ریزشبکه‌های متصل به شبکه در مقابل ریزشبکه‌های مستقل: تفاوت‌های کلیدی و نیازمندی‌های تجهیزاتی

ریزشبکه‌ها دو حالت عملیاتی اصلی دارند: متصل به شبکه و جدا از شبکه. این دو حالت از نظر منطق کنترل، انتخاب تجهیزات و تنظیمات حفاظتی به‌وضوح با یکدیگر متفاوت‌اند. درک این تفاوت‌ها پایه‌ای برای انتخاب تجهیزات در مراحل اولیه یک پروژه است.

۱. نحوه عملکرد این دو نوع ریزشبکه

در حالت عملیاتی متصل به شبکه، ریزشبکه از طریق نقطه اتصال مشترک (PCC) به شبکه اصلی خارجی متصل می‌شود. شبکه اصلی مسئولیت ثبات ولتاژ و فرکانس را بر عهده دارد. مولدهای توزیع‌شده و ذخیره‌سازهای انرژی داخل ریزشبکه به شبکه خارجی تبعیت کرده و عمدتاً همکاری می‌کنند نه اینکه آن را پشتیبانی نمایند. شبکه خارجی مانند یک منبع ولتاژ و فرکانس بسیار بزرگ عمل می‌کند و نوسانات ریزشبکه را جذب می‌کند.

در حالت کار بدون اتصال به شبکه، نقطهٔ اتصال مشترک قطع می‌شود و ریزشبکه تبدیل به یک سیستم کوچک مستقل تأمین انرژی می‌گردد. هیچ منبع خارجی برای اتکا وجود ندارد. ذخیره‌سازی انرژی، فتوولتائیک، ژنراتورهای دیزلی و سایر منابع داخل ریزشبکه باید ولتاژ و فرکانس را خودشان ایجاد کنند و به‌طور مداوم تولید و بار را متعادل سازند. حالت کنترل از پیروی از شبکه به حالت پشتیبانی فعال تغییر می‌کند و درجهٔ سختی به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

تغییر بین دو حالت به دو نوع تغییر برنامه‌ریزی‌شده و تغییر غیربرنامه‌ریزی‌شده تقسیم می‌شود. تغییر برنامه‌ریزی‌شده زمان آماده‌سازی دارد: ابتدا تولید داخلی و بار می‌توانند تنظیم شوند، سپس ریزشبکه می‌تواند به‌صورت نرم از شبکه جدا شود. تغییر غیربرنامه‌ریزی‌شده اغلب توسط خطا در شبکه ایجاد می‌شود. پس از تشخیص ناهنجاری، کنترلر باید سریعاً اتصال را قطع کند و اجازه دهد ذخیره‌ساز انرژی یا منبع پشتیبان جایگزین شود، در حالی که برخی بارهای غیرضروری قطع می‌شوند تا از اضافه‌بار و فروپاشی سیستم کوچک جلوگیری شود. هنگام بازگشت از حالت کار مستقل به حالت اتصال به شبکه، ابتدا باید همگام‌سازی ولتاژ، فرکانس و فاز انجام شود. در غیر این صورت، در لحظه بسته شدن، جریان ضربه‌ای رخ خواهد داد و ممکن است به تجهیزات آسیب برساند.

۲. چالش‌های فنی عملیات مستقل در هنگام قطعی برق

پس از اینکه برق شهر قطع شد و سیستم به حالت کار مستقل می‌رود، بزرگترین تغییر این است که اینرسی سیستم ناپدید می‌شود شبکهٔ اصلی دارای ماشین‌های چرخان بسیاری است که به‌طور طبیعی اینرسی تأمین می‌کنند و می‌توانند تغییرات فرکانس ناشی از تغییرات ناگهانی بار را جذب کنند. یک ریزشبکهٔ بدون اتصال به شبکهٔ اصلی کوچک است و دستگاه‌های الکترونیک قدرت مانند مبدل‌های ذخیره‌سازی انرژی نمی‌توانند اینرسی فیزیکی مشابهی فراهم کنند. بنابراین پاسخ فرکانس و ولتاژ به اختلالات سریع‌تر و با دامنهٔ بزرگ‌تری است.

این امر سه مشکل خاص را به‌دنبال دارد. اول، تنظیم سریع فرکانس و ولتاژ در حالت بدون اتصال به شبکه، مبدل ذخیره‌سازی انرژی باید از حالت پیروی از شبکه به حالت ایجاد شبکه تغییر کند و به‌صورت فعال مرجع ولتاژ و فرکانس را برقرار سازد. این کار کنترل آن را بسیار سخت‌تر از حالت متصل به شبکه می‌کند. دوم، نرمی در تغییر ناگهانی وضعیت اگر در طول تغییر وضعیت ولتاژ یا فرکانس بیش از حد کاهش یابد، بارهای حساس ممکن است قطع شوند یا آسیب ببینند. بنابراین کنترل تغییر وضعیت باید وضعیت را در مدت چند میلی‌ثانیه تشخیص داده و استراتژی را تغییر دهد. سوم، تغییرات در سیستم اتصال به زمین هنگام اتصال به شبکه، اتصال به زمین توسط شبکه اصلی انجام می‌شود. پس از قطع از شبکه، روش اتصال به زمین ممکن است تغییر کند که این امر مستقیماً بر مسیر جریان خطا و صحت عملکرد سیستم‌های حفاظتی تأثیر می‌گذارد.

۳. نیازمندی‌های متفاوت برای ترانسفورماتورها، تجهیزات قطع و وصل و سیستم‌های حفاظتی

ترانسفورماتورها

در معماری متصل‌شده به شبکه، ظرفیت ترانسفورماتور عمدتاً توسط توان تبادلی بین ریزشبکه و شبکه تعیین می‌شود و گروه برداری و نسبت ترانسفورماتور به‌گونه‌ای انتخاب می‌شوند که با ولتاژ شبکه سازگار باشند. در معماری غیرمتصل‌به‌شبکه، ترانسفورماتور باید ولتاژ را حتی در شرایط بار کم و بارهای ضربه‌ای نیز پایدار نگه دارد؛ بنابراین الزامات اضافی‌ای بر قابلیت تنظیم ولتاژ و طراحی امپدانس تحمیل می‌شود. هنگامی که ظرفیت اتصال‌کوتاه محدود است، امپدانس ترانسفورماتور نیز در محدودسازی جریان خطا مؤثر است. ترانسفورماتورهای توزیع و ترانسفورماتورهای خشک شرکت Zhongmeng قابلیت تنظیم گروه برداری و پیکربندی تنظیم ولتاژ را بر اساس ظرفیت ریزشبکه و ویژگی‌های بار فراهم می‌کنند و این امر آن‌ها را برای تطبیق با اولویت‌های متفاوت این دو معماری مناسب می‌سازد.

دستگاه های سوئیچ

مرز بین کارکرد متصل به شبکه و کارکرد جدا از شبکه معمولاً در نقطهٔ اتصال مشترک (PCC) تعیین می‌شود. کلید موجود در این نقطه باید قابلیت قطع دوطرفه را داشته باشد: یعنی هنگام خرابی شبکه باید به‌سرعت قطع شود تا از تغذیهٔ شبکهٔ معیوب توسط ریزشبکه جلوگیری شود، و همچنین هنگام نیاز به کارکرد جدا از شبکه باید به‌طور قابل‌اطمینان باز شود. تجهیزات کلیدزنی فشارقوی و فشارضعیف و تجهیزات کابین پیش‌ساختهٔ شرکت ژونگمنگ در کارخانه پیش‌مونتاژ و آزمایش می‌شوند؛ بنابراین در محل نصب تنها نیاز به اتصال خطوط است که این ویژگی برای پروژه‌های ریزشبکه که نیازمند اجرای سریع هستند، مناسب می‌باشد.

سیستم‌های حفاظتی

این ناحیه بزرگ‌ترین تفاوت را بین دو معماری دارد. در حالت کارکرد متصل به شبکه، جریان خطا عمدتاً از طریق شبکه اصلی تأمین می‌شود و سطح جریان اتصال کوتاه نسبتاً بالا است. پس از تغییر به حالت کارکرد جدا از شبکه، جریان اتصال کوتاه تنها توسط منابع توزیع‌شده داخل ریزشبکه تأمین می‌شود و ممکن است تنها کسری از مقدار حالت متصل به شبکه باشد. اگر تنظیمات حفاظتی همچنان برای شرایط متصل به شبکه باقی بمانند، رله ممکن است در حالت جدا از شبکه قادر به تشخیص خطاهای احتمالی نباشد و عمل نکند. بنابراین، سیستم حفاظتی باید قابلیت تطبیق‌پذیری در هر دو حالت را داشته باشد یا حداقل بتواند گروه‌های تنظیمات حفاظتی را هنگام تغییر حالت جابه‌جا کند. رابط شبکه نیز نیازمند حفاظت دوطرفه است تا خطاهای رخ‌داده در هر دو سوی شبکه و ریزشبکه را پوشش دهد. دستگاه‌های حفاظتی و کنترلی شونگمنگ می‌توانند با تجهیزات قطع و وصل و ترانسفورماتورها در قالبی یکپارچه ادغام شوند و این امر خطرات ناسازگانی بین تجهیزات تأمین‌شده از تولیدکنندگان مختلف را کاهش می‌دهد.

۴. مسائل نوسانات ولتاژ، فرکانس و بار در سیستم‌های بدون اتصال به شبکه

در حالت بدون اتصال به شبکه، ولتاژ و فرکانس دیگر توسط شبکه اصلی پشتیبانی نمی‌شوند. بلکه این دو کمیت در زمان واقعی توسط منابع اصلی کنترل، مانند مبدل‌های ذخیره‌سازی انرژی یا ژنراتورهای دیزلی تنظیم می‌شوند. هدف معمول عملیاتی، حفظ فرکانس نزدیک به ۵۰ هرتز و انحراف ولتاژ در محدوده‌ای است که برای مصرف‌کننده‌ها قابل قبول باشد. با این حال، در عمل واقعی، تغییرات خروجی فتوولتائیک و روشن یا خاموش شدن بارهای بزرگ، هر دو باعث ایجاد اختلال می‌شوند.

تغییرات بار مستقیم‌ترین آزمون برای سیستم‌های خارج از شبکه است. هنگامی که موتوری نسبتاً بزرگ راه‌اندازی می‌شود، ممکن است ولتاژ سیستم را به‌صورت لحظه‌ای کاهش دهد. هنگامی که تولید فتوولتائیک (PV) به‌دلیل پوشش ابری به‌طور ناگهانی کاهش می‌یابد، فرکانس ممکن است افزایش یابد. کنترل سیستم‌های خارج از شبکه باید در برابر چنین اختلالات مداومی پایدار باقی بماند. در عین حال، ذخیره‌سازی انرژی باتری باید به‌سرعت توان را شارژ و دشارژ کند تا نوسانات را صاف کند و در صورت لزوم، برخی از بارهای غیرضروری را با اولویت‌بندی مناسب قطع نماید. استانداردها از پیش زمان تبدیل از حالت خارج از شبکه به حالت متصل به شبکه را حداکثر ۱۰ میلی‌ثانیه تعیین کرده‌اند، اما این امر نیازمند هماهنگی بسیار بالایی در سرعت پاسخ‌دهی کنترلرها و تجهیزات قطع‌کننده است.

۵. پارامترهای الکتریکی که باید در مرحله اولیه پروژه تأیید شوند

هرچه پارامترهای اولیه واضح‌تر باشند، بازکاری کمتری در انتخاب تجهیزات و تنظیم تنظیمات حفاظتی لازم خواهد بود. پارامترهای زیر باید ابتدا تأیید شوند:

سطح جریان اتصال کوتاه. بیشترین و کمترین جریان‌های اتصال کوتاه را باید به‌طور جداگانه برای حالت‌های متصل به شبکه و غیرمتصل به شبکه به‌دست آورد. در حالت متصل به شبکه، این جریان‌ها توسط شبکه و منابع پراکنده به‌صورت مشترک تأمین می‌شوند. در حالت غیرمتصل به شبکه، تنها منابع پراکنده این جریان‌ها را تأمین می‌کنند. این دو مقدار ممکن است چندین برابر با یکدیگر تفاوت داشته باشند. این امر مستقیماً مبنای انتخاب ظرفیت قطع کلیدهای قدرت و تنظیم مقادیر حفاظتی است.

روش اتصال به زمین. روش‌های اتصال به زمین در سمت شبکه و سمت ریزشبکه باید هماهنگ باشند. روش اتصال نوترال به زمین، بزرگی و مسیر جریان اتصال تک‌فاز به زمین را تعیین می‌کند و همچنین بر انتخاب گروه برداری ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد. پس از عملیات غیرمتصل به شبکه، شرایط اتصال به زمین ممکن است تغییر کند؛ بنابراین، چیدمان اتصال به زمین قبل و پس از تغییر حالت را باید در مرحله طراحی مشخص کرد.

پارامترهای ترانسفورماتور. این موارد شامل ظرفیت نامی، نسبت ولتاژ، گروه برداری، ولتاژ امپدانس و روش تنظیم ولتاژ می‌شوند. ظرفیت را می‌توان بر اساس بیشترین توان تبادلی پیوسته بین ریزشبکه و شبکه خارجی انتخاب کرد و همچنین توانایی راه‌اندازی بارهای ضربه‌ای در حالت بدون اتصال به شبکه نیز باید بررسی شود.

ویژگی‌های هارمونیکی. طیف هارمونیکی، مرتبه و محتوای اینورترها و بارهای غیرخطی باید از پیش شناخته شده باشند. هارمونیک‌ها بر کیفیت توان تأثیر می‌گذارند و ممکن است باعث گرمایش اضافی ترانسفورماتور و رزونانس خازن‌ها نیز شوند. در فرآیند انتخاب، توانایی تحمل هارمونیک متناظر یا اقدامات کاهشی مناسب باید در نظر گرفته شوند.

محدوده‌های مجاز فرکانس و ولتاژ. مرزهای عملیاتی در هر دو حالت اتصال به شبکه و بدون اتصال به شبکه، و همچنین انحرافات گذرا مجاز در زمان جابجایی باید تعریف شوند. این شاخص‌ها به‌طور مستقیم استراتژی کنترل مبدل و تنظیمات حفاظتی را تعیین می‌کنند.

طبقه‌بندی بارها و بیشترین بار ضربه‌ای. سیستم بدون اتصال به شبکه ظرفیت محدودی دارد. بارهای حیاتی و غیرحیاتی باید از یکدیگر تشخیص داده شوند و روش راه‌اندازی و جریان راه‌اندازی بزرگ‌ترین موتور تکی باید تأیید شود. این امر قابلیت بار اضافی مورد نیاز مبدل ذخیره‌سازی انرژی و آستانه‌ی استراتژی کاهش بار در حالت بدون اتصال به شبکه را تعیین می‌کند.

نقاط ادغام محصول ژونگمنگ: پارامترهای فوق در نهایت باید در تجهیزات خاصی پیاده‌سازی شوند. ترانسفورماتورهای توزیع مسئول تبدیل ولتاژ و تطبیق امپدانس هستند. تجهیزات قطع و وصل، باز و بستن نقطه اتصال به شبکه (PCC) و حفاظت از مدار را انجام می‌دهند. تجهیزات توزیع انرژی سفارشی، ترانسفورماتورها، تجهیزات قطع و وصل، سیستم‌های حفاظتی و کنترلی و نظارتی را در داخل کابین‌های پیش‌ساخته یا ایستگاه‌های فشار قوی روی پایه یکپارچه می‌کنند و این امر خطاهای هماهنگی را در مرحله نصب در محل کاهش می‌دهد. اگر جریان اتصال کوتاه، روش اتصال به زمین، هارمونیک‌ها و ویژگی‌های بار در مراحل اولیه پروژه تعیین شوند، می‌توان تجهیزات کامل را متناسب با شرایط عملیاتی واقعی سفارش داد، نه اینکه مجبور به انجام تغییرات اجباری روی محصولات استاندارد شد.

6. سناریوهای کاربرد

7. پرسش‌های متداول

سوال: تفاوت اصلی بین ریزشبکه‌های متصل به شبکه و ریزشبکه‌های بدون اتصال به شبکه چیست؟

پاسخ: تفاوت اصلی در منطق کنترلی است. در حالت متصل به شبکه، شبکه اصلی خارجی مرجع ولتاژ و فرکانس را فراهم می‌کند و ریزشبکه از این مرجع پیروی می‌کند. در حالت بدون اتصال به شبکه، ریزشبکه باید ولتاژ و فرکانس خود را از طریق ذخیره‌سازی انرژی داخلی و نیروگاه‌ها ایجاد کند که این امر کنترل را به‌طور قابل‌توجهی پیچیده‌تر می‌سازد.

سوال: چرا سیستم محافظت در این دو معماری متفاوت است؟

الف: سطوح جریان اتصال کوتاه به‌طور چشمگیری متفاوت‌اند. در حالت متصل به شبکه اصلی، شبکه اصلی جریان اتصال کوتاه بالایی تأمین می‌کند. در حالت جدا از شبکه، تنها منابع پراکنده جریان اتصال کوتاه را تأمین می‌کنند که ممکن است تنها بخش کوچکی از مقدار حالت متصل به شبکه باشد. تنظیمات حفاظتی که برای شرایط متصل به شبکه طراحی شده‌اند، ممکن است در حالت جدا از شبکه قادر به تشخیص خطا نباشند؛ بنابراین نیاز به سیستم‌های حفاظت تطبیقی یا گروه‌های قابل تغییر تنظیمات وجود دارد.

سوال: زمان سوئیچینگ مورد نیاز هنگام انتقال از حالت جدا از شبکه به حالت متصل به شبکه چقدر است؟

پاسخ: استانداردهای segu صنعتی زمان سوئیچینگ از حالت جدا از شبکه به حالت متصل به شبکه را حداکثر ۱۰ میلی‌ثانیه تعیین می‌کنند. این امر نیاز بسیار بالایی به سرعت پاسخ‌دهی کنترلرها و تجهیزات سوئیچینگ ایجاد می‌کند و هماهنگی دقیق ولتاژ، فرکانس و فاز را قبل از اتصال مجدد الزامی می‌سازد.

سوال: ترانسفورماتورها در یک ریزشبکه چه نقشی ایفا می‌کنند؟

الف: ترانسفورماتورها مسئول تبدیل ولتاژ و تطبیق امپدانس بین ریزشبکه و شبکهٔ خارجی هستند. در حالت بدون اتصال به شبکه، آن‌ها باید در شرایط بار کم و بار ضربه‌ای نیز پایداری ولتاژ را حفظ کنند. امپدانس ترانسفورماتور علاوه بر این، می‌تواند در محدود کردن جریان اتصال کوتاه نیز کمک‌کننده باشد وقتی ظرفیت اتصال کوتاه محدود است.

سوال: کدام پارامترهای الکتریکی باید در مرحلهٔ اولیهٔ یک پروژهٔ ریزشبکه تأیید شوند؟

پاسخ: پارامترهای کلیدی شامل سطوح جریان اتصال کوتاه برای هر دو حالت، روش زمین‌کردن، پارامترهای ترانسفورماتور (ظرفیت، نسبت تبدیل، گروه برداری و امپدانس)، ویژگی‌های هارمونیکی، محدوده‌های مجاز فرکانس و ولتاژ، و طبقه‌بندی بارها همراه با بیشترین بار ضربه‌ای است. تأیید این پارامترها در ابتدا، باعث کاهش کارهای اصلاحی در انتخاب تجهیزات و تنظیم تنظیمات حفاظتی می‌شود.