Verkkoliitetyt ja verkkoon liittymättömät mikroverkot: Tärkeimmät erot ja laitteistovaatimukset

Mikroverkoilla on kaksi perustoimintatilaa: verkkoon kytketty ja verkkoon kytkemätön. Näillä kahdella tilalla on selkeät erot ohjauslogiikassa, laitteistovalinnoissa ja suojauksen asetuksissa. Näiden erojen ymmärtäminen on perusta laitteistovalinnoille projektin varhaisessa vaiheessa.

1. Miten nämä kaksi mikroverkkojen tyyppiä toimivat

Verkkoon kytketyssä toimintatilassa mikroverkko on kytketty ulkoiseen pääverkkoon yhteisen liitospisteen (PCC) kautta. Pääverkko vastaa jännitteen ja taajuuden vakauttamisesta. Mikroverkon sisällä olevat hajautetut generaattorit ja energiavarastot seuraavat verkkoa ja toimivat pääasiassa yhteistyössä sen kanssa eivätkä tue sitä. Ulkoinen verkko toimii kuin erinomainen jännitelähde ja taajuuslähde ja sitä käytetään mikroverkon vaihtelujen absorbointiin.

Verkosta riippumattomassa toimintatilassa PCC-kytkin katkaistaan, ja mikroverkko muodostaa pienen itsenäisen sähköverkon. Ulkoista energialähdettä ei ole käytettävissä. Mikroverkon sisällä olevien energiavarastojen, aurinkosähköjärjestelmien, dieselgeneraattoreiden ja muiden energialähteiden on itse luotava jännite ja taajuus sekä tasapainotettava jatkuvasti tuotantoa ja kuormaa. Ohjaustila vaihtuu verkon seuraamisesta aktiiviseen tukitoimintaan, mikä lisää merkittävästi haastetta.

Kahden tilan välillä vaihtaminen jaetaan suunniteltuun vaihtoon ja suunnittelemattomaan vaihtoon. Suunniteltu vaihto sisältää valmisteluaikaan: sisäinen tuotanto ja kuorma voidaan säätää ensin, minkä jälkeen mikroverkko voidaan katkaista sujuvasti. Suunnittelematon vaihto aiheutuu usein verkkovian takia. Epänormaalisuuden havaittuaan ohjain on nopeasti katkaistava ja energiavarastot tai varalähde otettava käyttöön, samalla kun osa ei-kriittisistä kuormista poistetaan, jotta pieni järjestelmä ei ylikuormitu ja romahda. Kun siirrytään takaisin verkkoon kytkettyyn tilaan pois verkosta toimivasta tilasta, jännitteen, taajuuden ja vaiheen synkronointi on tehtävä ensin. Muussa tapauksessa sulkeutumishetkellä syntyy hyppäysvirta, joka voi vahingoittaa laitteita.

2. Tekniset haasteet verkosta riippumattomassa toiminnassa sähkökatkon aikana

Kun verkkosähkö loppuu ja järjestelmä siirtyy verkosta riippumattomaan toimintaan, suurin muutos on se, että järjestelmän hitaus katoaa pääverkossa on paljon pyöriviä koneita, jotka luonnollisesti tarjoavat hitautta ja voivat tasoittaa taajuusmuutoksia, joita aiheuttavat äkilliset kuorman muutokset. Verkosta irrotettu mikoverkko on pieni, ja tehoelektroniset laitteet, kuten energiavarastojen muuntajat, eivät pysty tarjoamaan samaa fyysistä hitautta. Taajuus ja jännite reagoivat häiriöihin nopeammin ja suuremmalla amplitudilla.

Tämä aiheuttaa kolme erityistä ongelmaa. Ensinnäkin taajuuden ja jännitteen nopea säätö . Verkosta irrotettuna tilassa energiavaraston muuntajan on siirryttävä verkkoseuraavasta verkkomuodostavaan tilaan ja aktiivisesti luotava jännite- ja taajuusviite. Tämä on paljon vaikeampi ohjata kuin verkossa olevassa tilassa. Toiseksi suunnattoman kytkennän sileys . Jos jännite tai taajuus laskee liikaa kytkennän aikana, herkät kuormat saattavat katketa tai vahingoittua. Siksi kytkentäohjaus on tunnistettava tila ja muutettava strategiaa millisekunneissa. Kolmanneksi maadoitusjärjestelmän muutokset . Kun verkkoon kytketty, maadoitus järjestetään pääverkon toimesta. Kun siirrytään verkkoirtoon, maadoitustapa voi muuttua, mikä vaikuttaa suoraan vikavirran kulkuun ja suojauksen toiminnan oikeellisuuteen.

3. Eri vaatimukset muuntajille, kytkentälaitteille ja suojajärjestelmille

Muut kuin sähkölaitteet

Verkkoynnitetyssä arkkitehtuurissa muuntajan kapasiteetti määritellään pääasiassa mikroverkon ja verkon välisen vaihtotehon perusteella, ja vektoriryhmä sekä muuntosuhde valitaan vastaamaan verkon jännitettä. Verkosta irrallisessa arkkitehtuurissa muuntajan on lisäksi säilytettävä jännite vakiona alhaisen kuorman ja iskukuorman aikana, joten jännitteen säätökyvylle ja impedanssin suunnittelulle asetetaan lisävaatimuksia. Kun oikosulkukapasiteetti on rajoitettu, muuntajan impedanssi auttaa myös rajoittamaan vikavirtaa. Zhongmengin jakelu- ja kuivatyypin muuntajat voivat säätää vektoriryhmiä ja jännitteen säätökonfiguraatioita mikroverkon kapasiteetin ja kuorman ominaisuuksien mukaan, mikä mahdollistaa sopeutumisen kahden arkkitehtuurin eri prioriteetteihin.

Sähkölaitteet

Verkkoonsa kytketyn ja verkosta irrotetun toiminnan raja on yleensä asetettu PCC:hen (point of common coupling). Tässä kohdassa olevan kytkimen on pystyttävä katkaisemaan virta kahdessa suunnassa: sen on leikattava virta nopeasti, kun verkkovirhe tapahtuu, jotta mikroverkko ei syöttäisi sähköä vioittuneeseen verkkoon, ja sen on myös avattava luotettavasti, kun tarvitaan verkosta irrotettua toimintaa. Zhongmengin korkeajännite- ja alajännitekytkentälaitteet sekä valmiiksi valmistetut kabina- ja varusteluratkaisut koottaisiin ja testattaisiin tehtaalla. Työmaalla riittää vain liittää johtimet, mikä tekee ratkaisusta sopivan mikroverkkoprojekteihin, joissa vaaditaan nopeaa käyttöönottoa.

Suojajärjestelmät

Tämä on alue, jossa kahden arkkitehtuurin välillä on suurin ero. Verkkoliitetyssä toiminnassa vikavirta tulee pääasiassa pääverkosta, ja oikosulkuvirran taso on suhteellisen korkea. Kun siirrytään verkkoon liittymättömään toimintaan, oikosulkuvirran tarjoavat ainoastaan mikroverkon sisällä olevat jakelutuotantolähteet, ja se voi olla vain murto-osa verkkoliitetyssä tilassa esiintyvästä arvosta. Jos suojauksen asetukset ovat edelleen määritetty verkkoliitetylle tilalle, rele saattaa epäonnistua vikojen havaitsemisessa verkkoon liittymättömässä tilassa eikä toimi. Siksi suojausjärjestelmän on kyettävä sopeutumaan molempiin toimintatiloihin tai ainakin kyettävä vaihtamaan suojauksen asetusryhmiä toimintatilan muuttuessa. Verkkoliitäntä vaatii myös kaksisuuntaista suojaa, jotta voidaan kattaa viat sekä verkkopuolella että mikroverkopuolella. Zhongmengin suojaus- ja ohjauslaitteet voidaan integroida kytkinlaitteiden ja muuntajien kanssa yhteen kokonaisuuteen, mikä vähentää eri toimittajien laitteiden välistä koordinointiriskiä.

4. Jännitteen, taajuuden ja kuorman vaihteluongelmat verkkoon kytkemättömissä järjestelmissä

Verkkoon kytkemättömässä tilassa jännite ja taajuus eivät enää saa tukea pääverkosta. Niitä säädetään reaaliajassa pääsäätölähteiden, kuten energiavarastomuuntajien tai dieselgeneraattorien, avulla. Tyypillinen käyttötavoite on pitää taajuus noin 50 hertsin tasolla ja jännitteen poikkeama sisällä kuormille hyväksyttävää aluetta. Käytännössä kuitenkin aurinkosähkön tuotannon muutokset sekä suurten kuormien käynnistys ja pysäytys aiheuttavat häiriöitä.

Kuorman vaihtelu on suorin testi verkkoon kytkemättömälle järjestelmälle. Kun suhteellisen suuri moottori käynnistyy, se voi hetkessä laskea järjestelmän jännitettä. Kun aurinkosähkön tuotto laskee äkillisesti pilvien peitettäessä aurinkopaneeleja, taajuus voi nousta. Verkkoon kytkemätön ohjausjärjestelmä on pysyttävä vakaina tällaisissa jatkuvissa häiriöissä. Samalla akkujen energiavarasto on kyettävä lataamaan ja purkamaan tehoa nopeasti tasalaatimaan vaihteluita ja tarvittaessa poistamaan osa ei-kriittisistä kuormista prioriteettijärjestyksessä. Standardit vaativat jo nyt, että verkkoon kytkemättömän järjestelmän siirtyminen verkkoon kytkettyyn tilaan kestää enintään 10 ms, mutta tämä asettaa erinomaisen korkeat vaatimukset ohjainlaitteiden ja kytkinten reagointinopeudelle.

5. Sähköparametrit, jotka on vahvistettava projektin varhaisessa vaiheessa

Mitä selkemmin varhaisessa vaiheessa määritellään parametrit, sitä vähemmän uudelleentyötä tarvitaan laitteiden valinnassa ja suojauksen asetuksissa. Seuraavat parametrit on vahvistettava ensin:

Oikosulkuvirtataso. Lyhöksivirtojen suurin ja pienin arvo on määritettävä erikseen verkkoliitännän ja erillisen toimintatilan tapauksissa. Verkkoliitännässä ne syöttävät sekä verkko että hajautetut lähteet yhdessä. Erillisen toimintatilan tapauksessa ne syöttävät vain hajautetut lähteet. Näiden arvojen välillä voi olla useita kertoja suurempi ero. Tämä on suora perusta kytkinlaitteiston katkaisukapasiteetin valinnalle ja suojausarvojen asettamiselle.

Maadoitusmenetelmä. Verkkopuolen ja mikroverkon puolen maadoitusmenetelmät tulee sovittaa keskenään. Keskipisteen maadoitusmenetelmä määrittää yksivaiheisen maasulun virran suuruuden ja kulkuajan sekä vaikuttaa myös muuntajan vektoriryhmän valintaan. Erillisen toimintatilan aloittamisen jälkeen maadoitustilanne voi muuttua, joten maadoituksen järjestely ennen ja jälkeen kytkentäoperaation on määriteltävä suunnitteluvaiheessa.

Muuntajan parametrit. Näihin kuuluvat nimelliskapasiteetti, jännitesuhde, vektoriryhmä, impedanssijännite ja jännitteen säätömenetelmä. Kapasiteetti voidaan valita mikroverkon ja ulkoisen verkon välisen suurimman jatkuvan vaihtotehon perusteella, ja myös off-grid-tilassa käynnistettävien vaikutuskuormien kykyä on tarkistettava.

Harmonisten komponenttien ominaisuudet. Invertterien ja epälineaaristen kuormien harmoninen spektri, järjestys ja sisältö on tiedettävä etukäteen. Harmoniset komponentit vaikuttavat sähkön laatuun ja voivat aiheuttaa myös lisäkuormituksen muuntajille sekä kondensaattorien resonanssin. Valinnan yhteydessä on varmistettava vastaava harmonisten komponenttien kestämyskyky tai lieventämisratkaisut.

Sallitut taajuus- ja jännitealueet. Verkkoliitetyssä ja off-grid-tilassa toiminnan rajat sekä kytkentätilanteissa sallitut transienttipoikkeamat on määriteltävä. Nämä indikaattorit määrittävät suoraan muuntimen ohjausstrategian ja suojauksen asetukset.

Kuorman luokittelu ja suurin vaikutuskuorma. Verkosta riippumaton järjestelmä on kapasiteetiltaan rajoitettu. On eriteltävä kriittiset ja ei-kriittiset kuormat sekä vahvistettava suurimman yksittäisen moottorin käynnistystapa ja käynnistysvirta. Tämä määrittää vaadittavan ylikuormitustiedon energiavarastomuuntajalle ja verkkoon liittymättömän kuorman irrottamisstrategian kynnysarvon.

Zhongmeng-tuotteiden integraatiopisteet: Yllä mainitut parametrit on lopulta toteutettava tiettyihin laitteisiin. Jakelumuuntajat hoitavat jännitteen muunnoksen ja impedanssisovituksen. Kytkinlaitteet hoitavat PCC:n (point of common coupling) avaamisen/sulkeemisen ja piirin suojauksen. Mukautettu sähkönsiirtolaitteisto integroi muuntajat, kytkinlaitteet, suojauksen ja ohjauksen sekä valvontajärjestelmän valmiiksi valmistettuihin kabinaatteihin tai maanpäällisiin muuntamoihin, mikä vähentää koordinaatiovirheitä paikan päällä tapahtuvassa kokoonpanossa. Jos oikosulkuvirta, maadoitustapa, ylätaajuudet ja kuorman ominaisuudet määritetään projektin varhaisessa vaiheessa, voidaan koko laitteisto mukauttaa todellisiin käyttöolosuhteisiin sen sijaan, että tehtäisiin passiivisia kompromisseja standardituotteiden kanssa.

6. Käyttötarkoitus

7. Usein kysytyt kysymykset

K: Mikä on tärkein ero verkkoon kytkettyjen ja verkosta riippumattomien mikroverkkojen välillä?

V: Tärkein ero koskee ohjauslogiikkaa. Verkkoon kytketyssä tilassa ulkoinen pääverkko tarjoaa jännite- ja taajuusviitteen, ja mikroverkko seuraa verkkoa. Verkosta riippumattomassa tilassa mikroverkon on luotava oma jännite ja oma taajuus sisäisen energiavarastonsa ja generaattoriensa avulla, mikä tekee ohjauksesta huomattavasti monimutkaisemman.

K: Miksi suojajärjestelmä eroaa näiden kahden arkkitehtuurin välillä?

A: Oikosulkuvirran tasot vaihtelevat huomattavasti. Verkkoliitetyssä tilassa pääverkko tarjoaa korkean vikavirran. Verkosta irrotetussa tilassa ainoastaan hajautetut lähteet tarjoavat vikavirtaa, joka voi olla vain murto-osa verkkoliitetyssä tilassa esiintyvästä arvosta. Verkkoliitetylle tilalle suunnitellut suojausasetukset saattavat epäonnistua vikojen havaitsemisessa verkosta irrotetussa tilassa, joten tarvitaan sopeutuvaa suojausta tai vaihdeltavia asetusryhmiä.

K: Mikä kytkentäaika vaaditaan siirtyessä verkosta irrotettuun tilaan verkkoliitettyyn tilaan?

A: Teollisuuden standardit vaativat, että verkosta irrotetusta tilasta verkkoliitettyyn tilaan siirtymisen kytkentäaika ei saa ylittää 10 ms. Tämä asettaa erinomaisen korkeat vaatimukset ohjainlaitteiden ja kytkinlaitteiden vastausnopeudelle sekä edellyttää jännitteen, taajuuden ja vaiheen tarkkaa synkronointia ennen uudelleenliittämistä.

K: Mikä rooli muuntajalla on mikroverkossa?

A: Muuntajat hoitavat jännitteen muunnoksen ja impedanssin sovituksen mikroverkon ja ulkoisen verkon välillä. Verkosta irrotettuna toiminnassa niiden on lisäksi säilytettävä jännitteen vakaus alhaisen kuorman ja iskukuorman olosuhteissa. Muuntajien impedanssi voi myös rajoittaa vikavirtaa, kun oikosulkukyky on rajoitettu.

K: Mitkä sähköparametrit on vahvistettava mikroverkko-projektin varhaisessa vaiheessa?

A: Tärkeimmät parametrit ovat: oikosulkuvirran tasot molemmissa toimintatavoissa, maadoitustapa, muuntajaparametrit (teho, muuntosuhde, kytkentaryhmä, impedanssi), harmonisten komponenttien ominaisuudet, sallitut taajuus- ja jännitealueet sekä kuormien luokittelu suurimman iskukuorman kanssa. Näiden varhainen vahvistaminen vähentää uudelleentyötä laitteiden valinnassa ja suojauksen asetuksissa.