Kuinka integroida aurinkosähköjärjestelmiä, akkukäyttöisiä varastointijärjestelmiä ja jakelumuuntajia mikroverkkoon

Mikroverkkoa kuvataan usein sen lähteiden avulla – aurinkokennojärjestelmien ja akkupakkojen – mutta laitteet, jotka määrittävät, toimivatko kyseiset lähteet todella hyvin yhdessä, sijaitsevat keskellä: muuntaja . Verkkoliitetyssä tilassa se toimii tehon kuljetuskanavana. Saaritilassa se muodostaa osan koko järjestelmän jännite- ja taajuusviitetta. Siksi aurinkokennojen–PCS:n–muuntajan–kuorman suhteen oikea määrittäminen ei ole vain hankintayksityiskohta; se on arkkitehtoninen päätös, joka määrittää, onko mikroverkko vakaa, tehokas ja kestävä.

Sähköinen ketju: aurinkokennot, PCS, muuntaja, kuorma

Tyypillinen AC-kytketty mikroverkko noudattaa selkeää järjestystä. Aurinkokennot tuottavat tasajännitettä (DC) tehonmuuntajajärjestelmään (PCS), johon kuuluu invertteri ja keskijännitejärjestelmissä myös korotusmuuntaja. PCS:n ulostulo korotetaan keskijännitteeksi, kerätään ja sitten alennetaan kulutuspuolella jakelumuuntajien avulla. Akkukäyttöinen varastointijärjestelmä liitetään kaksisuuntaiseen PCS:hen samalle vaihtojänniteväylälle, mikä mahdollistaa lataus- ja purkutehon virran molempiin suuntiin.

Muuntajan rooli vaihtelee sen sijainnin mukaan. Korotusmuuntajat tuotantopuolella palvelevat pääasiassa energiantuottavia sovelluksia, nostamalla invertteritasoiset jännitteet (480–600 V) 10 kV:ksi, 34,5 kV:ksi tai korkeammaksi keräystä ja siirtoa varten. Jakaumuuntajat kulutuspuolella suorittavat päinvastaisen toiminnon, alentamalla keskijännitteen käyttöjännitteeksi. Mikroverkossa molemmat toiminnot täytyy olla yhtä aikaa olemassa, ja usein sama muuntaja täytyy tukea tehon virtausta *molempiin* suuntiin riippuen siitä, onko aurinkokennojen tuotto suunnattu ulos verkosta vai ladataanko akkua.

Muuntajan koon määrittäminen invertterin lähtötehon perusteella

Muuntajan kapasiteettia ei tulisi käsitellä yksinkertaisena 1:1-kopiona invertterin nimellisarvosta. Teollisuuden käytäntö soveltaa invertterin vaihtovirtalähtöön noin 1,10–1,25 kerrointa, joka on säädetty ympäristön lämpötilan ja korkeuden mukaan. Perustelu on suoraviivainen: invertterit voivat lyhyeksi ajaksi ylikuormittua, harmoniset virrat lisäävät lämmitystaakkaa, ja muuntajan on pystyttävä kuljettamaan loistehoa saaretilatoimintatilassa ilman magneettista kyttäytymistä.

Saman aikaa muuntajan nimelliskVA-arvon on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin kaikkien siihen kytkettyjen invertterien yhteinen nimellislähtöteho – tämä on perusvaatimus yhteistyössä toimivien suojauslaitteiden ja jännitteen säädön varmistamiseksi. 1 MW:n aurinkosähkölohkoon 1250 kVA:n nostomuuntaja on yleinen ratkaisu; liian pieni muuntaja kustannusten säästämiseksi aiheuttaa usein lämpösuuttimen, erityisesti kun aurinkosähkön tuotanto ja akkujen purku tapahtuvat samanaikaisesti.

Harmoniset virrat, käänteinen tehonkulku ja lämpötaakka

Auringonvoiman invertterit ja akkujen PCS-yksiköt ovat epälineaarisia lähteitä. Kun niitä toimii samalla muuntajalla useita, harmoniset virrat ylittyvät ja aiheuttavat lisätaajuusriippuvaisia tappioita käämityksissä ja ytimissä. Ongelmaa pahentaa käänteinen virta : kun auringonvoiman osuus kasvaa, muuntaja voi viettää tunteja siirtäen tehoa takaisin sähköverkkoon tai yhteiseen liitospisteeseen, mikä on tilanne, johon perinteiset jakeluverkkomuuntajat eivät ole optimoitu.

Kokeellinen ja mallinnustyö osoittaa lämpövaikutukset. Täydellisen kuorman käänteisessä tehonsiirrossa yhdistettynä harmoniseen vääristymään muuntajan odotettavissa oleva käyttöikä voi pienentyä noin 8.3%, ja kuumat kohdat siirtyvät tavalla, joka kiihdyttää eristeen ikääntymistä. Mikroverkoissa, jotka vaihtavat usein tuonti- ja vientitilanteita, syklinen kuormitus on tärkeämpi kuin keskimääräinen kuormitus: lämpöikääntyminen kertyy huipputemperaturen ja syklien määrän perusteella, ei sileän päivittäisen keskiarvon perusteella.

Mikroverkkopalveluun tarkoitetut muuntajat vaativat K-tekijän tai harmonioiden kestävän suunnittelun, riittävän jäähdytyksen ja eristysjärjestelmän, joka on luokiteltu toistuvaa lämpökyklistä käyttöä varten – ei pelkästään standardia jakelumuuntajaa, jolle on annettu korkeampi kVA-luokitus.

Verkkoliitoksellinen vs. saaritettu: kaksi eri konetta yhdessä rungossa

Verkkoliitoksellisen toiminnan aikana sähköverkko määrittää jännitteen ja taajuuden; muuntaja siirtää pääasiassa tehoa ja tarjoaa galvaanisen erotuksen. Heti kun yhteispiste avautuu, dynamiikka muuttuu. Muuntajan saattaa olla työskenneltävä BESS- ja PV-kääntäjien kanssa, jotta se voi pitää jännitettä ja taajuutta vakaina , ottaa vastaan magneettisen käynnistysvirran ja kestää moottorin käynnistysvirtoja, jotka aiemmin tuli pääsähköverkosta.

Maadoitus on usein eniten huomiotta jäänyt ero. Kun mikroverkko saaritetaan, sähköverkon nollajohtimen maadoitusviite katoaa. Ilman maadoitustransformaattori , yksivaiheinen maasulku ei muodosta alaimpedanssista paluupolkuja; suojajärjestelmä ei välttämättä havaitse vikaa, ja ylijännite voi rasittaa eristystä. Impedanssin valinta on yhtä merkityksellinen: alaimpedanssinen muuntaja parantaa jännitteen säätöä, mutta lisää vikavirtaa, mikä pakottaa tarkistamaan kaikkien alapuolisten katkaisijoiden ja kytkinlaitteiden nimellisarvot. Siksi mikroverkon muuntaja on määriteltävä kahden toimintatilanteen perusteella – normaalin verkkoliitoksen kuormituksen ja saarelaitoksen vikojen ja jännitteen tukemisen – eikä vain yhden perusteella.

Suunnittelurajapinnat ja vastuun rajat

Tekninen integraatio epäonnistuu kaupallisesti, kun vastuun rajat ovat epäselviä. yleinen liitospiste (PCC) on luonnollinen fyysinen ja sopimukseen perustuva erottelu: jakeluverkon toimija hallinnoi verkkoa PCC:n (piste, jossa mikroverkko liittyy verkkoon) saakka, ja mikroverkon toimija hallinnoi kaikkea sen takana olevaa. Käytännössä kuitenkin yhdistämislinjan, korotusaseman ja jakeluverkon varojen omistus on usein epäselvää, ja mikroverkon aiheuttaman verkkovahvistuksen investointivastuu on usein kiistanalainen.

Toimiva rajapintasuunnitelma määrittelee neljä asiaa selkeästi: laitteiden omistus (kuka omistaa muuntajan, kytkinlaitteiston ja suojarelayt), asetusvaltuudet (kuka määrittää suojauksen ja ohjauksen PCC:ssä), testausvastuu (kuka vastaa saaristumisen tunnistamisen ja maadoituksen suorituskyvyn käynnistämisestä) ja tieto- ja ohjausrajoitukset (mikä mikroverkon ohjain voi käskyttää verrattuna siihen, mitä verkko-operaattori säilyttää). Laitteet, jotka tukevat selkeää fyysistä erottelua – erilliset kytkinlaitteet, omat maadoitustransformaattoritilat ja transformaattoripaketit määritellyillä suojausliittymillä – vähentävät kitkaa, joka muuten ilmenee käyttöönoton ja saarestumistestien aikana.

Missä laitteiden valinta muodostuu integraatiostrategiaksi

Yllä mainitut tekniset vaatimukset johtavat pieneen joukkoon laitepäätöksiä. PV:n korotusmuuntajat ja tiukat sähköasemat vaativat harmonisten yliaaltojen kestävyyttä, käänteisen tehon lämpövaraa ja K-tekijään perustuvaa suunnittelua. Jakaumuuntajat kuormapuolen laitteet vaativat impedanssi- ja maadoituskonfiguraatioita, jotka ovat yhteensopivia saarestetun verkon vikatasojen kanssa. Sähkölaitteet on kyettävä koordinoimaan suojaus kahden eri lähteen – verkko-operaattorin ja saarestetun sähkön tuotannon – välillä ilman, että suojausarvoja on muutettava jokaisen toimintatilan vaihtoehdon jälkeen.

Näiden toimintojen integrointi suunniteltuihin kokonaisuuksiin – sen sijaan, että niitä hankitaan erillisinä komponentteina – lyhentää määrittelyvaiheesta siihen mikroverkkoon, joka voi luotettavasti eristäytyä verkosta ja uudelleenyhdistyä siihen. Muuntaja ei ole mikroverkon näkyvin laite, mutta se on ainoa komponentti, jonka määrittely hiljaa määrittelee, toimivatko aurinkosähkö (PV), varastointi ja kuormat yhtenä järjestelmänä vai osina kokoelmana.

Sovellustilanteet

Usein kysytyt kysymykset

Minkä ylikokoamiskertoimen tulisi käyttää muuntajan ja aurinkosähköinvertterin tehon sovittamisessa?

Teollisuuden yleinen käytäntö suosittelee invertterin vaihtovirtatehon nimellisarvoon 1,10–1,25-kertaisen ylikokoamiskertoimen käyttöä, joka on säädettävissä ympäristön lämpötilan ja korkeuden mukaan. Tämä ottaa huomioon lyhytaikaiset invertterin ylikuormitukset, harmonisten virtojen aiheuttaman lämmön ja reaktiivisen tehon tarpeen saaritilassa.

Miten aurinkosähkö- ja akkuinvertterien ylätaajuudet vaikuttavat muuntajan käyttöiän kestoon?

Epälineaarisista lähteistä tulevat ylätaajuusvirrat summautuvat muuntajan yli, mikä aiheuttaa lisäkäyttöhäviöitä käämityksissä ja ytimessä taajuuden mukaan. Täyskuormaisessa vastakkaisessa tehonkuljetuksessa ylätaajuushäiriöiden kanssa muuntajan odotettu käyttöikä voi vähentyä noin 8,3 prosenttia. Mikroverkkosovelluksissa on välttämätöntä käyttää K-kerrointa tai ylätaajuusten sietäviä suunnitteluja.

Mikä on keskeinen ero verkkoliitetyssä ja saaritilassa toimivassa muuntajassa?

Verkkoliitetyssä tilassa verkko määrittää jännitteen ja taajuuden, kun taas muuntaja välittää tehoa ja tarjoaa erottelua. Saaritilassa muuntajan on toimittava yhdessä BESS- ja aurinkosähköinvertterien kanssa jännitteen ja taajuuden vakauttamiseksi, magneettisen kytkentävirran absorboimiseksi sekä moottorin käynnistysvirtojen kestämiseksi, joita ennen toimitti pääverkko.

Miksi saaritilassa toimivassa mikroverkossa tarvitaan maadoitustyyppistä muuntajaa?

Kun mikroverkko eristyy, verkkoyhtiön neutraalin maadoituksen viite katoaa. Ilman maadoitustransformaattoria yksivaiheinen maasulku ei saa alaimpedanssista paluupolkuja; suojaukset eivät välttämättä havaitse vikaa, ja ylijännitteet voivat rasittaa eristystä koko järjestelmässä.

Miten vastuualueet tulisi määritellä mikroverkon operaattorin ja verkkoyhtiön välillä?

Yhteisen liitospisteen (PCC) voidaan käyttää luonnollisena erotuskohtana. Toimiva suunnitelma määrittelee selkeästi laitteiden omistajuuden, suojauksien asetusten vastuualueen, eristyneen toiminnan ja maadoituksen havaitsemisen testausvastuun sekä tiedon/ohjauksen rajat mikroverkon ohjaimen ja verkkoyhtiön välillä.

123