Mikrosieci połączone z siecią vs. mikrosieci odizolowane: kluczowe różnice oraz wymagania sprzętowe

Mikrosieci mają dwa podstawowe tryby pracy: przyłączony do sieci i odłączony od sieci. Różnią się one wyraźnie logiką sterowania, doborem sprzętu oraz ustawieniami systemów ochrony. Zrozumienie tych różnic stanowi podstawę doboru sprzętu na wczesnym etapie projektu.

1. Jak działają oba typy mikrosieci

W trybie pracy przyłączonej do sieci mikrosieć jest połączona z zewnętrzną główną siecią elektroenergetyczną przez punkt wspólnego przyłączenia (PCC). Główna sieć odpowiada za utrzymanie stabilności napięcia i częstotliwości. Generatory rozproszone oraz magazyny energii wewnątrz mikrosieci podążają za parametrami sieci i głównie współdziałają, a nie wspierają jej. Zewnętrzna sieć działa jak bardzo duży źródło napięcia i źródło częstotliwości oraz pochłania fluktuacje mocy mikrosieci.

W trybie pracy pozamacierzowej punkt wspólnego połączenia (PCC) jest odłączany, a mikrosieć staje się małym, niezależnym systemem energetycznym. Nie ma zewnętrznego źródła, na które można by się oprzeć. Magazyny energii, panele fotowoltaiczne, agregaty prądotwórcze z silnikami spalinowymi oraz inne źródła wewnątrz mikrosieci muszą same ustalać napięcie i częstotliwość oraz stale zapewniać równowagę między generacją a obciążeniem. Tryb sterowania zmienia się z podążania za siecią na aktywne wspieranie, co znacznie zwiększa stopień trudności.

Przełączanie między dwoma trybami dzieli się na przełączanie zaplanowane i niezaplanowane. Przełączanie zaplanowane obejmuje czas przygotowania: najpierw można dostosować wewnętrzne generowanie i obciążenie, a następnie mikrosieć można odłączyć płynnie. Przełączanie niezaplanowane jest często wyzwalane awarią sieci zewnętrznej. Po wykryciu anomalii sterownik musi szybko odłączyć system i przekazać zasilanie do magazynu energii lub źródła rezerwowego, jednocześnie odłączając część obciążeń nielokalnych, aby zapobiec przeciążeniu i załamaniu małego systemu. Przy powrocie z trybu off-grid do trybu połączonego z siecią należy najpierw osiągnąć synchronizację napięcia, częstotliwości i fazy. W przeciwnym razie w chwili zamknięcia wystąpi prąd udarowy, który może uszkodzić sprzęt.

2. Wyzwania techniczne związane z działaniem w trybie off-grid podczas przerwy w zasilaniu

Po wyłączeniu zasilania sieciowego i przejściu systemu w tryb off-grid największą zmianą jest to, że bezwładność systemu znika główna sieć zawiera wiele maszyn wirujących, które naturalnie zapewniają bezwładność i mogą buforować zmiany częstotliwości spowodowane nagłymi zmianami obciążenia. Mikrosieć pozamacierzowa jest mała, a urządzenia elektroniczne mocy, takie jak konwertery magazynów energii, nie są w stanie zapewnić tej samej fizycznej bezwładności. Częstotliwość i napięcie reagują szybciej i z większą amplitudą na zakłócenia.

Powoduje to trzy konkretne problemy. Po pierwsze, szybka regulacja częstotliwości i napięcia . W trybie pozamacierzowym konwerter magazynu energii musi przełączyć się z trybu śledzenia sieci na tryb tworzenia sieci i aktywnie ustalić odniesienie napięcia i częstotliwości. Jest to znacznie trudniejsze do sterowania niż w trybie połączenia z siecią. Po drugie, gładkość nieplanowanego przełączenia . Jeśli podczas przełączenia napięcie lub częstotliwość spadną zbyt mocno, wrażliwe odbiorniki mogą wyłączyć się lub ulec uszkodzeniu. Sterowanie przełączeniem musi więc rozpoznać stan i zmienić strategię w ciągu milisekund. Po trzecie, zmiany w układzie uziemienia po podłączeniu do sieci głównej uziemienie jest zapewniane przez główną sieć. Po odłączeniu od sieci głównej sposób uziemienia może ulec zmianie, co bezpośrednio wpływa na ścieżkę prądu zwarciowego oraz prawidłowość działania układów ochrony.

3. Różne wymagania dotyczące transformatorów, urządzeń rozdzielczych i układów ochrony

Wyroby z tworzyw sztucznych

W architekturze połączonej z siecią przemysłową moc transformatora jest głównie określana przez moc wymiany między mikrosiecią a siecią oraz dobór grupy wektorowej i stosunku przekładni dostosowanych do napięcia sieci. W architekturze odłączonej od sieci transformator musi również zapewniać stabilność napięcia przy małym obciążeniu oraz przy obciążeniach udarowych, co stawia dodatkowe wymagania wobec zdolności regulacji napięcia oraz projektowania impedancji. Gdy zdolność zwarciowa jest ograniczona, impedancja transformatora wspomaga także ograniczanie prądu zwarcia. Transformatorów rozdzielczych i suchych firmy Zhongmeng można dostosować pod kątem grupy wektorowej oraz konfiguracji regulacji napięcia zgodnie z pojemnością mikrosieci i charakterystyką obciążenia, aby spełnić różne priorytety obu architektur.

Zmiany

Granica między pracą połączoną z siecią a pracą pozamacierzową jest zwykle ustalana w punkcie łączenia z siecią (PCC). Przełącznik w tym miejscu musi posiadać zdolność dwukierunkowego rozłączania: musi szybko odciąć mikrosieć w przypadku awarii sieci, aby zapobiec przesyłaniu mocy z mikrosieci do uszkodzonej sieci, a także musi się niezawodnie otwierać w przypadku konieczności pracy pozamacierzowej. Wysokonapięciowe i niskonapięciowe odbiorniki Zhongmeng oraz wyposażenie w postaci prefabrykowanych kabinek są montowane i testowane fabrycznie. Na miejscu wymagane jest jedynie połączenie przewodów, co czyni je odpowiednimi dla projektów mikrosieci wymagających szybkiej wdrożeniu.

Systemy ochronne

To obszar, w którym występują największe różnice między obiema architekturami. W trybie połączenia z siecią główną prąd awaryjny jest dostarczany głównie przez sieć główną, a poziom prądu zwarcia jest stosunkowo wysoki. Po przełączeniu do trybu pracy odłączoną od sieci prąd zwarcia jest dostarczany wyłącznie przez źródła rozproszone wewnątrz mikrosieci i może stanowić jedynie ułamek wartości charakterystycznej dla trybu połączenia z siecią. Jeśli ustawienia ochrony pozostają nadal skonfigurowane na warunki połączenia z siecią, przekaźnik może nie wykryć uszkodzeń w trybie odłączenia od sieci i nie zadziała. Dlatego system ochrony musi posiadać zdolność adaptacji w obu trybach lub przynajmniej umożliwiać przełączanie grup ustawień ochrony przy zmianie trybu pracy. Interfejs sieciowy wymaga również ochrony dwukierunkowej, obejmującej uszkodzenia zarówno po stronie sieci głównej, jak i po stronie mikrosieci. Urządzenia ochrony i sterowania firmy Zhongmeng mogą być zintegrowane z rozdzielnicami oraz transformatorami w kompletnym zestawie, co zmniejsza ryzyko problemów z koordynacją urządzeń pochodzących od różnych dostawców.

4. Problemy związane z wahaniami napięcia, częstotliwości i obciążenia w systemach pozamacierzowych

W trybie pozamacierzowym napięcie i częstotliwość nie są już wspierane przez główną sieć energetyczną. Są one regulowane w czasie rzeczywistym przez główne źródła sterowania, takie jak falowniki magazynów energii lub agregaty prądotwórcze z silnikami spalinowymi. Typowym celem eksploatacyjnym jest utrzymanie częstotliwości w pobliżu 50 Hz oraz odchylenia napięcia w zakresie akceptowalnym dla odbiorników. W rzeczywistej eksploatacji zmiany mocy wydawanej przez panele fotowoltaiczne oraz uruchamianie i zatrzymywanie dużych odbiorników powodują jednak zakłócenia.

Wariancja obciążenia jest najbardziej bezpośrednią próbą systemu pozamacierzowego. Gdy względnie duży silnik się uruchamia, może on natychmiast obniżyć napięcie w systemie. Gdy wydajność PV nagle spadnie z powodu zachmurzenia, częstotliwość może wzrosnąć. Sterowanie systemem pozamacierzowym musi pozostawać stabilne mimo takich ciągłych zakłóceń. Jednocześnie magazyn energii akumulatorowej musi szybko ładować i rozładowywać moc w celu wygładzania fluktuacji oraz, w razie konieczności, odłączać niektóre obciążenia nielokalne zgodnie z priorytetem. Normy wymagają już, aby czas przełączenia z trybu pozamacierzowego na sieciowy nie przekraczał 10 ms, ale stawia to bardzo wysokie wymagania co do spójności prędkości reakcji sterowników i urządzeń przełączających.

5. Parametry elektryczne do potwierdzenia na wczesnym etapie projektu

Im dokładniej określone są parametry na wczesnym etapie, tym mniej prac korekcyjnych będzie wymagać dobór sprzętu i ustawienia ochrony. Należy najpierw potwierdzić następujące parametry:

Poziom prądu zwarcia. Maksymalne i minimalne prądy zwarciowe należy określić osobno dla warunków połączonych z siecią oraz niezależnych od sieci. W trybie połączenia z siecią są one dostarczane przez sieć i źródła rozproszone łącznie. W trybie niezależnym od sieci są one dostarczane wyłącznie przez źródła rozproszone. Różnica między nimi może wynosić kilkakrotnie. Jest to bezpośredni podstawowy kryterium doboru zdolności przerdzeniowej wyzwalaczy oraz ustawiania wartości ochrony.

Sposób uziemienia. Metody uziemienia po stronie sieci oraz po stronie mikrosieci powinny być ze sobą zsynchronizowane. Sposób uziemienia punktu neutralnego określa wartość i ścieżkę przepływu prądu zwarciowego jednofazowego do ziemi oraz wpływa również na wybór grupy wektorowej transformatora. Po przejściu w tryb niezależny od sieci warunki uziemienia mogą ulec zmianie, dlatego układ uziemienia przed i po przełączeniu należy określić już na etapie projektowania.

Parametry transformatora. Obejmują one znamionową moc, stosunek napięć, grupę wektorową, napięcie zwarciowe oraz metodę regulacji napięcia. Moc można dobrać zgodnie z maksymalną ciągłą mocą wymiany między mikrosiecią a zewnętrzną siecią energetyczną; należy również sprawdzić zdolność do rozruchu obciążeń udarowych w trybie pozasieciowym.

Charakterystyki harmoniczne. Wcześniejsza znajomość widma harmonicznych, ich rzędu oraz zawartości dla falowników i obciążeń nieliniowych jest konieczna. Harmoniczne wpływają na jakość energii elektrycznej i mogą powodować dodatkowe nagrzewanie transformatorów oraz rezonans kondensatorów. Podczas doboru należy dobrać odpowiednią odporność na harmoniczne lub środki ich ograniczania.

Dopuszczalne zakresy częstotliwości i napięcia. Należy określić granice pracy zarówno w stanie połączenia ze siecią, jak i w trybie pozasieciowym, a także dopuszczalne chwilowe odchylenia podczas przełączania. Te wskaźniki bezpośrednio określają strategię sterowania przekształtnikami oraz ustawienia zabezpieczeń.

Klasyfikacja obciążeń oraz maksymalne obciążenie udarowe. System pozostający poza siecią ma ograniczoną pojemność. Należy rozróżnić obciążenia krytyczne i niemieszczące się w tej kategorii oraz potwierdzić metodę uruchamiania i prąd rozruchowy największego pojedynczego silnika. Określa to wymaganą zdolność nadprądową falownika magazynu energii oraz próg strategii odciążania w trybie pozasieciowym.

Punkty integracji produktu Zhongmeng: Powyższe parametry wymagają ostatecznie zaimplementowania w konkretnym sprzęcie. Transformatory rozdzielcze odpowiadają za przekształcanie napięcia oraz dopasowanie impedancji. Rozdzielnice odpowiadają za otwieranie/zamykanie punktu połączenia z siecią (PCC) oraz ochronę obwodów. Dostosowany sprzęt rozdzielczy integruje transformatory, rozdzielnice, ochronę i sterowanie oraz monitorowanie w prefabrykowanych kabinach lub stacjach transformatorowych typu pad-mounted, co zmniejsza błędy koordynacji podczas montażu na miejscu. Jeśli wczesnym etapie projektu potwierdzone zostaną prąd zwarciowy, sposób uziemienia, harmoniczne oraz charakterystyka obciążenia, możliwe jest zaprojektowanie kompletnego sprzętu dostosowanego do rzeczywistych warunków eksploatacji zamiast dokonywania biernych kompromisów w zakresie standardowych produktów.

6. Scenariusze zastosowań

7. Często zadawane pytania

Pytanie: Jaka jest główna różnica między mikrosiecią połączoną ze siecią a mikrosiecią pracującą w trybie off-grid?

Odpowiedź: Główna różnica dotyczy logiki sterowania. W trybie połączenia ze siecią zewnętrzną główną sieć dostarcza odniesienia napięcia i częstotliwości, a mikrosieć dostosowuje się do sieci. W trybie off-grid mikrosieć musi samodzielnie ustalić napięcie i częstotliwość za pomocą wewnętrznego magazynu energii oraz generatorów, co czyni sterowanie znacznie bardziej złożonym.

Pytanie: Dlaczego system ochrony różni się w tych dwóch architekturach?

A: Poziomy prądu zwarciowego różnią się znacznie. W trybie połączenia z siecią główną sieć dostarcza wysokiego prądu zwarciowego. W trybie pozamacierzowym jedynie rozproszone źródła dostarczają prądu zwarciowego, który może stanowić jedynie ułamek wartości występującej w trybie połączenia z siecią główną. Ustawienia ochrony zaprojektowane dla warunków połączenia z siecią główną mogą nie wykrywać uszkodzeń w trybie pozamacierzowym, dlatego wymagana jest adaptacyjna ochrona lub przełączalne grupy ustawień.

Q: Jaki czas przełączania jest wymagany podczas przejścia z trybu pozamacierzowego do trybu połączenia z siecią główną?

A: Normy branżowe wymagają, aby czas przełączania z trybu pozamacierzowego do trybu połączenia z siecią główną nie przekraczał 10 ms. Oznacza to bardzo wysokie wymagania dotyczące szybkości reakcji sterowników i aparatury łączeniowej oraz konieczność dokładnej synchronizacji napięcia, częstotliwości i fazy przed ponownym połączeniem.

Q: Jaką rolę odgrywają transformatory w mikrosieci?

A: Transformatory odpowiadają za konwersję napięcia oraz dopasowanie impedancji pomiędzy mikrosiecią a zewnętrzną siecią. W trybie pozamacierzowym muszą one ponadto zapewniać stabilność napięcia przy niskim obciążeniu oraz przy nagłych skokach obciążenia. Impedancja transformatora może dodatkowo ograniczać prąd zwarciowy, gdy zdolność zwarciowa jest ograniczona.

Q: Jakie parametry elektryczne należy potwierdzić na wczesnym etapie projektu mikrosieci?

A: Kluczowe parametry obejmują: poziomy prądu zwarciowego dla obu trybów działania, sposób uziemienia, parametry transformatorów (moc znamionowa, stosunek przekładni, grupa połączeń, impedancja), charakterystyki harmoniczne, dopuszczalne zakresy częstotliwości i napięcia oraz klasyfikację obciążeń wraz z maksymalnym obciążeniem udarowym. Wczesne potwierdzenie tych parametrów zmniejsza konieczność poprawek w doborze urządzeń oraz ustawieniach ochrony.