Netgekoppelde versus afzonderlijke microgrid-systemen: belangrijke verschillen en vereisten voor apparatuur

Microgrids hebben twee basisbedrijfsmodi: netgekoppeld en netonafhankelijk. De twee verschillen duidelijk in regellogica, apparatuurkeuze en instellingen van beveiligingssystemen. Het begrijpen van deze verschillen vormt de basis voor de keuze van apparatuur in het vroege stadium van een project.

1. Hoe de twee soorten microgrids werken

Bij netgekoppelde werking is de microgrid via het punt van gemeenschappelijke koppeling (PCC) verbonden met het externe hoofdnet. Het hoofdnet zorgt voor een stabiele spanning en frequentie. De gedistribueerde generatoren en energieopslagsystemen binnen de microgrid volgen het net en werken voornamelijk samen, in plaats van het te ondersteunen. Het externe net fungeert als een zeer grote spanningsbron en frequentiebron en absorbeert de fluctuaties van de microgrid.

Bij autonome werking is het PCC-verbinding verbroken en vormt het microgrid een klein, onafhankelijk energiesysteem. Er is geen externe energiebron waarop men kan vertrouwen. De energieopslag, zonnepanelen, dieselgeneratoren en andere interne bronnen binnen het microgrid moeten zelf spanning en frequentie genereren en continu de opwekking in evenwicht houden met de belasting. De regelmodus verandert van ‘volgen van het net’ naar ‘actief ondersteunen’, waardoor de complexiteit sterk toeneemt.

Overschakelen tussen de twee modi wordt onderverdeeld in gepland en ongepland overschakelen. Bij gepland overschakelen is er voorbereidingstijd beschikbaar: interne opwekking en belasting kunnen eerst worden aangepast, waarna het microgrid soepel kan worden losgekoppeld. Ongepland overschakelen wordt vaak veroorzaakt door een storing in het openbare elektriciteitsnet. Na detectie van de afwijking moet de regelaar snel loskoppelen en de energieopslag of een back-upbron overnemen, terwijl enkele niet-kritieke belastingen worden uitgeschakeld om te voorkomen dat het kleine systeem overbelast raakt en instort. Bij het terugkeren van off-grid naar netgekoppeld bedrijf moeten eerst spanning, frequentie en fasensynchronisatie worden bereikt. Anders treedt er bij het sluiten een stroomstoot op, die apparatuur kan beschadigen.

2. Technische uitdagingen van off-grid-bedrijf tijdens een stroomuitval

Nadat het openbare elektriciteitsnet uitvalt en het systeem overgaat naar off-grid-bedrijf, is de grootste verandering dat systeemtraagheid verdwijnt het hoofdnetwerk heeft veel roterende machines, die van nature traagheid bieden en frequentieveranderingen ten gevolge van plotselinge belastingswijzigingen kunnen opvangen. Een off-grid-microgrid is klein en elektronische vermogensapparatuur zoals energieopslagconverters kan dezelfde fysieke traagheid niet leveren. Frequentie en spanning reageren sneller en met een grotere amplitude op storingen.

Dit geeft drie specifieke problemen. Ten eerste: snelle regeling van frequentie en spanning . In off-grid-modus moet de energieopslagconverter overschakelen van grid-following naar grid-forming en actief de spannings- en frequentiereferentie opzetten. Dit is veel moeilijker te regelen dan in grid-connected-modus. Ten tweede: vloeiendheid van ongeplande overschakeling . Als de spanning of frequentie tijdens de overschakeling te sterk daalt, kunnen gevoelige belastingen uitschakelen of beschadigd raken. De overschakelregeling moet daarom de toestand binnen milliseconden identificeren en de strategie aanpassen. Ten derde: wijzigingen in het aardingsysteem . Bij aansluiting op het elektriciteitsnet wordt de aarding geregeld door het hoofdnet. Na loskoppeling van het net kan de aardingsmethode veranderen, wat direct van invloed is op het foutstroompad en de juistheid van de beveiligingswerking.

3. Verschillende eisen voor transformatoren, schakelapparatuur en beveiligingssystemen

Andere elektrische apparaten

In een netgekoppelde architectuur wordt de transformatorcapaciteit voornamelijk bepaald door het uitgewisselde vermogen tussen het microgrid en het openbare elektriciteitsnet; de vectorgroep en de transformatieverhouding worden gekozen om overeen te komen met de netspanning. In een off-grid-architectuur moet de transformator bovendien de spanning stabiel houden bij lage belasting en bij scherpe belastingspieken, waardoor aanvullende eisen worden gesteld aan het spanningsregelvermogen en het impedantieontwerp. Wanneer de kortsluitvermogenscapaciteit beperkt is, helpt de transformatorimpedantie ook bij het beperken van de kortsluitstroom. De distributietransformatoren en droogtype-transformator van Zhongmeng kunnen de vectorgroepen en spanningsregelconfiguraties aanpassen op basis van de capaciteit van het microgrid en de belastingseigenschappen, zodat zij zich kunnen aanpassen aan de verschillende prioriteiten van beide architecturen.

Schakelapparatuur

De grens tussen netgekoppelde en afzonderlijke (off-grid) werking is meestal vastgesteld op het punt van gemeenschappelijke koppeling (PCC). De schakelaar op dit punt moet beschikken over bidirectionele onderbrekingscapaciteit: hij moet snel uitschakelen bij een storing in het net om te voorkomen dat het microgrid stroom terugvoert naar het gestoorde net, en hij moet ook betrouwbaar openen wanneer afzonderlijke werking vereist is. De hoog- en laagspanningsschakelapparatuur en de geprefabriceerde cabine-apparatuur van Zhongmeng zijn in de fabriek vooraf geassembleerd en getest. Op locatie hoeft alleen de bekabeling te worden aangesloten, wat geschikt is voor microgridprojecten die snelle implementatie vereisen.

Beveiligingssystemen

Dit is het gebied met het grootste verschil tussen de twee architecturen. Bij netgekoppelde werking wordt de foutstroom voornamelijk geleverd door het hoofdnet, en het kortsluitstroomniveau is relatief hoog. Na overschakeling naar netonafhankelijke werking wordt de kortsluitstroom uitsluitend geleverd door de gedistribueerde bronnen binnen de microgrid en kan deze slechts een fractie bedragen van de waarde bij netgekoppelde werking. Indien de beveiligingsinstellingen nog steeds zijn ingesteld op netgekoppelde omstandigheden, kan de relais mogelijk storingen in netonafhankelijke modus niet detecteren en dus niet activeren. Daarom moet het beveiligingssysteem adaptieve capaciteit hebben in beide modi, of ten minste in staat zijn om beveiligingsinstellingsgroepen te wisselen bij wijziging van de modus. De netinterface vereist ook bidirectionele beveiliging om storingen zowel aan de netzijde als aan de microgridzijde te dekken. De beveiligings- en besturingsapparatuur van Zhongmeng kan worden geïntegreerd met schakelapparatuur en transformatoren in een complete set, waardoor coördinatierisico’s tussen apparatuur van verschillende leveranciers worden verminderd.

4. Problemen met spanning, frequentie en belastingvariatie in off-grid-systemen

In off-grid-modus worden spanning en frequentie niet langer ondersteund door het hoofdnet. Ze worden in real time geregeld door de belangrijkste besturingsbronnen, zoals energieopslagconverters of dieselmotorgeneratoren. Het gebruikelijke bedrijfsdoel is om de frequentie rond 50 Hz te houden en de spanningafwijking binnen een voor de belastingen aanvaardbare bandbreedte te beperken. In de praktijk veroorzaken echter zowel veranderingen in het PV-vermogen als het inschakelen en uitschakelen van grote belastingen storingen.

Ladingvariatie is de meest directe test voor een off-grid systeem. Wanneer een relatief grote motor opstart, kan dit onmiddellijk de systeemspanning doen dalen. Wanneer het PV-vermogen plotseling daalt door bewolking, kan de frequentie stijgen. De off-grid regeling moet onder dergelijke voortdurende storingen stabiel blijven. Tegelijkertijd moet de batterijopslag snel vermogen kunnen laden en ontladen om schommelingen te dempen, en indien nodig niet-kritische belastingen volgens prioriteit uitschakelen.

5. Elektrische parameters die in een vroeg stadium van een project moeten worden bevestigd

Hoe duidelijker de parameters in een vroeg stadium zijn, hoe minder herwerk er nodig is bij de keuze van apparatuur en instelling van beveiligingen. De volgende parameters dienen eerst te worden bevestigd:

Kortsluitstroomniveau. De maximale en minimale kortsluitstroom moeten afzonderlijk worden bepaald voor netgekoppelde en netonafhankelijke omstandigheden. In netgekoppelde modus worden zij geleverd door het elektriciteitsnet en de gedistribueerde bronnen samen. In netonafhankelijke modus worden zij uitsluitend geleverd door de gedistribueerde bronnen. De twee waarden kunnen meerdere malen van elkaar verschillen. Dit vormt de directe basis voor de keuze van de onderbrekingscapaciteit van schakelapparatuur en de instelling van beveiligingswaarden.

Aardingsmethode. De aardingsmethoden aan de netzijde en de microgridzijde dienen op elkaar te zijn afgestemd. De neutraalaarding bepaalt de grootte en het pad van de stroom bij een enkelfasige aardingsfout en beïnvloedt ook de keuze van de transformatortype (vectorgroep). Na het overschakelen naar netonafhankelijke werking kunnen de aardingsomstandigheden veranderen; daarom dient de aardingsopstelling vóór en na de overschakeling reeds in het ontwerpstadium te worden gedefinieerd.

Transformatorenparameters. Hiertoe behoren de nominale capaciteit, de spanningsverhouding, de vectorgroep, de impedantiespanning en de methode voor spanningsregeling. De capaciteit kan worden gekozen op basis van het maximale continu uitwisselingsvermogen tussen het microgrid en het externe elektriciteitsnet; bovendien dient te worden gecontroleerd of het apparaat in staat is om belastingen met een hoge inschakelstroom te starten in off-grid-modus.

Harmonische kenmerken. Het harmonisch spectrum, de orde en de inhoud van omvormers en niet-lineaire belastingen dienen van tevoren bekend te zijn. Harmonischen beïnvloeden de kwaliteit van de elektriciteit en kunnen ook extra verwarming van transformatoren en resonantie in condensatoren veroorzaken. Bij de selectie dienen de bijbehorende weerstand tegen harmonischen of maatregelen voor harmonischebestrijding te worden afgestemd.

Toegestane frequentie- en spanningsbereiken. De bedrijfsgrenzen in zowel de netgekoppelde als de off-grid-toestand, evenals de toegestane transiënte afwijkingen tijdens overschakeling, dienen te worden gedefinieerd. Deze parameters bepalen rechtstreeks de regelaarstrategie van de omzetter en de instellingen van de beveiliging.

Belastingclassificatie en maximale belasting met hoge inschakelstroom. Een off-grid-systeem heeft een beperkte capaciteit. Kritieke en niet-kritieke belastingen moeten worden onderscheiden, en de opstartmethode en de opstartstroom van de grootste afzonderlijke motor moeten worden bevestigd. Dit bepaalt de vereiste overbelastingscapaciteit van de energieopslagomvormer en de drempelwaarde van de off-grid-lastverlagingsstrategie.

Zhongmeng-productintegratiepunten: De bovenstaande parameters moeten uiteindelijk worden geïmplementeerd in specifieke apparatuur. Distributietransformatoren verzorgen de spanningsomzetting en impedantieaanpassing. Schakelapparatuur verzorgt het openen/sluiten van het PCC (Point of Common Coupling) en de stroomkringsbeveiliging. Aangepaste stroomverdeelapparatuur integreert transformatoren, schakelapparatuur, beveiliging en besturing, en bewaking in geprefabriceerde cabines of op de grond gemonteerde transformatorstations, waardoor coördinatiefouten tijdens montage op locatie worden verminderd. Indien kortsluitstroom, aardingsmethode, harmonischen en belastingskenmerken in een vroeg stadium van het project worden vastgesteld, kan volledige apparatuur worden afgestemd op de werkelijke bedrijfsomstandigheden, in plaats van passieve compromissen te sluiten met standaardproducten.

6. ToepassingsScenario's

7. Veelgestelde vragen

V: Wat is het belangrijkste verschil tussen netgekoppelde en off-grid microgrids?

A: Het belangrijkste verschil ligt in de regellogica. In netgekoppelde modus levert het externe hoofdnet de spanning- en frequentiereferentie, en volgt de microgrid het net. In off-grid modus moet de microgrid zelf een spanning en frequentie genereren via interne energieopslag en generatoren, waardoor de regeling aanzienlijk complexer wordt.

V: Waarom verschilt het beveiligingssysteem tussen deze twee architecturen?

A: De kortsluitstroomniveaus verschillen sterk. In netgekoppelde modus levert het hoofdnet een hoge foutstroom. In netonafhankelijke modus leveren alleen gedistribueerde bronnen foutstroom, wat mogelijk slechts een fractie is van de waarde in netgekoppelde modus. Beschermingsinstellingen die zijn ontworpen voor netgekoppelde omstandigheden, kunnen fouten in netonafhankelijke modus misschien niet detecteren; daarom zijn adaptieve bescherming of schakelbare instellingsgroepen vereist.

V: Welke schakeltijd is vereist bij overgang van netonafhankelijke naar netgekoppelde werking?

A: Industriestandaarden stellen dat de schakeltijd van netonafhankelijk naar netgekoppeld niet langer mag zijn dan 10 ms. Dit stelt zeer hoge eisen aan de reactiesnelheid van regelaars en schakelapparatuur, en vereist nauwkeurige synchronisatie van spanning, frequentie en fase vóór herverbinding.

V: Welke rol spelen transformatoren in een microgrid?

A: Transformatoren zorgen voor spanningsomzetting en impedantie-aanpassing tussen het microgrid en het externe elektriciteitsnet. In off-grid-modus moeten ze bovendien de spanningsstabiliteit handhaven bij lage belasting en bij plotselinge belastingspieken. De impedantie van de transformator kan bovendien helpen om de kortsluitstroom te beperken wanneer de kortsluitvermogencapaciteit beperkt is.

V: Welke elektrische parameters moeten in een vroeg stadium van een microgrid-project worden bevestigd?

A: De belangrijkste parameters zijn: kortsluitstroomniveaus voor beide modi, aardingsmethode, transformatorparameters (vermogen, transformatieverhouding, vectorgroep, impedantie), harmonische kenmerken, toegestane frequentie- en spanningsbereiken, en belastingclassificatie met maximale impactbelasting. Het tijdig bevestigen van deze parameters vermindert herwerk bij de keuze van apparatuur en instelling van beveiligingen.