Ako integrovať fotovoltické solárne panely, batériové úložiská a distribučné transformátory do mikrosiete

Mikro sieť sa často popisuje podľa jej zdrojov – fotovoltaických panelov a batériových stojanov – avšak zariadenie, ktoré rozhoduje o tom, či tieto zdroje skutočne dobre spolupracujú, sa nachádza v strede: transformátor . V režime pripojenia k sieti slúži ako kanál pre výkon. V izolovanom režime sa stáva súčasťou referenčného napätia a frekvencie celej siete. Správne nastavenie vzťahu medzi fotovoltaickými panelmi, konvertormi výkonu (PCS), transformátorom a zaťažením teda nie je len detail nákupného procesu; ide o architektonické rozhodnutie, ktoré určuje, či bude mikro sieť stabilná, účinná a dlhoveká.

Elektrický reťazec: fotovoltaické panely, konvertor výkonu (PCS), transformátor, zaťaženie

Typická striedavá mikro sieť s pripojením cez striedavý prevodník postupuje v jasnej postupnosti. Fotovoltické reťazce dodávajú jednosmerný prúd do systému premeny energie (PCS), ktorý zahŕňa striedavý prevodník a v konštrukciách stredného napätia aj transformátor na zvýšenie napätia. Výstup PCS sa zvýši na stredné napätie, zhromaždí sa a potom sa na strane zaťaženia zníži prostredníctvom distribučných transformátorov. Batériové úložisko sa pripojí cez obojsmerný PCS k tej istej striedavej zbernici, čo umožňuje tok výkonu pri nabíjaní aj vybíjaní v obe smermi.

Úloha transformátora sa líši podľa jeho umiestnenia. Transformátory na zvýšenie napätia na strane výroby energie slúžia predovšetkým aplikáciám vyrábajúcim energiu – zvyšujú napätie zo striedavého prevodníka (480–600 V) na 10 kV, 34,5 kV alebo vyššie za účelom zhromaždenia a prepravy. Rozdelené transformátory na strane zaťaženia plnia opačnú funkciu, teda znížia stredné napätie na úroveň vhodnú na využitie. V mikro sieti musia obe funkcie súčasne existovať a často ten istý transformátor musí podporovať tok výkonu v *obe* smermi, v závislosti od toho, či fotovoltické panely exportujú energiu alebo batéria nabíja.

Rozmerovanie transformátora vzhľadom na výstup meniča

Kapacitu transformátora nesmieme považovať za jednoduchú 1:1 kópiu výkonového štítka meniča. V priemysle sa používa faktor prehodnotenia približne 1,10 až 1,25 vzhľadom na striedavý meničový menovitý výstup, upravený podľa okolitej teploty a nadmorskej výšky. Logika je priamočiara: meniče môžu krátkodobo preťažiť, harmonické prúdy zvyšujú tepelné zaťaženie a transformátor musí prenášať jalový výkon v izolovanom režime bez nasýtenia.

Súčasne musí byť menovité kVA transformátora rovné alebo väčšie ako celkový menovitý výstup všetkých meničov pripojených k nemu – základný požiadavok na súlad ochrany a regulácie napätia. Pre fotovoltaický blok s výkonom 1 MW je bežným riešením transformátor so zvýšením napätia s výkonom 1250 kVA; zmenšenie jeho výkonu za účelom úspory nákladov často spôsobuje tepelné zúženie práve vtedy, keď sa súčasne využíva výkon z fotovoltaických panelov a vybíja sa batéria.

Harmonické zložky, reverzný tok výkonu a tepelné zaťaženie

Fotovoltické invertory a jednotky PCS pre batérie sú nelineárne zdroje. Keď ich na rovnakom transformátore pracuje veľa, harmonické prúdy sa prekrývajú a spôsobujú dodatočné frekvencie závislé straty v vinutiach a jadrách. Tento problém sa zhoršuje obratom smeru výkonového toku : keď sa zvyšuje podiel fotovoltiky, transformátor môže hodiny exportovať výkon späť do siete alebo do bodu spoločného pripojenia – stav, pre ktorý neboli konvenčné distribučné transformátory optimalizované.

Experimentálne a modelové práce ukazujú tepelné dôsledky. Pri plnom zaťažení pri obrátenej smeru výkonového toku v kombinácii s harmonickým skreslením sa očakávaná životnosť transformátora môže znížiť približne o 8.3%, a teplotné vrcholy sa presúvajú takým spôsobom, že sa zrýchľuje starnutie izolácie. V mikro sieťach, ktoré často prepínajú medzi importom a exportom, je cyklické zaťaženie dôležitejšie ako priemerné zaťaženie: tepelné starnutie sa hromadí na základe maximálnej teploty a počtu cyklov, nie na základe hladkého denného priemeru.

Transformátory určené na služby mikro siete potrebujú konštrukciu s faktorom K alebo odolnú voči harmonickým zložkám, dostatočné chladenie a izolačné systémy vyhovujúce opakovaným tepelným cyklom – nie len štandardný distribučný transformátor s vyšším označením kVA.

Pripojené k sieti vs. izolované: Dve rôzne stroje v jednom ráme

Pri prevádzke pripojenej k sieti elektrizačná spoločnosť určuje napätie a frekvenciu; transformátor prevažne prenáša výkon a poskytuje galvanické oddelenie. V okamihu, keď sa otvorí bod spoločného pripojenia, sa dynamika zmení. Transformátor môže musieť spolupracovať s batériovými úložnými systémami (BESS) a fotovoltaickými invertormi, aby zabezpečil stabilitu napätia a frekvencie , absorboval nábehový magnetizačný prúd a vydržal prúdy pri štarte motorov, ktoré predtým zabezpečovala hlavná sieť.

Uzemnenie je najčastejšie prehliadnutý rozdiel. Keď sa mikro sieť izoluje, zmizne uzemňovacia referencia neutrálnej vedenia zo strany elektrizačnej spoločnosti. Bez uzemňovací transformátor , jednofázová porucha proti zemi nemá nízkootporovú návratnú cestu; ochrana nemusí poruchu zaregistrovať a prebytok napätia môže poškodiť izoláciu. Výber impedancie je rovnako dôležitý: transformátor s nízkou impedanciou zaisťuje presnejšiu reguláciu napätia, avšak zvyšuje poruchový prúd, čo vyžaduje prehodnotenie všetkých hodnôt vypínačov a rozvádzačov v podriadenom okruhu. Transformátor mikro-siete sa teda musí špecifikovať s ohľadom na dve prevádzkové reality – normálny prevádzkový režim pripojený k sieti a režim izolovanej siete s podporou pri poruchách a napätí – namiesto jednej.

Plánovanie rozhraní a hraníc zodpovedností

Technická integrácia zlyhá z komerčného hľadiska, ak sú hranice zodpovedností nejasné. bod spoločného pripojenia (PCC) je prirodzené fyzické a zmluvné oddelenie: prevádzkovateľ distribučného systému spravuje sieť až po bod pripojenia k sieti (PCC), zatiaľ čo prevádzkovateľ mikrosiete spravuje všetko za týmto bodom. V praxi však vlastníctvo prepojovacej linky, zvyšovacej stanice a distribučných aktív je často nejasné a zodpovednosť za investície do posilnenia siete vyvolané mikrosietou sa často spochybňuje.

Funkčný plán rozhrania jasne pridelí štyri veci: vlastníctvo zariadení (kto vlastní transformátor, prepínačové zariadenia a ochranné relé), právomoc nastavovania (kto nastavuje ochranu a riadenie v bode pripojenia k sieti – PCC), zodpovednosť za testovanie (kto uvádza do prevádzky detekciu ostrovného režimu a overovanie uzemnenia), a hranice dát a riadenia (čo mikroSieťový regulátor môže príkazovať oproti tomu, čo si udržiava dodávateľ elektrickej energie). Zariadenia, ktoré umožňujú jasné fyzické oddelenie – oddelené rozvádzače, vyhradené priestory pre uzemňovacie transformátory a transformátorové súpravy s definovanými rozhraniami ochrany – znižujú trenie, ktoré inak vzniká počas uvádzania do prevádzky a testovania izolovaného režimu.

Kde voľba zariadení stáva sa stratégiou integrácie

Technické požiadavky uvedené vyššie sa sústreďujú na malú množinu rozhodnutí týkajúcich sa zariadení. Transformátory na zvýšenie napätia fotovoltických systémov a kompaktné podstanice vyžadujú odolnosť voči harmonickým zložkám, tepelné rezervy pri prevádzke v režime spätného výkonu a návrh zohľadňujúci K-faktor. Rozdelené transformátory na strane zaťaženia vyžadujú konfigurácie impedancie a uzemnenia kompatibilné s úrovňami poruchového prúdu v izolovanom režime. Výklopné zariadenie musia koordinovať ochranu cez dva režimy zdrojov – dodávateľa elektrickej energie a generácie v izolovanom režime – bez nutnosti opätovného hodnotenia po každej zmene režimu.

Integrácia týchto funkcií do technicky navrhnutých balíkov namiesto ich zakúpenia ako nezávislých komponentov skracuje cestu od špecifikácie po mikro sieť, ktorá sa môže spoľahlivo izolovať a opäť pripojiť. Transformátor nie je najviditeľnejším aktívom v mikro sieti, avšak je to jediný komponent, ktorého špecifikácia tichým spôsobom určuje, či fotovoltické (PV) zariadenia, úložné systémy a záťaže fungujú ako integrovaný systém alebo ako zbierka samostatných častí.

Scenáre použitia

Často kladené otázky

Aký faktor premerania sa má použiť pri prispôsobovaní transformátora výstupu fotovoltaického invertora?

Odborná prax odporúča faktor premerania 1,10 až 1,25 vo vzťahu k striedavému menovitému výstupnému výkonu invertora, upravený podľa okolitej teploty a nadmorskej výšky. Toto zohľadňuje krátke preťaženia invertora, tepelné zaťaženie spôsobené harmonickými zložkami a požiadavky na jalový výkon v izolovacom režime.

Ako ovplyvňujú harmonické zložky od fotovoltických a batériových invertorov životnosť transformátorov?

Harmonické prúdy z nelineárnych zdrojov sa superponujú na transformátor a spôsobujú dodatočné, frekvencie závislé straty v vinutiach a jadrách. Pri plnom zaťažení a reverznom toku výkonu v kombinácii s harmonickým skreslením sa očakávaná životnosť transformátora môže znížiť približne o 8,3 %. Pre mikro sieťové aplikácie sú nevyhnutné konštrukcie s koeficientom K alebo odolné voči harmonickým zložkám.

Aký je kľúčový rozdiel medzi prevádzkou transformátora pripojeného do siete a izolovanej prevádzkou?

V režime pripojenia do siete elektrizačná spoločnosť určuje napätie a frekvenciu, zatiaľ čo transformátor prenáša výkon a poskytuje izoláciu. V izolovanej prevádzke musí transformátor spolupracovať s batériovými úložnými systémami (BESS) a fotovoltickými invertormi, aby stabilizoval napätie a frekvenciu, absorboval magnetizačný nábeh a vydržal špičkové prúdy pri štarte motorov, ktoré predtým zabezpečovala hlavná sieť.

Prečo je v izolovanej mikrosieti potrebný uzemňovací transformátor?

Keď sa mikroSieť izoluje, zmizne neutrálny uzemňovací referenčný bod dodávateľa elektrickej energie. Bez uzemňovacieho transformátora jednofázová porucha voči zemi nemá nízkootporovú spätnú cestu; ochrana nemusí poruchu zistiť a prenapätie môže zaťažiť izoláciu v celom systéme.

Ako by sa mali definovať hranice zodpovednosti medzi prevádzkovateľom mikroSieťe a dodávateľom elektrickej energie?

Bod spoločného pripojenia (PCC) slúži ako prirodzené oddelenie. Funkčný plán jasne pridelí vlastníctvo zariadení, právomoc nastavovať ochrany, zodpovednosť za testovanie detekcie izolácie a uzemnenia, ako aj hranice údajov a riadenia medzi regulátorom mikroSieťe a dodávateľom elektrickej energie.

123