Nätanslutna kontra fristående mikronät: Viktiga skillnader och utrustningskrav

Mikronät har två grundläggande driftslägen: nätanslutet och fristående. De skiljer sig tydligt åt när det gäller styrlogik, utrustningsval och inställningar för skydd. Att förstå dessa skillnader är grunden för utrustningsval i projektets tidiga skede.

1. Hur de två typerna av mikronät fungerar

Vid nätansluten drift är mikronätet anslutet till det externa huvudnätet via kopplingspunkten (PCC). Det externa nätet ansvarar för att hålla spänning och frekvens stabila. De distribuerade generatorerna och energilagren inom mikronätet följer nätet och samarbetar främst istället för att stödja. Det externa nätet fungerar som en mycket stor spänningskälla och frekvenskälla och absorberar svängningarna från mikronätet.

Vid drift utan anslutning till elnätet kopplas PCC från, och mikronätet blir ett litet, oberoende elsystem. Det finns ingen extern källa att lita på. Energilagringen, PV-systemet, dieselmotorerna och andra källor inom mikronätet måste själva etablera spänning och frekvens samt kontinuerligt balansera produktion och last. Styrningsläget ändras från att följa nätet till att aktivt stödja, och svårighetsgraden ökar avsevärt.

Växling mellan de två driftsmoderna delas in i planerad växling och oplanerad växling. Vid planerad växling finns förberedelse tid: intern generation och last kan justeras först, varefter mikronätet kan kopplas från nätet smidigt. Oplanerad växling utlöses ofta av ett nätfel. Efter att avvikelsen upptäckts måste styrenheten koppla från nätet snabbt och låta energilagringen eller reservkällan ta över, samtidigt som vissa icke-kritiska laster kopplas bort för att förhindra att det lilla systemet överlastas och kollapsar. När man växlar tillbaka från fristående drift till nätansluten drift måste spännings-, frekvens- och fas-synkronisering slutföras först. Annars uppstår en strömspets vid inkopplingen, vilket kan skada utrustningen.

2. Tekniska utmaningar med fristående drift under en strömavbrott

Efter att elnätet går ner och systemet övergår till fristående drift är den största förändringen att systemtrögheten försvinner det huvudsakliga nätet har många roterande maskiner, vilka naturligtvis ger tröghet och kan dämpa frekvensändringar som orsakas av plötsliga laständringar. Ett friliggande mikronät är litet, och kraftelektronikenheter såsom energilagringsomvandlare kan inte tillhandahålla samma fysiska tröghet. Frekvens och spänning reagerar snabbare och med större amplitud på störningar.

Detta medför tre specifika problem. Först och främst snabb reglering av frekvens och spänning . I friliggande drift måste energilagringsomvandlaren växla från nätföljande till nätbildande drift och aktivt etablera spännings- och frekvensreferensen. Detta är betydligt svårare att styra jämfört med nätansluten drift. För det andra smidighet i oplanerad omkoppling . Om spänningen eller frekvensen sjunker för mycket under omkopplingen kan känsliga laster kopplas bort eller skadas. Därför måste omkopplingsstyrningen identifiera tillståndet och ändra strategin inom millisekunder. För det tredje ändringar i jordningssystemet . När ansluten till nätet sker jordning av huvudnätet. Efter frånkoppling från nätet kan jordningsmetoden ändras, vilket direkt påverkar felströmmens väg och riktigheten i skyddsfunktionernas arbete.

3. Olika krav på transformatorer, strömställare och skyddssystem

Transformatorer

I en nätansluten arkitektur bestäms transformatorns kapacitet främst av utbytet av effekt mellan mikronätet och elnätet, och vektorgruppen samt förhållandet väljs för att anpassas till nätspänningen. I en fristående arkitektur måste transformatorn även hålla spänningen stabil vid låg belastning och stötbelastringar, vilket ställer ytterligare krav på spänningsregleringsförmågan och impedansdesignen. När kortslutningskapaciteten är begränsad hjälper transformatorns impedans också att begränsa felströmmen. Zhongmengs distributionstransformatorer och torrtransformatorer kan justera vektorgrupper och konfigurationer för spänningsreglering enligt mikronätets kapacitet och lastegenskaper, så att de anpassas till de olika prioriteringarna i de två arkitekturen.

Switchgear

Gränsen mellan nätansluten och fristående drift är vanligtvis placerad vid PCC. Brytaren på denna plats måste ha tvåriktad avbrottsförmåga: den måste kunna snabbt koppla bort vid nätavbrott för att förhindra att mikronätet matar in effekt i det felaktiga nätet, och den måste också kunna öppnas tillförlitligt vid behov av fristående drift. Zhongmengs hög- och lågspänningsbrytarutrustning samt prefabricerade kabinkomponenter monteras och testas i fabrik. På plats behöver endast ledningarna anslutas, vilket gör utrustningen lämplig för mikronätprojekt som kräver snabb installation.

Skyddssystem

Detta är området med största skillnaden mellan de två arkitekturen. Vid nätansluten drift tillhandahålls felströmmen främst av huvudnätet, och kortslutningsströmnivån är relativt hög. Efter övergång till frånskoplad drift tillhandahålls kortslutningsströmmen endast av de distribuerade källorna inom mikronätet och kan utgöra endast en bråkdel av värdet vid nätansluten drift. Om skyddsinställningarna fortfarande är anpassade för nätansluten drift kan reläet misslyckas med att upptäcka fel i frånskoplad drift och kan därför inte utlösa. Därför måste skyddssystemet ha adaptiv förmåga i båda driftlägen, eller åtminstone kunna växla mellan olika skyddsinställningsgrupper vid driftlägesändring. Gränssnittet mot nätet kräver även tvåriktat skydd för att täcka fel på både nät- och mikronätssidan. Zhongmengs skydds- och styrutrustning kan integreras med strömställare och transformatorer i ett komplett paket, vilket minskar koordineringsrisker mellan utrustning från olika leverantörer.

4. Spännings-, frekvens- och lastvariationer i friliggande system

I friliggande läge stöds inte längre spänning och frekvens av huvudnätet. De regleras istället i realtid av de primära kontrollkällorna, till exempel energilagringsomvandlare eller dieselgeneratorer. Det vanliga driftmålet är att hålla frekvensen nära 50 Hz och spänningsavvikelsen inom ett område som är acceptabelt för anslutna laster. I praktiken orsakar dock förändringar i PV-utbytet samt start och stopp av stora laster båda två störningar.

Lastvariation är den mest direkta testmetoden för ett friluftssystem. När en relativt stor motor startar kan den omedelbart dra ner systemspänningen. När PV-utbytet minskar plötsligt på grund av molntäcke kan frekvensen stiga. Driftkontrollen för friluftssystem måste förbli stabil under sådana kontinuerliga störningar. Samtidigt måste batterilagringskapaciteten snabbt ladda och urladda effekt för att jämna ut svängningar, och vid behov koppla bort vissa icke-kritiska laster i prioriterad ordning. Standarder kräver redan att övergångstiden från friluft till nätanslutning inte får överskrida 10 ms, men detta ställer mycket höga krav på konsistensen i styrregleringens och strömställarens svarstid.

5. Elektriska parametrar som ska fastställas i projektets tidiga skede

Ju tydligare parametrarna är i det tidiga skedet, desto mindre omarbete krävs vid utrustningsval och inställning av skydd. Följande parametrar bör fastställas först:

Kortslutningsströmnivå. De maximala och minimala kortslutningsströmmarna måste bestämmas separat för nätanslutna och frånskopplade förhållanden. I nätanslutet läge tillhandahålls de av elnätet och distribuerade källor tillsammans. I frånskopplat läge tillhandahålls de endast av distribuerade källor. De två kan skilja sig åt med flera gånger. Detta är den direkta grunden för valet av brytkapacitet för strömbrytare och inställning av skyddsvärden.

Jordningsmetod. Jordningsmetoderna på nätssidan och mikronätssidan bör samordnas. Neutraljordningsmetoden avgör storleken och vägen för enfasig jordfelström och påverkar också valet av transformatorns vektorgrupp. Efter frånskopplad drift kan jordningsförhållandena ändras, så jordningsanordningen före och efter omkoppling bör definieras redan i designfasen.

Transformatorparametrar. Dessa inkluderar nominell kapacitet, spänningsförhållande, vektorgrupp, impedansspänning och spänningsregleringsmetod. Kapaciteten kan väljas utifrån den maximala kontinuerliga utbytbara effekten mellan mikronätet och det externa nätet, och förmågan att starta påverkande laster i friläge bör också kontrolleras.

Harmoniska egenskaper. Det harmoniska spektrumet, ordningen och innehållet för omformare och icke-linjära laster bör vara kända i förväg. Harmoniska påverkar elkvaliteten och kan även orsaka extra uppvärmning av transformatorer och kondensatorresonans. Vid urval bör motsvarande harmoniskt tålande eller minskningsåtgärder anpassas.

Tillåtna frekvens- och spänningsområden. Driftgränserna både i nätanslutet läge och i friläge, samt de tillåtna transienta avvikelserna vid övergång mellan lägena, bör definieras. Dessa indikatorer avgör direkt omformarens reglerstrategi och skyddsinställningar.

Lastklassificering och maximal påverkande last. Ett friluftssystem har begränsad kapacitet. Viktiga och icke-viktiga laster måste skiljas åt, och den största enskilda motorns startmetod och startström måste bekräftas. Detta avgör den överbelastningskapacitet som krävs av energilagringsomvandlaren och tröskelvärdet för lastbortkopplingsstrategin i friluftsläge.

Zhongmengs produktintegrationspunkter: Ovanstående parametrar måste slutligen implementeras i specifik utrustning. Fördelningstransformatorer hanterar spänningsomvandling och impedansanpassning. Strömställutrustning hanterar öppning/stängning vid anslutningspunkten (PCC) samt kretsskydd. Anpassad elkraftfördelningsutrustning integrerar transformatorer, strömställutrustning, skydd och styrning samt övervakning i förmonterade kabiner eller plintmonterade transformatorstationer, vilket minskar koordineringsfel vid montering på plats. Om kortslutningsström, jordningsmetod, harmoniska och lastegenskaper fastställs redan i projektets tidiga skede kan fullständig utrustning anpassas till de faktiska driftförhållandena istället for att göra passiva kompromisser med standardprodukter.

6. Användningsområden

7. Vanliga frågor

Fråga: Vad är den främsta skillnaden mellan mikronät med och utan nätanslutning?

Svar: Den främsta skillnaden ligger i styrlogiken. I nätansluten drift tillhandahåller det externa huvudnätet spännings- och frekvensreferens, och mikronätet följer nätet. I drift utan nätanslutning måste mikronätet självt skapa spänning och frekvens genom intern energilagring och generatorer, vilket gör styrningen betydligt mer komplex.

Fråga: Varför skiljer sig skyddssystemen åt mellan de två arkitekturena?

A: Kortslutningsströmnivåerna skiljer sig åt kraftigt. I nätanslutet läge levererar huvudnätet en hög felström. I frånskopplat läge levererar endast distribuerade källor felström, vilket kan vara endast en bråkdel av värdet i nätanslutet läge. Skyddsinställningar som är utformade för nätanslutna förhållanden kan misslyckas att upptäcka fel i frånskopplat läge, så adaptivt skydd eller växlingsbara inställningsgrupper krävs.

Q: Vilken växlingstid krävs vid övergång från frånskopplat till nätanslutet läge?

A: Branschstandarder kräver att växlingstiden från frånskopplat till nätanslutet läge inte får överstiga 10 ms. Detta ställer mycket höga krav på kontrollernas och strömbrygarnas svarshastighet samt kräver exakt synkronisering av spänning, frekvens och fas innan återanslutning.

Q: Vilken roll spelar transformatorer i ett mikronät?

A: Transformatorer hanterar spänningsomvandling och impedansanpassning mellan mikronätet och det externa nätet. I friläge måste de även upprätthålla spänningsstabilitet vid låg belastning och stötbelastning. Transformatorimpedansen kan dessutom hjälpa till att begränsa felströmmen när kortslutningskapaciteten är begränsad.

Q: Vilka elektriska parametrar bör bekräftas i ett tidigt skede av ett mikronätsprojekt?

A: De viktigaste parametrarna inkluderar: kortslutningsströmnivåer för båda driftlägena, jordningsmetod, transformatorparametrar (kapacitet, omformningsförhållande, vektorgrupp, impedans), harmoniska egenskaper, tillåtna frekvens- och spänningsområden samt lastklassificering med maximal stötbelastning. Att bekräfta dessa parametrar tidigt minskar omarbete vid utrustningsval och inställning av skydd.