Сетевые и автономные микросети: основные различия и требования к оборудованию

Микросети имеют два основных режима работы: подключённый к централизованной сети и автономный. Эти два режима чётко различаются по логике управления, выбору оборудования и настройкам систем защиты. Понимание этих различий составляет основу выбора оборудования на раннем этапе проекта.

1. Принцип работы двух типов микросетей

При работе в подключённом к централизованной сети режиме микросеть соединяется с внешней магистральной сетью через точку общего присоединения (PCC). Централизованная сеть отвечает за стабильность напряжения и частоты. Распределённые генераторы и системы накопления энергии внутри микросети работают в согласии с параметрами централизованной сети и в основном взаимодействуют с ней, а не поддерживают её автономно. Внешняя сеть выступает как чрезвычайно мощный источник напряжения и частоты и поглощает колебания, возникающие в микросети.

При работе в автономном режиме точка общего соединения (PCC) отключается, и микросеть превращается в небольшую независимую энергосистему. Внешних источников питания нет. Накопители энергии, фотоэлектрические модули, дизельные генераторы и другие внутренние источники микросети должны самостоятельно формировать напряжение и частоту, а также постоянно балансировать выработку и нагрузку. Режим управления меняется с режима слежения за сетью на активную поддержку, что значительно повышает сложность.

Переключение между двумя режимами делится на запланированное и незапланированное переключение. При запланированном переключении имеется время на подготовку: сначала можно скорректировать внутреннее производство энергии и нагрузку, а затем отключить микросеть плавно. Незапланированное переключение часто вызывается аварией в централизованной сети. После обнаружения аномалии контроллер должен быстро отключиться и передать питание на аккумуляторы или резервный источник, одновременно отключив часть некритичных нагрузок, чтобы предотвратить перегрузку и коллапс малой системы. При возврате из автономного режима в режим подключения к сети необходимо сначала обеспечить синхронизацию напряжения, частоты и фазы. В противном случае в момент замыкания возникнет бросок тока, способный повредить оборудование.

2. Технические трудности автономной работы в период отключения электропитания

После отключения сетевого электропитания и перехода системы в автономный режим самым существенным изменением становится то, что инерция системы исчезает основная сеть содержит множество вращающихся машин, которые естественным образом обеспечивают инерцию и могут сглаживать изменения частоты, вызванные резкими изменениями нагрузки. Внешняя микросеть имеет небольшие размеры, а силовые электронные устройства, такие как преобразователи систем накопления энергии, не способны обеспечить такую же физическую инерцию. Частота и напряжение реагируют на возмущения быстрее и с большей амплитудой.

Это создаёт три конкретные проблемы. Во-первых, быстрое регулирование частоты и напряжения . В автономном режиме преобразователь системы накопления энергии должен переключиться из режима слежения за сетью в режим формирования сети и активно задавать опорные значения напряжения и частоты. Это значительно сложнее контролировать по сравнению с режимом подключения к сети. Во-вторых, плавность незапланированного переключения . Если во время переключения напряжение или частота упадут слишком сильно, чувствительные нагрузки могут отключиться или выйти из строя. Следовательно, система управления переключением должна распознавать состояние и изменять стратегию в течение миллисекунд. В-третьих, изменения в системе заземления при подключении к сети заземление выполняется основной сетью. После отключения от сети способ заземления может измениться, что напрямую влияет на путь тока короткого замыкания и корректность работы защит.

3. Различные требования к трансформаторам, коммутационному оборудованию и системам защиты

Трансформаторы

В архитектуре с подключением к сети мощность трансформатора определяется в основном обменной мощностью между микросетью и сетью, а векторная группа и коэффициент трансформации выбираются так, чтобы соответствовать напряжению сети. В автономной (вне-сетевой) архитектуре трансформатор должен также обеспечивать стабильность напряжения при низкой нагрузке и при импульсных нагрузках, поэтому предъявляются дополнительные требования к способности регулирования напряжения и проектированию импеданса. При ограниченной мощности короткого замыкания импеданс трансформатора также помогает ограничить ток короткого замыкания. Распределительные трансформаторы и сухие трансформаторы компании Zhongmeng позволяют настраивать векторные группы и конфигурации регулирования напряжения в зависимости от мощности микросети и характеристик нагрузки, адаптируясь к различным приоритетам двух указанных архитектур.

Коммутационное оборудование

Граница между режимами работы с подключением к сети и автономной работы обычно устанавливается в точке присоединения к сети (PCC). Выключатель в этой точке должен обладать способностью размыкать цепь в обоих направлениях: он должен быстро отключаться при отказе сети, чтобы предотвратить подачу электроэнергии от микросети в повреждённую сеть, а также должен надёжно размыкаться при необходимости перехода в автономный режим. Высоковольтное и низковольтное коммутационное оборудование и оборудование предварительно собранных кабин компании Zhongmeng изготавливаются и проходят заводские испытания. На месте требуется лишь подключение линий, что делает данное решение подходящим для проектов микросетей, требующих быстрого внедрения.

Системы защиты

Это область, в которой наблюдается наибольшее различие между двумя архитектурами. При работе с подключением к сети ток короткого замыкания в основном поставляется основной сетью, и уровень тока КЗ относительно высок. После перехода в автономный режим ток короткого замыкания поставляется исключительно распределёнными источниками внутри микросети и может составлять лишь долю значения, характерного для режима работы с подключением к сети. Если параметры защитных устройств по-прежнему настроены на работу с подключением к сети, реле может не обнаружить повреждения в автономном режиме и, соответственно, не сработать. Следовательно, система защиты должна обладать адаптивными возможностями при работе в обоих режимах или, как минимум, обеспечивать переключение групп уставок защиты при изменении режима. Интерфейс с сетью также требует двунаправленной защиты для охвата повреждений как со стороны сети, так и со стороны микросети. Защитные и управляющие устройства компании Zhongmeng могут быть интегрированы с коммутационным оборудованием и трансформаторами в единый комплект, что снижает риски несогласованности оборудования от разных поставщиков.

4. Проблемы, связанные с колебаниями напряжения, частоты и нагрузки в автономных системах

В автономном режиме напряжение и частота больше не поддерживаются центральной электросетью. Их регулирование в реальном времени осуществляется основными источниками управления, такими как преобразователи накопителей энергии или дизель-генераторы. Обычной целью эксплуатации является поддержание частоты около 50 Гц и отклонения напряжения в пределах, допустимых для подключённых нагрузок. Однако на практике изменения выработки фотоэлектрических модулей, а также пуск и остановка крупных нагрузок вызывают возмущения.

Изменение нагрузки — это наиболее прямой тест для автономной системы. При запуске относительно мощного электродвигателя напряжение в системе может мгновенно упасть. При резком снижении выработки фотоэлектрической (PV) энергии из-за облачности частота может возрасти. Управление автономной системой должно оставаться стабильным при таких непрерывных возмущениях. Одновременно аккумуляторная система хранения энергии должна быстро заряжаться и разряжаться, чтобы сгладить колебания, а при необходимости — отключать часть некритичных нагрузок по приоритету. Стандарты уже требуют, чтобы время переключения автономной системы в режим подключения к сети не превышало 10 мс, однако это предъявляет чрезвычайно высокие требования к согласованности скорости отклика контроллеров и коммутационного оборудования.

5. Электрические параметры, подлежащие подтверждению на раннем этапе проекта

Чем чётче определены параметры на раннем этапе, тем меньше потребуется переделок при выборе оборудования и настройке защит. Следующие параметры следует подтвердить в первую очередь:

Уровень тока короткого замыкания. Максимальные и минимальные токи короткого замыкания должны быть определены отдельно для режимов работы с подключением к сети и автономного режима. В режиме подключения к сети они формируются совместно сетью и распределёнными источниками. В автономном режиме они формируются исключительно распределёнными источниками. Эти значения могут отличаться в несколько раз. Это прямое основание для выбора коммутационной способности коммутационных аппаратов и настройки уставок защит.

Способ заземления. Способы заземления со стороны сети и со стороны микросети должны быть согласованы. Способ заземления нейтрали определяет величину и путь тока однофазного замыкания на землю, а также влияет на выбор группы соединения обмоток трансформатора. После перехода в автономный режим условия заземления могут измениться, поэтому схема заземления до и после переключения должна быть определена на стадии проектирования.

Параметры трансформатора. К ним относятся номинальная мощность, коэффициент трансформации, группа соединения обмоток, напряжение короткого замыкания и способ регулирования напряжения. Мощность может быть выбрана в соответствии с максимальной непрерывной обменной мощностью между микросетью и внешней сетью; также следует проверить способность системы запускать нагрузки с высокими пусковыми токами в автономном режиме.

Характеристики гармоник. Спектр гармоник, их порядок и содержание для инверторов и нелинейных нагрузок должны быть известны заранее. Гармоники влияют на качество электроэнергии и могут вызывать дополнительный нагрев трансформаторов и резонанс в конденсаторах. При выборе оборудования необходимо обеспечить соответствие требуемой стойкости к гармоникам либо предусмотреть меры по их подавлению.

Допустимые диапазоны частоты и напряжения. Необходимо определить рабочие границы как при подключении к сети, так и в автономном режиме, а также допустимые переходные отклонения при переключении между режимами. Эти параметры напрямую определяют стратегию управления преобразователем и настройки систем защиты.

Классификация нагрузок и максимальная нагрузка с высокими пусковыми токами. Внештатная система имеет ограниченную мощность. Необходимо различать критические и некритические нагрузки, а также подтвердить способ пуска и пусковой ток самого крупного отдельного электродвигателя. Это определяет требуемую перегрузочную способность преобразователя накопленной энергии и пороговую величину стратегии отключения нагрузки во внештатном режиме.

Точки интеграции продукции Zhongmeng: Указанные выше параметры в конечном итоге должны быть реализованы в конкретном оборудовании. Распределительные трансформаторы обеспечивают преобразование напряжения и согласование сопротивлений. Коммутационное оборудование обеспечивает включение/отключение точки общего соединения (PCC) и защиту цепи. Специализированное оборудование для распределения электроэнергии интегрирует трансформаторы, коммутационное оборудование, средства защиты и управления, а также системы мониторинга в предварительно собранные кабины или наземные трансформаторные подстанции, что снижает вероятность ошибок при монтаже на месте. Если на раннем этапе проекта определены ток короткого замыкания, способ заземления, гармоники и характеристики нагрузки, то полное оборудование может быть адаптировано под реальные условия эксплуатации вместо того, чтобы вносить вынужденные компромиссы в стандартные изделия.

6. Сценарии применения

7. Часто задаваемые вопросы

В: В чём основное различие между микросетями с подключением к сети и автономными микросетями?

О: Основное различие заключается в логике управления. В режиме подключения к сети внешняя магистральная сеть задаёт опорные значения напряжения и частоты, а микросеть следует за сетью. В автономном режиме микросеть должна самостоятельно формировать напряжение и частоту за счёт внутренних источников энергии (аккумуляторов и генераторов), что делает систему управления значительно более сложной.

В: Почему система защиты отличается в этих двух архитектурах?

A: Уровни токов короткого замыкания значительно различаются. В режиме подключения к сети основная сеть обеспечивает высокий аварийный ток. В автономном режиме аварийный ток обеспечивают только распределённые источники, и его величина может составлять лишь долю значения, характерного для режима подключения к сети. Параметры защитных устройств, рассчитанные для режима подключения к сети, могут не обнаруживать аварии в автономном режиме; поэтому требуются адаптивные защиты или переключаемые группы настроек.

Q: Какое время переключения требуется при переходе из автономного режима в режим подключения к сети?

A: Стандарты отрасли требуют, чтобы время переключения из автономного режима в режим подключения к сети составляло не более 10 мс. Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к скорости реакции контроллеров и коммутационного оборудования, а также требует точной синхронизации напряжения, частоты и фазы перед повторным подключением.

Q: Какую роль играют трансформаторы в микросети?

A: Трансформаторы обеспечивают преобразование напряжения и согласование сопротивлений между микросетью и внешней сетью. В автономном режиме они также должны поддерживать стабильность напряжения при низкой нагрузке и при импульсных нагрузках. Сопротивление трансформатора дополнительно может ограничивать ток короткого замыкания, когда предельная мощность короткого замыкания ограничена.

Q: Какие электрические параметры необходимо подтвердить на раннем этапе проекта микросети?

A: Ключевые параметры включают: уровни тока короткого замыкания для обоих режимов, способ заземления, параметры трансформатора (мощность, коэффициент трансформации, группа соединения обмоток, сопротивление), гармонические характеристики, допустимые диапазоны частоты и напряжения, а также классификация нагрузок с указанием максимальной импульсной нагрузки. Раннее подтверждение этих параметров снижает необходимость переделок при выборе оборудования и настройке систем защиты.