Mikro­siete pripojené k sieti vs. izolované mikro­siete: kľúčové rozdiely a požiadavky na vybavenie

Mikrosiete majú dva základné režimy prevádzky: pripojenie k sieti a nepripojenie k sieti. Tieto dva režimy sa jasne líšia v logike riadenia, výbere vybavenia a nastaveniach ochrany. Porozumenie týmto rozdielom je základom pre výber vybavenia v ranom štádiu projektu.

1. Ako fungujú tieto dva typy mikrosietí

Pri prevádzke pripojenej k sieti je mikrosieť cez bod spoločného pripojenia (PCC) pripojená k vonkajšej hlavnej sieti. Hlavná sieť je zodpovedná za udržiavanie stabilného napätia a frekvencie. Distribuované generátory a úložiská energie vo vnútri mikrosiete sledujú sieť a predovšetkým spolupracujú namiesto toho, aby ju podporovali. Vonkajšia sieť pôsobí ako veľmi veľký zdroj napätia a zdroj frekvencie a absorbuje kolísania mikrosiete.

Pri prevádzke mimo siete je PCC odpojené a mikro sieť sa mení na malý nezávislý elektrický systém. Neexistuje žiadny vonkajší zdroj, na ktorý by bolo možné sa spoliehať. Zdroje energie v rámci mikro siete – teda úložisko energie, fotovoltické panely, dieselové generátory a iné – musia samostatne vytvárať napätie a frekvenciu a neustále vyvažovať výrobu a spotrebu. Režim riadenia sa zmení z nasledovania siete na aktívnu podporu, čo výrazne zvyšuje náročnosť.

Prepácanie medzi dvoma režimami sa delí na plánované a neplánované prepácanie. Pri plánovanom prepácaní je k dispozícii prípravný čas: najprv sa môžu upraviť vnútorná výroba a záťaž, a potom sa mikro sieť môže odpojiť hladko. Neplánované prepácanie sa často spúšťa poruchou siete. Po zistení poruchy musí regulátor rýchlo odpojiť systém a prevziať energiu akumulátor alebo záložný zdroj, pričom sa odpoja niektoré nenáročné záťaže, aby sa zabránilo preťaženiu a kolapsu malého systému. Pri prepácaní späť z izolovaného režimu do režimu pripojenia k sieti sa najprv musia dosiahnuť zhoda napätia, frekvencie a fázy. V opačnom prípade dôjde v okamihu uzavretia k nárazovému prúdu, ktorý môže poškodiť zariadenia.

2. Technické výzvy izolovaného prevádzkovania po výpadku elektrickej energie

Po výpadku dodávky elektrickej energie zo siete a prechode systému do izolovaného prevádzkovania nastane najväčšia zmena tým, že zmizne zotrvačnosť systému hlavná sieť obsahuje mnoho rotujúcich strojov, ktoré prirodzene poskytujú zotrvačnosť a dokážu tlmiť zmeny frekvencie spôsobené náhlymi zmenami zaťaženia. Mimo sieťový mikrogrid je malý a výkonové elektronické zariadenia, ako sú meniče energiou z úložísk, nedokážu poskytnúť rovnakú fyzikálnu zotrvačnosť. Frekvencia a napätie reagujú na poruchy rýchlejšie a s väčšou amplitúdou.

To spôsobuje tri špecifické problémy. Po prvé, rýchla regulácia frekvencie a napätia . V režime mimo siete musí menič energie z úložísk prejsť z režimu sledovania siete do režimu tvorby siete a aktívne stanoviť referenčné hodnoty napätia a frekvencie. Toto je oveľa ťažšie ovládať ako v režime pripojenia k sieti. Po druhé, hladkosť neplánovaného prepínania . Ak počas prepínania klesne napätie alebo frekvencia príliš veľmi, citlivé záťaže sa môžu vypnúť alebo poškodiť. Preto ovládanie prepínania musí identifikovať stav a zmeniť stratégiu v priebehu milisekúnd. Po tretie, zmeny v systéme uzemnenia . Pri pripojení k sieti je uzemnenie uskutočnené hlavnou sieťou. Po odpojení od siete sa spôsob uzemnenia môže zmeniť, čo priamo ovplyvňuje cestu poruchového prúdu a správnosť fungovania ochrany.

3. Rôzne požiadavky na transformátory, vypínacie zariadenia a ochranné systémy

Transformátory

V architektúre pripojenej k sieti je kapacita transformátora hlavne určená výmenou výkonu medzi mikrosieťou a sieťou a vektorová skupina a pomer sú vybrané tak, aby zodpovedali napätiu siete. V architektúre mimo siete musí transformátor tiež udržiavať napätie stabilné pri nízkej zaťažení a pri nárazovom zaťažení, čo kladie dodatočné požiadavky na schopnosť regulácie napätia a návrh impedancie. Ak je kapacita skratu obmedzená, impedancia transformátora tiež pomáha obmedziť poruchový prúd. Distribučné transformátory a suché transformátory spoločnosti Zhongmeng umožňujú úpravu vektorových skupín a konfigurácií regulácie napätia podľa kapacity mikrosiete a charakteristík zaťaženia, čím sa prispôsobia rôznym prioritám oboch architektúr.

Výklopné zariadenie

Hranica medzi prevádzkou pripojenou k sieti a izolovanou prevádzkou sa zvyčajne nastavuje v bode pripojenia k sieti (PCC). Prepínač v tomto bode potrebuje obojsmernú schopnosť prerušovania: musí rýchlo odpojiť mikro sieť v prípade výpadku siete, aby sa zabránilo spätnému prenášaniu energie do poruchovej siete, a musí sa tiež spoľahlivo otvoriť v prípade, že je potrebná izolovaná prevádzka. Vysokonapäťové a nízkonapäťové prepínačové zariadenia a vybavenie predmontovaných kabín od spoločnosti Zhongmeng sú vopred zostavené a otestované v továrni. Na mieste sa potom musia pripojiť len káble, čo je vhodné pre projekty mikrosietí, ktoré vyžadujú rýchlu implementáciu.

Ochrannými systémami

Toto je oblasť s najväčším rozdielom medzi dvoma architektúrami. Pri prevádzke pripojenej k sieti je poruchový prúd hlavne dodávaný hlavnou sieťou a úroveň skratového prúdu je relatívne vysoká. Po prepnutí na izolovanú prevádzku je skratový prúd dodávaný len distribuovanými zdrojmi vnútri mikrosiete a môže byť len zlomkom hodnoty pri prevádzke pripojenej k sieti. Ak sa nastavenia ochrany stále vzťahujú na podmienky prevádzky pripojenej k sieti, relé nemusí poruchy v izolovanej prevádzke zistiť a nemusí sa aktivovať. Preto musí ochranný systém mať adaptívnu schopnosť v oboch režimoch alebo aspoň musieť byť schopný prepínať skupiny nastavení ochrany pri zmene režimu. Sieťové rozhranie tiež vyžaduje obojsmernú ochranu, aby pokrylo poruchy na strane siete aj na strane mikrosiete. Ochranné a riadiace zariadenia spoločnosti Zhongmeng sa dajú integrovať so spínacou technikou a transformátormi do kompletného balenia, čím sa znížia riziká koordinácie medzi zariadeniami od rôznych dodávateľov.

4. Problémy s napätím, frekvenciou a záťažovými výkyvmi v off-grid systémoch

V off-grid režime už nie je napätie a frekvencia podporované hlavnou sieťou. Regulujú sa v reálnom čase hlavnými zdrojmi riadenia, ako sú meniče energie uloženej v batériách alebo dieselové generátory. Bežným cieľom prevádzky je udržiavať frekvenciu približne na 50 Hz a odchýlku napätia v rozsahu, ktorý je pre záťaže prípustný. V skutočnej prevádzke však zmeny výstupu fotovoltaických panelov a spúšťanie či zastavovanie veľkých záťaží spôsobujú poruchy.

Zmena zaťaženia je najpriamejšou skúškou pre off-grid systém. Keď sa spustí relatívne veľký motor, môže okamžite znížiť napätie v systéme. Keď výstup z fotovoltických panelov klesne náhle kvôli oblačnosti, môže sa zvýšiť frekvencia. Ovládanie off-grid systému musí zostať stabilné aj pri takýchto nepretržitých poruchách. Súčasne musia batériové úložiská energie rýchlo nabíjať a vybíjať výkon na vyrovnanie kolísaní a v prípade potreby odpojiť niektoré menej dôležité zaťaženia podľa priority. Normy už vyžadujú, aby čas prepínania z off-grid do sieťového režimu nepresahoval 10 ms, avšak to kladie veľmi vysoké požiadavky na konzistenciu rýchlosti odpovede riadiacich zariadení a prepínačov.

5. Elektrické parametre, ktoré je potrebné potvrdiť v ranom štádiu projektu

Čím jasnejšie sú parametre v ranom štádiu, tým menej opakovanej práce bude potrebné pri výbere zariadení a nastavení ochrán. Najprv je potrebné potvrdiť nasledujúce parametre:

Úroveň skratového prúdu. Maximálny a minimálny skratový prúd sa musia určiť osobitne pre prevádzku pripojenú k sieti a pre izolovanú prevádzku. V režime pripojenia k sieti ich poskytujú spoločne sieť a distribuované zdroje. V izolovanej prevádzke ich poskytujú len distribuované zdroje. Tieto dve hodnoty sa môžu líšiť niekoľkonásobne. Toto je priamy základ pre výber vypínacej schopnosti vypínačov a nastavenie ochranných hodnôt.

Spôsob uzemnenia. Spôsoby uzemnenia na strane siete a na strane mikrosiete sa musia navzájom koordinovať. Spôsob uzemnenia neutrálneho bodu určuje veľkosť a smer prúdu pri jednofázovom uzemnení a tiež ovplyvňuje výber vektorovej skupiny transformátora. Po prepnutí do izolovanej prevádzky sa podmienky uzemnenia môžu zmeniť, preto sa v návrhovej fáze musia definovať usporiadania uzemnenia pred aj po prepínaní.

Parametre transformátora. Medzi tieto patria menovitá kapacita, pomer napätí, vektorová skupina, impedančné napätie a metóda regulácie napätia. Kapacitu je možné vybrať podľa maximálnej trvalo prenášanej výmennej energie medzi mikro sieťou a vonkajšou sieťou; okrem toho sa musí overiť schopnosť štartovať zaťaženia s nárazovým prúdom v režime bez siete.

Charakteristika harmonických zložiek. Pred výberom sa musia poznať harmonické spektrum, rád a obsah invertorov a nelineárnych zaťažení. Harmonické zložky ovplyvňujú kvalitu elektrickej energie a môžu spôsobiť navyše dodatočné zahrievanie transformátorov a rezonanciu kondenzátorov. Pri výbere sa musia zohľadniť príslušná odolnosť voči harmonickým zložkám alebo opatrenia na ich potlačenie.

Povolené rozsahy frekvencie a napätia. Musia byť definované prevádzkové hranice v režime pripojenia k sieti aj v režime bez siete, ako aj povolené prechodné odchýlky počas prepínania. Tieto ukazovatele priamo určujú stratégiu riadenia meniča a nastavenia ochrany.

Klasifikácia zaťaženia a maximálne nárazové zaťaženie. Off-gridový systém má obmedzenú kapacitu. Je potrebné rozlíšiť kritické a nekritické zaťaženia a potvrdiť spôsob štartovania a štartovací prúd najväčšieho jednotlivého motora. To určuje požadovanú schopnosť preťaženia konvertora energie a prahovú hodnotu stratégie odpojenia zaťaženia v off-gridovom režime.

Integračné body produktov Zhongmeng: Vyššie uvedené parametre sa nakoniec musia implementovať do konkrétneho zariadenia. Distribučné transformátory zabezpečujú prevod napätia a prispôsobenie impedancie. Rozvádzače zabezpečujú otváranie/zatváranie miesta pripojenia k sieti (PCC) a ochranu obvodu. Prispôsobené distribučné zariadenia integrujú transformátory, rozvádzače, ochranu a riadenie, ako aj monitorovanie do predmontovaných kabín alebo podzemných transformačných staníc, čím sa znížia chyby pri koordinácii počas montáže na mieste. Ak sa v ranom štádiu projektu potvrdia veľkosť skratového prúdu, spôsob uzemnenia, harmonické zložky a charakteristiky zaťaženia, môže sa celé zariadenie prispôsobiť skutočným prevádzkovým podmienkam namiesto pasívnych kompromisov so štandardnými výrobkami.

6. Prípady použitia

7. Často kladené otázky

Q: Aký je hlavný rozdiel medzi mikro sieťami pripojenými k sieti a mikro sieťami mimo siete?

A: Hlavný rozdiel spočíva v logike riadenia. V režime pripojenia k sieti poskytuje vonkajšia hlavná sieť referenčné napätie a frekvenciu a mikrosieť sa tejto siete prispôsobuje. V režime mimo siete musí mikrosieť samostatne vytvoriť vlastné napätie a frekvenciu prostredníctvom vnútorných zdrojov energie a generátorov, čo robí riadenie výrazne zložitejším.

Q: Prečo sa ochranný systém líši medzi týmito dvoma architektúrami?

A: Úrovne skratového prúdu sa výrazne líšia. V režime pripojenia k sieti hlavná sieť dodáva vysoký poruchový prúd. V izolovanom režime (off-grid) poruchový prúd dodávajú len distribuované zdroje, čo môže byť len zlomok hodnoty pri pripojení k sieti. Nastavenia ochrany navrhnuté pre režim pripojenia k sieti nemusia byť schopné detegovať poruchy v izolovanom režime (off-grid), preto je potrebná adaptívna ochrana alebo prepínateľné skupiny nastavení.

Q: Aký čas prepínania je vyžadovaný pri prechode z izolovaného režimu (off-grid) do režimu pripojenia k sieti?

A: Priemyselné normy vyžadujú, aby čas prepínania z izolovaného režimu (off-grid) do režimu pripojenia k sieti nepresahoval 10 ms. To kladie veľmi vysoké nároky na rýchlosť reakcie regulátorov a prepínačov a vyžaduje presnú synchronizáciu napätia, frekvencie a fázy pred opätovným pripojením.

Q: Akú úlohu plnia transformátory v mikrosieti?

A: Transformátory zabezpečujú prevod napätia a prispôsobenie impedancie medzi mikro sieťou a vonkajšou sieťou. V režime izolovanej prevádzky musia tiež udržiavať stabilitu napätia pri nízkej zaťaženosti a pri nárazovom zaťažení. Impedancia transformátora môže navyše pomôcť obmedziť poruchový prúd v prípadoch, keď je obmedzená kapacita pri skratovej prúde.

Q: Ktoré elektrické parametre je potrebné potvrdiť v ranom štádiu projektu mikro siete?

A: Kľúčové parametre zahŕňajú: úrovne skratového prúdu pre oba režimy, spôsob uzemnenia, parametre transformátorov (výkon, pomer napätí, vektorová skupina, impedancia), harmonické charakteristiky, povolené rozsahy frekvencie a napätia a klasifikáciu zaťaženia vrátane maximálneho nárazového zaťaženia. Predčasné potvrdenie týchto parametrov zníži potrebu opätovného výberu zariadení a nastavenia ochrany.