วิธีการผสานระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ และหม้อแปลงจ่ายไฟฟ้าเข้าด้วยกันในไมโครกริด

ไมโครกริดมักถูกอธิบายโดยแหล่งพลังงานของมัน เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์และชุดแบตเตอรี่ แต่อุปกรณ์ที่กำหนดว่าแหล่งพลังงานเหล่านั้นจะทำงานร่วมกันได้ดีหรือไม่นั้นอยู่ตรงกลาง นั่นคือ หม้อแปลง ในโหมดเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า มันทำหน้าที่เป็นช่องทางส่งกำลังไฟฟ้า ส่วนในโหมดเกาะ (islanded mode) มันจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าและความถี่สำหรับระบบทั้งระบบ ดังนั้น การจัดวางความสัมพันธ์ระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์–อุปกรณ์แปลงกำลังไฟฟ้า–หม้อแปลง–และโหลดให้เหมาะสมจึงไม่ใช่เพียงรายละเอียดในการจัดซื้อ แต่เป็นการตัดสินใจเชิงสถาปัตยกรรมที่กำหนดว่าไมโครกริดนั้นจะมีเสถียรภาพ มีประสิทธิภาพ และใช้งานได้นานเท่าใด

ห่วงโซ่ไฟฟ้า: แผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์แปลงกำลังไฟฟ้า หม้อแปลง และโหลด

ไมโครกริดแบบเชื่อมต่อกระแสสลับ (AC-coupled) ทั่วไปมีลำดับการทำงานที่ชัดเจน แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ส่งกระแสตรง (DC) เข้าสู่ระบบแปลงพลังงาน (PCS) ซึ่งประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์ และในแบบที่ใช้แรงดันกลาง (medium-voltage) จะมีหม้อแปลงเพิ่มแรงดัน (step-up transformer) ด้วย ผลลัพธ์จาก PCS จะถูกเพิ่มแรงดันให้เป็นระดับแรงดันกลาง จากนั้นรวบรวมไว้ ก่อนลดแรงดันลงอีกครั้งที่ฝั่งโหลดผ่านหม้อแปลงจ่ายไฟ (distribution transformers) ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับบัสกระแสสลับ (AC bus) เดียวกันผ่าน PCS แบบสองทิศทาง (bidirectional PCS) ทำให้กำลังไฟฟ้าสำหรับการชาร์จและคายประจุสามารถไหลได้ทั้งสองทิศทาง

หน้าที่ของหม้อแปลงจะแตกต่างกันไปตามตำแหน่งที่ติดตั้ง หม้อแปลงแบบเพิ่มแรงดัน ที่ฝั่งผลิตไฟฟ้า มักใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับการผลิตพลังงาน โดยรับแรงดันจากระดับอินเวอร์เตอร์ (480–600 V) แล้วเพิ่มขึ้นเป็น 10 kV, 34.5 kV หรือสูงกว่านั้น เพื่อการรวบรวมและการส่งจ่าย ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับการกระจายพลังงาน ที่ฝั่งโหลด ทำหน้าที่ตรงข้าม คือลดแรงดันจากระดับแรงดันกลางลงสู่ระดับที่ใช้งานได้จริง ในไมโครกริด ทั้งสองหน้าที่นี้จำเป็นต้องอยู่ร่วมกัน และบ่อยครั้งหม้อแปลงตัวเดียวกันต้องรองรับการไหลของกำลังไฟฟ้าทั้งสองทิศทาง ขึ้นอยู่กับว่าแผง PV กำลังส่งออกพลังงานหรือแบตเตอรี่กำลังชาร์จ

การเลือกขนาดหม้อแปลงให้สอดคล้องกับเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์

ความจุของหม้อแปลงไม่ควรกำหนดตามค่าที่ระบุบนป้ายชื่อของอินเวอร์เตอร์แบบตรง ๆ แบบ 1 ต่อ 1 แนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมมักใช้ค่าสัมประสิทธิ์เพิ่มขนาด (oversizing factor) ประมาณ 1.10 ถึง 1.25 จากค่าเอาต์พุตกระแสสลับที่ระบุไว้ของอินเวอร์เตอร์ โดยปรับเพิ่มตามอุณหภูมิแวดล้อมและความสูงเหนือระดับน้ำทะเล เหตุผลมีความชัดเจน: อินเวอร์เตอร์สามารถทำงานเกินโหลดได้ชั่วคราว กระแสฮาร์โมนิกเพิ่มภาระความร้อน และหม้อแปลงต้องรองรับกำลังไฟฟ้าเชิงรีแอคทีฟได้ในโหมดเกาะ (islanded mode) โดยไม่เกิดภาวะอิ่มตัว (saturation)

ในขณะเดียวกัน ค่า kVA ที่ระบุไว้ของหม้อแปลงต้อง เท่ากับหรือมากกว่า ค่าเอาต์พุตรวมที่ระบุไว้ของอินเวอร์เตอร์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับหม้อแปลงนั้น — ซึ่งเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการประสานงานระบบป้องกันและควบคุมแรงดันไฟฟ้า สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 1 เมกะวัตต์ หม้อแปลงแบบ step-up ขนาด 1250 kVA มักเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม การเลือกหม้อแปลงที่มีขนาดเล็กเกินไปเพื่อลดต้นทุนมักก่อให้เกิดคอขวดความร้อนโดยเฉพาะเมื่อการผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์และการปล่อยพลังงานจากแบตเตอรี่เกิดขึ้นพร้อมกัน

ฮาร์โมนิก การไหลย้อนกลับของกำลังไฟฟ้า และความเครียดจากความร้อน

อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และหน่วย PCS สำหรับแบตเตอรี่เป็นแหล่งที่มีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น เมื่อมีการใช้งานจำนวนมากบนหม้อแปลงตัวเดียวกัน กระแสฮาร์โมนิกจะซ้อนทับกันและก่อให้เกิดความสูญเสียเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับความถี่ในขดลวดและแกนเหล็ก ปัญหานี้รุนแรงยิ่งขึ้นจาก กระแสกลับ : เมื่อสัดส่วนการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มขึ้น หม้อแปลงอาจทำงานเป็นเวลาหลายชั่วโมงโดยส่งกำลังไฟฟ้ากลับไปยังโครงข่ายหรือจุดเชื่อมต่อร่วม ซึ่งเป็นสภาวะที่หม้อแปลงแบบกระจายทั่วไปไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับ

งานวิจัยเชิงทดลองและแบบจำลองแสดงผลกระทบต่ออุณหภูมิ ภายใต้สภาวะโหลดเต็มรูปแบบขณะส่งกำลังไฟฟ้ากลับพร้อมกับการบิดเบือนฮาร์โมนิก อายุการใช้งานที่คาดการณ์ของหม้อแปลงอาจลดลงประมาณ 8.3%, และจุดร้อนจะเคลื่อนย้ายไปในลักษณะที่เร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของฉนวน ในไมโครกริดที่สลับโหมดระหว่างรับและส่งกำลังไฟฟ้าบ่อยครั้ง ภาระแบบเป็นรอบ (cyclic duty) มีความสำคัญมากกว่าภาระเฉลี่ย: การเสื่อมสภาพจากความร้อนสะสมจากอุณหภูมิสูงสุดและจำนวนรอบ ไม่ใช่จากค่าเฉลี่ยรายวันที่ราบรื่น

หม้อแปลงที่ระบุไว้สำหรับการให้บริการไมโครกริดจำเป็นต้องมีการออกแบบแบบ K-factor หรือแบบทนต่อฮาร์โมนิก มีระบบระบายความร้อนที่เพียงพอ และระบบฉนวนที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง — ไม่ใช่เพียงแค่หม้อแปลงแบบจ่ายไฟทั่วไปที่ระบุค่า kVA สูงขึ้นเท่านั้น

เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (grid-tied) เทียบกับทำงานแบบแยกโดดเดี่ยว (islanded): เครื่องสองแบบในโครงสร้างเดียวกัน

ในการทำงานแบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า โครงข่ายจะกำหนดค่าแรงดันและค่าความถี่ไว้ล่วงหน้า ส่วนหม้อแปลงทำหน้าที่ส่งผ่านพลังงานเป็นหลักและให้การแยกฉนวนแบบกาลาวานิก (galvanic isolation) แต่ทันทีที่จุดเชื่อมต่อร่วม (point of common coupling) ถูกตัดออก สภาพการทำงานจะเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว หม้อแปลงอาจต้องทำงานร่วมกับระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) และอินเวอร์เตอร์แผงโซลาร์เซลล์ (PV inverters) เพื่อ รักษาค่าแรงดันและค่าความถี่ให้มั่นคง ดูดซับกระแสแม่เหล็กเริ่มต้น (magnetizing inrush) และสามารถทนต่อกระแสเริ่มต้นของมอเตอร์ (motor-starting currents) ซึ่งโดยปกติโครงข่ายไฟฟ้าหลักเป็นผู้จ่ายให้

การต่อสายดิน (grounding) คือความแตกต่างที่มักถูกมองข้ามมากที่สุด เมื่อไมโครกริดทำงานแบบแยกโดดเดี่ยว (islanded) การอ้างอิงการต่อสายดินที่มาจากโครงข่ายไฟฟ้าจะหายไป ดังนั้นหากไม่มี ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น , ข้อบกพร่องแบบเฟสเดียวต่อพื้นดินไม่มีเส้นทางคืนที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันอาจตรวจจับข้อบกพร่องไม่ได้ และแรงดันเกินอาจทำให้ฉนวนเสื่อมสภาพ การเลือกค่าอิมพีแดนซ์ก็มีผลเช่นกัน: หม้อแปลงที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำจะควบคุมแรงดันได้แม่นยำยิ่งขึ้น แต่จะเพิ่มกระแสข้อบกพร่อง ส่งผลให้ต้องทบทวนค่าการกำหนดของเบรกเกอร์และสวิตช์เกียร์ทั้งหมดที่อยู่ด้านหลัง ดังนั้น หม้อแปลงสำหรับไมโครกริดจึงต้องระบุค่าตามความเป็นจริงในการดำเนินงานสองแบบ—คือ การจ่ายโหลดขณะเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลักตามปกติ และการรองรับข้อบกพร่อง/แรงดันขณะทำงานแบบเกาะ (islanded)—แทนที่จะใช้เกณฑ์เพียงแบบเดียว

การวางแผนขอบเขตของการเชื่อมต่อและขอบเขตความรับผิดชอบ

การผสานรวมเชิงเทคนิคล้มเหลวในเชิงพาณิชย์เมื่อขอบเขตความรับผิดชอบไม่ชัดเจน ซึ่ง จุดเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลัก (PCC) คือการแยกทางกายภาพและสัญญาตามธรรมชาติ: ผู้ดำเนินการระบบจ่ายไฟฟ้ารับผิดชอบโครงข่ายไฟฟ้าจนถึงจุดเชื่อมต่อ (PCC) ส่วนผู้ดำเนินการไมโครกริดรับผิดชอบทุกสิ่งที่อยู่ด้านหลังจุดนั้น อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การเป็นเจ้าของสายเชื่อมต่อ สถานีแปลงแรงดันขึ้น และทรัพย์สินระบบจ่ายไฟฟ้ามักไม่ชัดเจน และความรับผิดชอบในการลงทุนเพื่อเสริมความแข็งแกร่งของโครงข่ายไฟฟ้าซึ่งเกิดจากไมโครกริดมักเป็นประเด็นที่มีข้อพิพาทบ่อยครั้ง

แผนอินเทอร์เฟซที่ใช้งานได้จริง ต้องระบุสี่สิ่งอย่างชัดเจน การเป็นเจ้าของอุปกรณ์ (ใครเป็นเจ้าของหม้อแปลง ชุดสวิตช์เกียร์ และรีเลย์ป้องกัน) อำนาจในการตั้งค่า (ใครกำหนดค่าการป้องกันและการควบคุมที่จุดเชื่อมต่อ (PCC)) ความรับผิดชอบในการทดสอบ (ใครดำเนินการตรวจสอบการตรวจจับภาวะเกาะตัวและการทำงานของการต่อลงดิน) และ ขอบเขตข้อมูลและการควบคุม (สิ่งที่ตัวควบคุมไมโครกริดสามารถสั่งการได้ เทียบกับสิ่งที่หน่วยงานสาธารณูปโภคยังคงรักษาไว้) อุปกรณ์ที่รองรับการแบ่งเขตทางกายภาพอย่างชัดเจน — เช่น แผงสวิตช์เกียร์แบบแยกส่วน ช่องสำหรับหม้อแปลงดินเฉพาะ และชุดหม้อแปลงที่มีอินเทอร์เฟซการป้องกันที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน — ช่วยลดความขัดแย้งที่มักเกิดขึ้นระหว่างการตรวจรับรองระบบและการทดสอบการแยกเกาะ

จุดที่การเลือกอุปกรณ์กลายเป็นกลยุทธ์การผสานรวม

ข้อกำหนดเชิงเทคนิคข้างต้นนำไปสู่การตัดสินใจเลือกอุปกรณ์เพียงไม่กี่รายการ หม้อแปลงเพิ่มแรงดันสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์และสถานีไฟฟ้าย่อยแบบกะทัดรัด ต้องทนต่อฮาร์โมนิก ต้องมีระยะปลอดภัยด้านความร้อนสำหรับกำลังไฟฟ้าไหลย้อนกลับ และต้องออกแบบโดยพิจารณาจากค่า K-factor ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับการกระจายพลังงาน ฝั่งโหลดต้องมีค่าอิมพีแดนซ์และการต่อลงดินที่เข้ากันได้กับระดับกระแสลัดวงจรขณะทำงานแบบแยกเกาะ สวิตช์เกียร์ ต้องประสานระบบป้องกันให้สอดคล้องกันทั้งสองโหมดแหล่งจ่าย — คือจากหน่วยงานสาธารณูปโภคและจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขณะแยกเกาะ — โดยไม่จำเป็นต้องปรับค่าการรับโหลดใหม่หลังเปลี่ยนโหมดการใช้งานแต่ละครั้ง

การผสานฟังก์ชันเหล่านี้เข้ากับชุดอุปกรณ์ที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า แทนที่จะจัดหาเป็นส่วนประกอบแยกต่างหาก จะช่วยย่นระยะทางจากขั้นตอนการกำหนดคุณลักษณะไปสู่ไมโครกริดที่สามารถแยกตัวออกจากระบบหลัก (island) และเชื่อมต่อกลับได้อย่างน่าเชื่อถือ หม้อแปลงไฟฟ้าอาจไม่ใช่อุปกรณ์ที่โดดเด่นที่สุดในไมโครกริด แต่กลับเป็นองค์ประกอบเพียงชิ้นเดียวที่ข้อกำหนดทางเทคนิคของมันกำหนดโดยปริยายว่า ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ระบบเก็บพลังงาน และโหลดต่าง ๆ จะทำงานร่วมกันเป็นระบบที่สอดคล้องกัน หรือทำงานแยกเป็นส่วน ๆ

สถานการณ์การใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

ควรใช้ค่าสัมประสิทธิ์เพิ่มขนาด (oversizing factor) เท่าใดเมื่อเลือกหม้อแปลงให้สอดคล้องกับกำลังขาออกของอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์?

ตามแนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรม แนะนำให้ใช้ค่าสัมประสิทธิ์เพิ่มขนาดระหว่าง 1.10 ถึง 1.25 เท่าของกำลังขาออกแบบ AC ที่ระบุไว้ของอินเวอร์เตอร์ โดยปรับค่าตามอุณหภูมิแวดล้อมและความสูงเหนือระดับน้ำทะเล เพื่อรองรับภาวะโอเวอร์โหลดชั่วคราวของอินเวอร์เตอร์ ความร้อนจากฮาร์โมนิก และความต้องการกำลังไฟฟ้าปฏิบัติ (reactive power) ในโหมดเกาะ

ฮาร์โมนิกจากอินเวอร์เตอร์แผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของหม้อแปลงอย่างไร

กระแสฮาร์โมนิกจากแหล่งที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะซ้อนทับกับหม้อแปลง ทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับความถี่ทั้งในขดลวดและแกนเหล็ก ภายใต้สภาวะโหลดเต็มรูปแบบพร้อมการไหลย้อนกลับของกำลังไฟฟ้าร่วมกับการบิดเบือนฮาร์โมนิก อายุการใช้งานที่คาดการณ์ไว้ของหม้อแปลงอาจลดลงประมาณร้อยละ 8.3 ดังนั้นการออกแบบหม้อแปลงตามค่า K-factor หรือแบบทนต่อฮาร์โมนิกจึงจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในไมโครกริด

ความแตกต่างหลักระหว่างการดำเนินงานของหม้อแปลงแบบเชื่อมต่อกับระบบสายส่งกับแบบแยกเดี่ยวคืออะไร

ในการทำงานแบบเชื่อมต่อกับระบบสายส่ง ระบบสาธารณูปโภคจะกำหนดค่าแรงดันและค่าความถี่ ในขณะที่หม้อแปลงทำหน้าที่ส่งผ่านกำลังไฟฟ้าและให้การแยกวงจร ส่วนในการทำงานแบบแยกเดี่ยว หม้อแปลงต้องทำงานร่วมกับระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) และอินเวอร์เตอร์แผงโซลาร์เซลล์ เพื่อรักษาค่าแรงดันและค่าความถี่ ดูดซับกระแสแม่เหล็กเริ่มต้น (magnetizing inrush) และรองรับกระแสขณะสตาร์ทมอเตอร์ ซึ่งโดยปกติจะได้รับการจ่ายจากโครงข่ายหลัก

เหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้หม้อแปลงต่อพื้นดินในไมโครกริดแบบแยกเดี่ยว

เมื่อไมโครกริดแยกตัวออกเป็นเกาะ จุดอ้างอิงการต่อสายดินของระบบสาธารณูปโภคจะหายไป หากระบบไม่มีหม้อแปลงสำหรับการต่อสายดิน ข้อบกพร่องแบบเฟสเดียวถึงพื้นดินจะไม่มีเส้นทางคืนกลับที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ ทำให้ระบบป้องกันอาจตรวจจับข้อบกพร่องไม่ได้ และแรงดันเกินอาจสร้างความเครียดต่อฉนวนทั่วทั้งระบบ

ควรกำหนดขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างผู้ดำเนินงานไมโครกริดกับผู้ให้บริการสาธารณูปโภคอย่างไร

จุดเชื่อมต่อร่วม (PCC) ทำหน้าที่เป็นจุดแบ่งแยกตามธรรมชาติ แผนปฏิบัติได้จริงควรมีการระบุอย่างชัดเจนถึงกรรมสิทธิ์ในอุปกรณ์ อำนาจในการตั้งค่าระบบป้องกัน ความรับผิดชอบในการทดสอบการตรวจจับภาวะเกาะตัวและการต่อสายดิน รวมทั้งขอบเขตข้อมูลและควบคุมระหว่างตัวควบคุมไมโครกริดกับผู้ให้บริการสาธารณูปโภค

123