Islanding - Islanding

Islanding это состояние, в котором распределенный генератор (DG) продолжает питать локацию, даже если электрическая сеть власти больше нет. Изолирование может быть опасным для коммунальных служб, которые могут не осознавать, что цепь все еще находится под напряжением, и может препятствовать автоматическому повторному подключению устройств. Кроме того, без строгих регулировка частоты баланс между нагрузкой и генерацией в изолированной цепи будет нарушен, что приведет к аномальным частотам и напряжениям. По этим причинам распределенные генераторы должны обнаруживать секционирование и немедленно отключаться от цепи; это называется анти-остров.

Распространенный пример изолирования - распределительный фидер, у которого есть солнечные панели прикреплен к нему. В случае отключение электричества, солнечные панели будут продолжать вырабатывать энергию до тех пор, пока сияние достаточно. В этом случае цепь, отключенная из-за сбоя, становится «островом». Именно по этой причине, солнечные инверторы которые предназначены для подачи питания в сеть, обычно должны иметь какую-либо автоматическую схему защиты от изолирования.

Некоторые конструкции, широко известные как микросеть, разрешите преднамеренное выделение. В случае сбоя контроллер микросети отключает локальную цепь от сети на выделенном переключателе и заставляет распределенный генератор (генераторы) питать всю локальную нагрузку.^[1][2]

В контексте атомные электростанции, островирование - исключительный режим работы ядерного реактора. В этом режиме электростанция отключена от сети, а системы охлаждения (особенно насосы) получают питание только от энергии, вырабатываемой самим реактором. Для некоторых типов реакторов изолирование является частью нормальной процедуры, когда электростанция отключается от сети, чтобы быстро восстановить производство электроэнергии.^[3] Когда секционирование не удается, начинают действовать аварийные системы (например, дизельные генераторы). Например, французские атомные электростанции каждые 4 года проводят островные испытания.^[4] В Чернобыльская катастрофа был проваленным тестом на остров.

Основы островного строительства

Электрические инверторы устройства, которые конвертируют постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). Сеточно-интерактивные инверторы имеют дополнительное требование, чтобы они производили мощность переменного тока, соответствующую существующей мощности, представленной в сети. В частности, сетевой инвертор должен соответствовать напряжению, частоте и фазе линии электропередачи, к которой он подключается. К точности этого отслеживания предъявляются многочисленные технические требования.

Рассмотрим случай дома с множеством солнечных панелей на крыше. Инверторы, прикрепленные к панелям, преобразуют переменный постоянный ток, обеспечиваемый панелями, в переменный ток, который соответствует электросети. Если сеть отключена, можно ожидать, что напряжение на линии сети упадет до нуля, что является явным признаком прерывания обслуживания. Однако рассмотрим случай, когда нагрузка дома точно соответствует мощности панелей в момент отключения сети. В этом случае панели могут продолжать подавать электроэнергию, потребляемую нагрузкой дома. В этом случае нет очевидных признаков того, что произошло прерывание.

Обычно, даже когда нагрузка и производство точно согласованы, так называемое «сбалансированное состояние», отказ сети приводит к появлению нескольких дополнительных переходных сигналов. Например, почти всегда будет кратковременное снижение напряжения в сети, которое будет сигнализировать о потенциальной неисправности. Однако такие события также могут быть вызваны нормальной работой, например запуском большого электродвигателя.

Методы обнаружения островков без большого количества ложных срабатываний являются предметом значительных исследований. У каждого метода есть некоторый порог, который необходимо преодолеть, прежде чем условие будет считаться сигналом прерывания сети, что приводит к "зона необнаружения"(NDZ), диапазон условий, при которых будет отфильтрован реальный отказ сети.^[5] По этой причине перед развертыванием в полевых условиях инверторы с интерактивной сетью обычно тестируются путем воспроизведения на их выходных терминалах конкретных условий сети и оценки эффективности методов изолирования при обнаружении условий изолирования. ^[2][6]

Сомнительное обоснование

Учитывая активность в этой области и большое разнообразие методов, разработанных для обнаружения островков, важно учитывать, действительно ли проблема требует затрачиваемых усилий. Вообще говоря, причины анти-островного режима приводятся следующим образом (без определенного порядка):^[7][8]

1. Проблемы безопасности: если образуется остров, ремонтные бригады могут столкнуться с неожиданными проводами под напряжением.
2. Повреждение оборудования конечного пользователя: оборудование пользователя теоретически может быть повреждено, если рабочие параметры будут сильно отличаться от нормы. В этом случае ответственность за ущерб несет коммунальное предприятие.
3. Прекращение отказа: повторное включение цепи на активный остров может вызвать проблемы с оборудованием электросети или вызвать системы автоматического повторного включения не замечать проблему.
4. Ошибка инвертора: повторное включение на активный остров может вызвать путаницу среди инверторов.

Многие представители электроэнергетики отвергли первый вопрос. Рабочие линии уже постоянно подвергаются воздействию неожиданно находящихся под напряжением проводов в ходе нормальных событий (т. Е. Отключился ли дом из-за отсутствия питания или из-за того, что они вытащили главный выключатель внутрь?). Нормальные рабочие процедуры в соответствии с правилами горячей линии или правилами крайнего срока требуют, чтобы линейные работники, конечно, проверяли наличие питания, и было подсчитано, что активные острова добавят незначительный риск.^[9] Однако у других аварийных работников может не быть времени для проверки линии, и эти вопросы были тщательно изучены с использованием инструментов анализа рисков. Исследование, проведенное в Великобритании, пришло к выводу, что «риск поражения электрическим током, связанный с изолированием фотоэлектрических систем при наихудших сценариях проникновения фотоэлектрических систем, как для сетевых операторов, так и для потребителей, как правило, составляет <10.⁻⁹ в год."^[10]

Вторая возможность также считается крайне маловероятной. В дополнение к порогам, которые предназначены для работы быстросистемы обнаружения изолирования также имеют абсолютные пороговые значения, которые срабатывают задолго до того, как будут достигнуты условия, которые могут вызвать повреждение оборудования конечного пользователя. Как правило, наибольшее беспокойство у коммунальных служб вызывают два последних вопроса. Реклоузеры обычно используются для разделения сети на более мелкие участки, которые автоматически и быстро повторно активируют ветвь, как только устраняется условие отказа (например, ветвь дерева на линиях). Существует некоторая обеспокоенность тем, что устройства повторного включения могут не включиться повторно в случае наличия острова, или что вызываемая ими быстрая смена циклов может помешать способности системы DG снова согласовывать работу с сетью после устранения неисправности.

Если проблема изолирования действительно существует, она, по-видимому, ограничивается определенными типами генераторов. В канадском отчете 2004 г. сделан вывод, что синхронные генераторы, такие как микрогидро, были главной заботой. Эти системы могут иметь значительную механическую инерцию, которая будет обеспечивать полезный сигнал. Что касается инверторных систем, то в отчете проблема в значительной степени не учитывалась; «Технология защиты от островков для систем DG на основе инверторов разработана намного лучше, и опубликованные оценки рисков показывают, что текущие технологии и стандарты обеспечивают адекватную защиту, в то время как проникновение DG в систему распределения остается относительно низким».^[11] В отчете также отмечалось, что «взгляды на важность этого вопроса, как правило, очень поляризованы», при этом коммунальные предприятия обычно рассматривают возможность возникновения и его последствий, в то время как те, кто поддерживает системы ГД, обычно используют подход, основанный на оценке риска, и очень низкие вероятности возникновения формирование острова.^[12]

Примером такого подхода, который подкрепляет аргументы в пользу того, что островное строительство в значительной степени не является проблемой, является крупный эксперимент по островному выделению в реальном мире, который был проведен в Нидерландах в 1999 году. Как правило, это самые простые методы обнаружения скачков напряжения, испытания ясно показали, что участки не могут длиться более 60 секунд. Более того, теоретические предсказания оправдались; вероятность существования состояния баланса была порядка 10⁻⁶ в год, и что вероятность того, что сеть отключится в этот момент времени, была еще меньше. Поскольку остров может образоваться только при выполнении обоих условий, они пришли к выводу, что «вероятность встречи с островом практически равна нулю».^[13]

Тем не менее, коммунальные компании продолжали использовать разделение как причину для отсрочки или отказа от внедрения систем распределенной генерации. В Онтарио, Hydro One недавно были введены правила присоединения, согласно которым соединение отказывалось, если общая мощность распределенной генерации в филиале составляла 7% от максимальной годовой пиковой мощности.^[14] В то же время Калифорния устанавливает лимит в 15% только для проверки, разрешая подключения до 30%,^[15] и активно рассматривает возможность переноса ограничения только на просмотр до 50%.

Вопрос может быть чисто политическим. В Онтарио ряд потенциальных клиентов, пользующихся преимуществами нового Зеленый тариф программе было отказано в подключении только после сборки своей системы. Это было проблемой, особенно в сельских районах, где многочисленные фермеры смогли создать небольшие системы (10 кВт) в рамках программы microFIT «без учета мощности» только для того, чтобы обнаружить, что Hydro One ввела новое регулирование мощности постфактум, во многих случаях после системы были установлены.^[16]

Методы обнаружения островков

Выявление островков является предметом значительных исследований. В общем, их можно разделить на пассивные методы, которые ищут переходные процессы в сети, и активные методы, которые проверяют сеть, отправляя какие-либо сигналы от инвертора или точки распределения сети. Существуют также методы, которые коммунальное предприятие может использовать для обнаружения условий, которые могут привести к отказу методов, основанных на инверторах, и преднамеренно нарушить эти условия, чтобы заставить инверторы отключиться. А Отчет Sandia Labs охватывает многие из этих методологий, как используемых, так и будущих. Эти методы кратко описаны ниже.

Пассивные методы

Пассивные методы включают любую систему, которая пытается обнаружить переходные изменения в сети и использовать эту информацию в качестве основы для вероятностного определения того, вышла ли из строя сеть или какое-то другое условие привело к временному изменению.

Пониженное / повышенное напряжение

Согласно с Закон Ома напряжение в электрической цепи зависит от электрического тока (поступление электронов) и приложенной нагрузки (сопротивления). В случае отключения сети ток, подаваемый от местного источника, вряд ли будет соответствовать нагрузке настолько точно, чтобы можно было поддерживать постоянное напряжение. Система, которая периодически измеряет напряжение и ищет внезапные изменения, может использоваться для обнаружения неисправности.^[17]

Обнаружение пониженного / повышенного напряжения обычно легко реализовать в сетевых инверторах, потому что основная функция инвертора - соответствовать условиям сети, включая напряжение. Это означает, что все сетевые инверторы по необходимости имеют схемы, необходимые для обнаруживать перемены. Все, что нужно, - это алгоритм обнаружения внезапных изменений. Однако внезапные изменения напряжения - обычное явление в сети при присоединении и снятии нагрузок, поэтому необходимо использовать порог, чтобы избежать ложных отключений.^[18]

Диапазон условий, которые приводят к невозможности обнаружения с помощью этого метода, может быть большим, и эти системы обычно используются вместе с другими системами обнаружения.^[19]

Недостаточная / повышенная частота

Частота мощности, подаваемой в сеть, является функцией источника питания, которую инверторы тщательно согласовывают. Когда сетевой источник отключен, частота мощности упадет до естественной резонансной частоты цепей на острове. Поиск изменений этой частоты, например напряжения, легко реализовать, используя уже необходимые функции, и по этой причине почти все инверторы также ищут условия неисправности, используя этот метод.

В отличие от изменений напряжения, обычно считается маловероятным, что случайная цепь естественным образом будет иметь собственную частоту, такую ​​же, как мощность сети. Однако многие устройства намеренно синхронизируются с частотой сети, например телевизоры. В частности, двигатели могут подавать сигнал, который находится в пределах NDZ в течение некоторого времени, когда они «останавливаются». Комбинация сдвигов напряжения и частоты по-прежнему приводит к NDZ, которую не все считают адекватной.^[20]

Скорость изменения частоты

Чтобы уменьшить время, в течение которого обнаруживается остров, в качестве метода обнаружения была принята скорость изменения частоты. Скорость изменения частоты определяется следующим выражением:

${displaystyle {frac {mathrm {d} f} {mathrm {d} t}} = ROCOF = {frac {Delta Pf} {2GH}}}$

где ${displaystyle f}$ частота системы, ${displaystyle t}$ время, ${displaystyle Delta P}$ дисбаланс мощности (${displaystyle Delta P = P_ {m} -P_ {e}}$), ${displaystyle G}$ - емкость системы, а ${displaystyle H}$ инерция системы.

Если скорость изменения частоты или значение ROCOF будет больше определенного значения, встроенное поколение будет отключено от сети.

Обнаружение скачка фазы напряжения

Нагрузки обычно имеют факторы мощности которые не идеальны, что означает, что они не принимают напряжение от сети в полной мере, а лишь слегка препятствуют ему. Сетевые инверторы, по определению, имеют коэффициент мощности 1. Это может привести к изменениям фазы при отказе сети, что может быть использовано для обнаружения изолирования.

Инверторы обычно отслеживают фазу сетевого сигнала с помощью фазовая автоподстройка частоты (PLL) какой-то. ФАПЧ остается синхронизированной с сигналом сети, отслеживая, когда сигнал пересекает нулевое напряжение. Между этими событиями система по существу «рисует» синусоидальный выходной сигнал, изменяя выходной ток в цепи, чтобы получить правильную форму волны напряжения. Когда сеть отключается, коэффициент мощности внезапно меняется с сетевого (1) на нагрузочный (~ 1). Поскольку схема все еще вырабатывает ток, который будет обеспечивать плавное выходное напряжение при известных нагрузках, это условие приведет к внезапному изменению напряжения. К тому времени, когда форма волны завершится и вернется к нулю, сигнал будет не в фазе.^[20]

Основным преимуществом этого подхода является то, что сдвиг фазы будет происходить, даже если нагрузка точно соответствует питанию с точки зрения закона Ома - NDZ основывается на коэффициентах мощности острова, которые очень редко равны 1. Обратной стороной является то, что много общие события, такие как запуск двигателей, также вызывают скачки фазы при добавлении в цепь новых сопротивлений. Это заставляет систему использовать относительно большие пороги, снижая ее эффективность.^[21]

Обнаружение гармоник

Даже с источниками шума, такими как двигатели, полное гармоническое искажение (THD) цепи, подключенной к сети, как правило, невозможно измерить из-за практически бесконечной емкости сети, которая отфильтровывает эти события. Инверторы, с другой стороны, обычно имеют гораздо большие искажения, до 5% THD. Это функция их конструкции; некоторые THD - естественный побочный эффект импульсный источник питания схемы, на которых основано большинство инверторов.^[22]

Таким образом, когда сеть отключается, THD локальной цепи естественным образом увеличивается до THD самих инверторов. Это обеспечивает очень безопасный метод обнаружения секционирования, потому что обычно нет других источников THD, которые соответствовали бы источнику инвертора. Кроме того, взаимодействие внутри самих инверторов, особенно трансформаторы, имеют нелинейные эффекты, которые создают уникальные 2-ю и 3-ю гармоники, которые легко измерить.^[22]

Недостатком этого подхода является то, что некоторые нагрузки могут отфильтровывать искажения таким же образом, как это пытается сделать инвертор. Если этот эффект фильтрации достаточно силен, он может снизить THD ниже порога, необходимого для запуска обнаружения. Системы без трансформатора «внутри» точки отключения затруднят обнаружение. Однако самая большая проблема заключается в том, что современные инверторы пытаются максимально снизить THD, в некоторых случаях до неизмеримых пределов.^[22]

Активные методы

Активные методы обычно пытаются обнаружить сбой в сети, подавая в линию слабые сигналы, а затем определяя, изменяется ли сигнал.

Ввод тока обратной последовательности

Этот метод является активным методом обнаружения островков, который может использоваться в трехфазных блоках распределенной генерации (DG) с электронной связью. Метод основан на подаче тока обратной последовательности через контроллер преобразователя напряжения (VSC) и обнаружении и количественной оценке соответствующего напряжения обратной последовательности в точке общего соединения (PCC) VSC с помощью унифицированного трехступенчатого блока. фазовый сигнальный процессор (UTSP). Система UTSP представляет собой усовершенствованный контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), который обеспечивает высокую степень устойчивости к шумам и, таким образом, позволяет обнаруживать разделение на основе подачи небольшого тока обратной последовательности. Ток обратной последовательности вводится контроллером обратной последовательности, который принимается как дополнение к обычному регулятору тока VSC. Метод подачи тока обратной последовательности обнаруживает событие изолирования в течение 60 мс (3,5 цикла) в условиях испытаний UL1741, требует подачи тока обратной последовательности от 2% до 3% для обнаружения изолирования, может правильно обнаружить событие изолированного включения для коэффициента короткого замыкания сети 2 или выше, и нечувствителен к изменениям параметров нагрузки испытательной системы UL1741. ^[23]

Измерение импеданса

Измерение импеданса пытается измерить общую сопротивление цепи, питаемой инвертором. Это достигается за счет небольшого «форсирования» амплитуды тока через цикл переменного тока, представляя слишком большой ток в данный момент. Обычно это не влияет на измеряемое напряжение, так как сеть представляет собой бесконечно жесткий источник напряжения. В случае отключения даже небольшое воздействие приведет к заметному изменению напряжения, что позволит обнаружить остров.^[24]

Основное преимущество этого метода состоит в том, что он имеет исчезающе малый NDZ для любого данного инвертора. Однако обратное также является основным недостатком этого метода; в случае нескольких инверторов, каждый из них будет выдавать в линию немного отличающийся сигнал, скрывая влияние на любой инвертор. Эту проблему можно решить с помощью связи между инверторами, чтобы гарантировать, что все они работают по одному графику, но в неоднородной установке (несколько установок в одной ветви) это становится трудным или невозможным на практике. Кроме того, этот метод работает только в том случае, если сетка фактически бесконечна, и на практике многие реальные сетевые соединения не в достаточной мере соответствуют этому критерию.^[24]

Измерение импеданса на определенной частоте

Хотя методика аналогична измерению импеданса, этот метод, также известный как «скачок амплитуды гармоник», на самом деле ближе к обнаружению гармоник. В этом случае инвертор намеренно вводит гармоники на заданной частоте и, как и в случае измерения импеданса, ожидает, что сигнал от сети будет подавлять его, пока сеть не выйдет из строя. Как и в случае обнаружения гармоник, сигнал может быть отфильтрован реальными схемами.^[25]

Сдвиг частоты в режиме скольжения

Это один из новейших методов обнаружения островков, и в теории один из лучших. Он основан на том, чтобы заставить фазу выхода инвертора немного смещаться с сеткой, с ожиданием того, что сеть будет подавлять этот сигнал. Система полагается на действия точно настроенного контура фазовой автоподстройки частоты, чтобы стать нестабильным при отсутствии сигнала сети; в этом случае система ФАПЧ пытается вернуть сигнал обратно к себе, который настроен на продолжение дрейфа. В случае отказа сети система быстро отклонится от проектной частоты, что в конечном итоге приведет к отключению инвертора.^[26]

Основное преимущество этого подхода состоит в том, что он может быть реализован с использованием схем, уже имеющихся в инверторе. Основным недостатком является то, что инвертор всегда должен немного отставать от сети, что снижает коэффициент мощности. Вообще говоря, система имеет исчезающе маленький NDZ и быстро отключается, но известно, что есть некоторые нагрузки, которые будут реагировать, чтобы компенсировать обнаружение.^[26]

Смещение частоты

Смещение частоты заставляет сигнал с небольшим отклонением частоты в сеть, но «исправляет» это в конце каждого цикла, возвращаясь в фазу, когда напряжение достигает нуля. Это создает сигнал, аналогичный скользящему режиму, но коэффициент мощности остается ближе к коэффициенту мощности сети и сбрасывается каждый цикл. Более того, вероятность того, что сигнал будет отфильтрована известными нагрузками, меньше. Основным недостатком является то, что каждый инвертор должен согласиться сдвинуть сигнал обратно к нулю в той же точке цикла, например, когда напряжение возвращается к нулю, в противном случае разные инверторы будут направлять сигнал в разных направлениях и фильтровать его.^[27]

У этой базовой схемы есть множество возможных вариантов. Версия Frequency Jump, также известная как «метод зебры», вставляет форсирование только на определенное количество циклов в заданном шаблоне. Это значительно снижает вероятность того, что внешние цепи могут отфильтровать сигнал. Это преимущество исчезает при использовании нескольких инверторов, если не используется какой-либо способ синхронизации шаблонов.^[28]

Утилитарные методы

Утилита также имеет множество доступных методов для принудительного отключения систем в случае сбоя.

Ручное отключение

Для большинства подключений небольших генераторов требуется механический выключатель, поэтому, как минимум, коммунальное предприятие может послать ремонтника, чтобы он все их отключил. Для очень больших источников можно просто установить специальную телефонную горячую линию, по которой оператор вручную отключит генератор. В любом случае время реакции может быть порядка минут или часов.

Автоматическое отключение

Ручное отключение можно автоматизировать с помощью сигналов, передаваемых через сеть, или с помощью вторичных средств. Например, линия электропередачи несущая связь может быть установлен во всех инверторах, периодически проверяя сигналы от электросети и отключая либо по команде, либо если сигнал пропадает на фиксированное время. Такая система была бы высоконадежной, но дорогой в реализации.^[29][30]

Трансфер-поездка

Поскольку коммунальное предприятие может быть разумно уверено в том, что у него всегда будет метод обнаружения неисправности, будь то автоматический или простой просмотр устройства повторного включения, коммунальное предприятие может использовать эту информацию и передать ее по линии. Это можно использовать для принудительного отключения должным образом оборудованных систем DG путем преднамеренного открытия серии устройств повторного включения в сети, чтобы принудительно изолировать систему DG таким образом, чтобы она вышла из NDZ. Этот метод может гарантированно работать, но требует, чтобы сеть была оборудована системами автоматического повторного включения и внешними системами связи, которые гарантируют, что сигнал дойдет до устройств повторного включения.^[31]

Вставка импеданса

Связанная с этим концепция заключается в том, чтобы умышленно привести часть сети в состояние, которое гарантирует отключение систем DG. Это похоже на метод передачи-отключения, но использует активные системы в головном узле сети, а не полагается на топологию сети.

Простой пример - большой банк конденсаторы которые добавляются в ответвление, остаются заряженными и обычно отключаются переключателем. В случае отказа конденсаторы переключаются в ответвление сетью после небольшой задержки. Это может быть легко выполнено с помощью автоматических средств в точке распространения. Конденсаторы могут подавать ток только в течение короткого периода, гарантируя, что начало или конец выдаваемого ими импульса вызовут достаточно изменений, чтобы отключить инверторы.^[32]

Похоже, что для этого метода защиты от островков нет NDZ. Его главный недостаток - стоимость; батарея конденсаторов должна быть достаточно большой, чтобы вызывать изменения напряжения, которые будут обнаружены, и это функция от величины нагрузки на ответвлении. Теоретически потребуются очень крупные банки, и коммунальное предприятие вряд ли положительно отнесется к ним.^[33]

SCADA

Защиту от островков можно улучшить за счет использования Диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) системы уже широко используются на рынке коммунальных услуг. Например, сигнал тревоги может звучать, если система SCADA обнаруживает напряжение на линии, где, как известно, происходит сбой. Это не влияет на системы защиты от островков, но может позволить быстро внедрить любую из упомянутых выше систем.

Рекомендации

Библиография

Стандарты

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

• Распределенные энергетические ресурсы
• Сандийские национальные лаборатории