελέγχου συστημάτων μπαταριών (PCS) είναι μη γραμμικές πηγές. Όταν πολλές από αυτές λειτουργούν στον ίδιο μετασχηματιστή, οι αρμονικές ροές επαλλήλως προστίθενται και προκαλούν επιπλέον απώλειες που εξαρτώνται από τη συχνότητα, στα τυλίγματα και στον πυρήνα. Το πρόβλημα επιδεινώνεται από αντίστροφος Ροής Ενέργειας : καθώς αυξάνεται η διείσδυση των φωτοβολταϊκών, ο μετασχηματιστής μπορεί να περνά ώρες εξάγοντας ισχύ προς το δίκτυο ή προς το σημείο κοινής σύνδεσης (point of common coupling), μια κατάσταση για την οποία οι συμβατικοί μετασχηματιστές διανομής δεν είχαν βελτιστοποιηθεί.

Πειραματικές και μοντελοποιητικές μελέτες δείχνουν τις θερμικές συνέπειες. Υπό πλήρη φόρτιση με αντίστροφη ροή ισχύος σε συνδυασμό με αρμονική παραμόρφωση, η προσδοκώμενη διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 8.3%, ενώ τα σημεία υψηλής θερμοκρασίας (hotspots) μετακινούνται με τρόπο που επιταχύνει τη γήρανση της μόνωσης. Σε μικροδίκτυα που εναλλάσσονται συχνά μεταξύ εισαγωγής και εξαγωγής, η κυκλική λειτουργία έχει μεγαλύτερη σημασία από το μέσο φορτίο: η θερμική γήρανση συσσωρεύεται βάσει της μέγιστης θερμοκρασίας και του αριθμού των κύκλων, όχι βάσει μιας ομαλής ημερήσιας μέσης τιμής.

Οι μετασχηματιστές που καθορίζονται για χρήση σε μικροδίκτυα πρέπει να διαθέτουν σχεδιασμό με συντελεστή K ή να είναι ανθεκτικοί σε αρμονικές, να προσφέρουν επαρκή ψύξη και συστήματα μόνωσης που έχουν βαθμολογηθεί για επαναλαμβανόμενη θερμική κύκλωση — όχι απλώς ένα τυπικό μονάδα διανομής με υψηλότερη ονομαστική ισχύ σε kVA.

Σύνδεση με το δίκτυο έναντι λειτουργίας σε νησίδα: Δύο διαφορετικές μηχανές σε ένα και το ίδιο πλαίσιο

Κατά τη λειτουργία σύνδεσης με το δίκτυο, η εταιρεία ηλεκτροδότησης καθορίζει την τάση και τη συχνότητα· ο μετασχηματιστής μεταφέρει κυρίως την ισχύ και παρέχει γαλβανική απομόνωση. Τη στιγμή που ανοίγει το σημείο κοινής σύνδεσης, η δυναμική αλλάζει. Ο μετασχηματιστής ενδέχεται να χρειαστεί να λειτουργήσει σε συνεργασία με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών (BESS) και αντιστροφείς φωτοβολταϊκών (PV) για τη σταθεροποίηση της τάσης και της συχνότητας , την απορρόφηση του ρεύματος επαγωγικής επιβάρυνσης και την επιβίωση ρευμάτων εκκίνησης κινητήρων που προηγουμένως παρείχε το κύριο ηλεκτρικό δίκτυο.

Η γείωση είναι η πιο συχνά παραβλεπόμενη διαφορά. Όταν το μικροδίκτυο λειτουργεί σε κατάσταση νησίδας, η αναφορά γείωσης του ουδέτερου αγωγού της εταιρείας ηλεκτροδότησης εξαφανίζεται. Χωρίς μία μετασχηματιστής γείωσης μια μονοφασική βραχυκύκλωση προς τη γη δεν έχει διαδρομή επιστροφής χαμηλής αντίστασης· η προστασία ενδέχεται να μην ανιχνεύσει τη βραχυκύκλωση, και η υπερτάση μπορεί να τεντώσει τη μόνωση. Η επιλογή της αντίστασης είναι εξίσου σημαντική: ένας μετασχηματιστής χαμηλής αντίστασης βελτιώνει τη ρύθμιση τάσης, αλλά αυξάνει το ρεύμα βραχυκύκλωσης, αναγκάζοντας να επανεξεταστούν όλες οι ονομαστικές τιμές των διακοπτών και των πίνακων κατανομής που βρίσκονται κατά μήκος της γραμμής. Ένας μετασχηματιστής μικροδικτύου πρέπει συνεπώς να καθοριστεί λαμβάνοντας υπόψη δύο διαφορετικές λειτουργικές πραγματικότητες—τη φόρτιση κατά τη σύνδεση με το δίκτυο και την υποστήριξη κατά την κατάσταση αυτόνομης λειτουργίας (islanded) όσον αφορά βραχυκυκλώματα και τάση—αντί για μία μόνο.

Σχεδιασμός Διεπαφών και Ορίων Ευθύνης

Η τεχνική ενσωμάτωση αποτυγχάνει εμπορικά όταν τα όρια ευθύνης είναι ασαφή. Το σημείο κοινής σύζευξης (PCC) είναι η φυσική και συμβατική διάκριση: ο φορέας λειτουργίας του δικτύου διανομής διαχειρίζεται το δίκτυο μέχρι το σημείο σύνδεσης (PCC), ενώ ο φορέας λειτουργίας του μικροδικτύου διαχειρίζεται όλα τα στοιχεία που βρίσκονται πίσω από αυτό. Στην πράξη, ωστόσο, η κυριότητα της γραμμής διασύνδεσης, του σταθμού ανύψωσης τάσης και των περιουσιακών στοιχείων διανομής είναι συχνά ασαφής, ενώ η ευθύνη για τις επενδύσεις που απαιτούνται για την ενίσχυση του δικτύου λόγω της εγκατάστασης του μικροδικτύου αποτελεί συχνά αντικείμενο διαφωνίας.

Ένα λειτουργικό σχέδιο διεπαφής καθορίζει ρητά τέσσερα στοιχεία: κυριότητα εξοπλισμού (ποιος κατέχει τον μετασχηματιστή, τον εξοπλισμό διακοπής και τα ρελέ προστασίας), εξουσία ρύθμισης (ποιος ρυθμίζει την προστασία και τον έλεγχο στο σημείο σύνδεσης - PCC), ευθύνη για τις δοκιμές (ποιος εγκαθιστά και ελέγχει την ανίχνευση απομόνωσης και την απόδοση της γείωσης), και όρια δεδομένων και ελέγχου (τι μπορεί να διατάξει ο ελεγκτής του μικροδικτύου σε σύγκριση με το τι διατηρεί η εταιρεία ηλεκτροδότησης). Ο εξοπλισμός που υποστηρίζει σαφή φυσική διαχωριστική γραμμή—διαχωρισμένος πίνακας διακοπτών, ειδικές θυρίδες για μετασχηματιστές γείωσης και πακέτα μετασχηματιστών με καθορισμένες διεπαφές προστασίας—μειώνει την αντίσταση που διαφορετικά εμφανίζεται κατά τις δοκιμές εγκατάστασης και αποσύνδεσης.

Όπου η επιλογή του εξοπλισμού γίνεται η στρατηγική ενσωμάτωσης

Οι παραπάνω τεχνικές απαιτήσεις συγκλίνουν σε ένα μικρό σύνολο αποφάσεων για τον εξοπλισμό. Μετασχηματιστές ανύψωσης τάσης φωτοβολταϊκών και συμπαγείς υποσταθμοί χρειάζονται ανοχή σε αρμονικές, θερμικά περιθώρια για αντίστροφη ροή ισχύος και σχεδιασμό με βάση τον συντελεστή K. Μετατροπείς κατανομής στην πλευρά του φορτίου χρειάζονται διαμορφώσεις αντίστασης και γείωσης συμβατές με τα επίπεδα βραχυκυκλώματος κατά τη λειτουργία σε απομονωμένη λειτουργία. Διακόπτες πρέπει να συντονίζουν την προστασία σε δύο καθεστώτα πηγής—δικτύου ηλεκτροδότησης και απομονωμένης παραγωγής—χωρίς να απαιτείται επαναβαθμονόμηση μετά από κάθε αλλαγή λειτουργικού καθεστώτος.

Η ενσωμάτωση αυτών των λειτουργιών σε μηχανολογικά πακέτα, αντί για την αγορά τους ως ανεξάρτητα εξαρτήματα, συντομεύει τη διαδρομή από την προδιαγραφή έως μία μικροδικτύου που μπορεί πραγματικά να λειτουργήσει αυτόνομα και να επανασυνδεθεί με αξιοπιστία. Ο μετασχηματιστής δεν είναι το πιο ορατό στοιχείο σε μία μικροδικτύου, αλλά είναι το μοναδικό στοιχείο του οποίου η προδιαγραφή καθορίζει σιωπηρά εάν οι φωτοβολταϊκές (PV) πηγές, οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και οι καταναλωτές λειτουργούν ως ένα ενιαίο σύστημα ή ως μία συλλογή ανεξάρτητων μερών.

Σενάρια Εφαρμογής

Συχνές Ερωτήσεις

Ποιος συντελεστής υπερδιάστασης πρέπει να εφαρμοστεί κατά την ταιριάζουσα επιλογή μετασχηματιστή με την έξοδο αντιστροφέα φωτοβολταϊκών;

Η κοινή πρακτική της βιομηχανίας συνιστά συντελεστή υπερδιάστασης 1,10 έως 1,25 επί της ονομαστικής εξόδου AC του αντιστροφέα, προσαρμοσμένος για την περιβάλλουσα θερμοκρασία και το υψόμετρο. Αυτό λαμβάνει υπόψη σύντομες υπερφορτώσεις του αντιστροφέα, το θερμικό φορτίο λόγω αρμονικών και τις απαιτήσεις άεργης ισχύος κατά τη λειτουργία σε απομονωμένο δίκτυο.

Πώς επηρεάζουν οι αρμονικές από τους αντιστροφείς φωτοβολταϊκών και μπαταριών τη διάρκεια ζωής των μετασχηματιστών;

Οι αρμονικά ρεύματα από μη γραμμικές πηγές επικαλύπτονται στον μετασχηματιστή, προκαλώντας επιπλέον απώλειες που εξαρτώνται από τη συχνότητα στα τυλίγματα και στον πυρήνα. Σε κατάσταση πλήρους φορτίου με αντίστροφη ροή ισχύος σε συνδυασμό με παραμόρφωση λόγω αρμονικών, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 8,3 %. Οι σχεδιασμοί με συντελεστή K (K-factor) ή οι αρμονικά ανεκτικοί σχεδιασμοί είναι απαραίτητοι για εφαρμογές μικροδικτύων.

Ποια είναι η βασική διαφορά μεταξύ λειτουργίας μετασχηματιστή συνδεδεμένου στο δίκτυο και λειτουργίας μετασχηματιστή σε κατάσταση νησίδας;

Στη λειτουργία συνδεδεμένου στο δίκτυο, η ΔΕΗ καθορίζει την τάση και τη συχνότητα, ενώ ο μετασχηματιστής μεταβιβάζει την ισχύ και παρέχει μονωτική απόσταση. Στη λειτουργία νησίδας, ο μετασχηματιστής πρέπει να λειτουργεί σε συνεργασία με τους αντιστροφείς BESS και PV για την αγκύρωση της τάσης και της συχνότητας, την απορρόφηση των ρευμάτων μαγνητισμού κατά την εκκίνηση και την αντοχή στα ρεύματα εκκίνησης κινητήρων, τα οποία προηγουμένως παρείχε το κύριο δίκτυο.

Γιατί είναι απαραίτητος ένας γειωτικός μετασχηματιστής σε ένα μικροδίκτυο σε κατάσταση νησίδας;

Όταν το μικροδίκτυο απομονωθεί, χάνεται η αναφορά γείωσης του ουδέτερου από την εταιρεία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Χωρίς μετασχηματιστή γείωσης, ένα μονοφασικό βραχυκύκλωμα προς τη γη δεν έχει χαμηλής αντίστασης διαδρομή επιστροφής· η προστασία ενδέχεται να μην ανιχνεύσει το βραχυκύκλωμα και η υπερτάση μπορεί να τεντώσει τη μόνωση σε ολόκληρο το σύστημα.

Πώς θα πρέπει να οριστούν τα όρια ευθύνης μεταξύ του λειτουργού του μικροδικτύου και της εταιρείας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας;

Το σημείο κοινής σύζευξης (PCC) αποτελεί το φυσικό όριο διαχωρισμού. Ένα εφαρμόσιμο σχέδιο καθορίζει ρητά την κατοχή των εξοπλισμών, την αρμοδιότητα για τις ρυθμίσεις προστασίας, την ευθύνη για τους ελέγχους ανίχνευσης απομόνωσης και γείωσης, καθώς και τα όρια δεδομένων/ελέγχου μεταξύ του ελεγκτή μικροδικτύου και της εταιρείας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

123