Контроль потужності для промислових сонячних електростанцій

Контроль реактивної потужності можна вважати однією з найменш досліджених проблем в фотоелектричній промисловості, він може дати ключ до значного збільшення прибутку власників промислових сонячних електростанцій.

У цій статті ми проведемо огляд методів регулювання напруги в системах передачі та розподілу електроенергії, опишемо наслідки від впливу надлишкової реактивної потужності на розподілені системи електрогенерації і електропередачі, а також обговоримо заходи по їх запобіганню.

Монетизація контролю реактивної потужності

Перетікання реактивного струму в системі електропостачання — річ не тільки шкідлива, а й витратна з фінансової точки зору. Паразитний струм в лініях електропередач і обладнанні сонячних електростанцій викликає грошові втрати через перехід електричної енергії в теплову (тим самим знижується вироблення струму, що зменшує прибуток власника сонячної електростанції). До того ж він збільшує зношеність обладнання (а це зменшує термін безаварійної роботи і збільшує ремонтний бюджет) . І не забуваймо, що за генерацію реактивної енергії в загальнодержавну енергосистему доводиться платити — а це вже прямі фінансові втрати.

Таким чином, регулювання та компенсація реактивної складової — очевидний засіб підвищення рентабельності електростанції.

Методи контролю реактивної потужності

Управління реактивною потужністю є невід’ємною частиною контролю рівня напруги в електроенергетичній системі. При малому навантаженні система генерує реактивну потужність, яку слід поглинути. У той же час при великих навантаженнях система споживає велику кількість реактивної енергії, яку потрібно згенерувати.

Традиційні синхронні генератори, які широко використовуються у вітчизняних мережах, якісно підтримують баланс реактиву, проте витрати на цей метод компенсації відносно великі. Для підтримки параметрів енергосистеми компанії часто використовують статичні компенсаційні установки, в яких, в залежності від поточної ситуації, до ліній електропередач підключаються або конденсатори, або котушки індуктивності. Основні недоліки цього методу:

• занадто повільна реакція (від кілька секунд до кілька хвилин);
• дискретність елементів, що не забезпечує повноти компенсаційного впливу;
• стрибки напруги та сили струму через перехідні процеси у мить ввімкнення або вимкнення дискретних модулів.

Для вирішення проблеми проектувальники електросилових систем встановлюють синхронні компенсатори, статичні ВАР компенсатори (static var compensators — SVCs) і статичні синхронні компенсатори (static synchronous compensators — STATCOMs) у всіх вузлах мережі, де потрібен швидкий і плавний контроль реактивної потужності.

Синхронні компенсатори — це полегшені синхронні двигуни, що працюють на холостому ходу. При цьому режимі роботи вони генерують лише реактивну потужність, а генерація активної потужності дорівнює нулю. SVC і STATCOM, на відміну від синхронних компенсаторів, конструктивно не є синхронними двигунами, але їх відносять до категорії динамічних пристроїв через високу швидкість відгуку і змінну потужність на виході з пристрою.

SVC є об’єднання звичайних конденсаторів та індуктивностей з високошвидкісними комутаторами (зазвичай — напівпровідниковими керованими семісторами), що дозволяє здійснювати регулювання більш плавно, ніж статичними батареями. STATCOM — твердотільні силові електронні пристрої, такі ж як сонячні інвертори, але розташовані поза масиву сонячної електростанції. Вони здатні поглинати і генерувати реактивну енергію, змінюючи напругу, числове значення якої буде більше або менше напруги на загальній шині. З огляду на те, що вартість інверторів падає в три-чотири рази швидше, ніж вартість традиційних компенсаторів реактиву, їх застосування для цих завдань з кожним роком зростає і в перспективі вони повністю витіснять інші компенсаційні установки.

Розподілена генерація електроенергії

У складі сонячної електростанції працює безліч фотогальванічних інверторів, підключених до загальної шини. Як було зазначено вище, кожен з них може як поглинати реактивну складову, протидіючи підвищенню напруги в точці підключення, так і генерувати її, борючись з провалами напруги. При досить високій інтеграції сонячних електростанцій і енергорозподільчих мереж можлива побудова систем, які будуть боротися зі стрибками напруги, що неминуче виникають в будь-якій великій мережі. Чутливість до зміни освітленості (а отже, і генерації) на окремих ділянках мережі також буде мінімальною.

Таким чином, можливе створення принципово нового інструменту (розподіленої системи), здатної зводити до мінімуму теплові втрати від реактивних струмів і навіть компенсувати реактив від зовнішніх споживачів. Втім, для подібних розподілених систем велика кількість робочих питань ще не вирішена і їх впровадження — справа майбутнього.

Регулювання на рівні інвертора та на рівні підприємства

При розробці системи регулювання проектанти можуть запланувати вплив регулюючої дії на рівні кожного окремого інвертора, або на рівні сонячної електростанції вцілому. При регулюванні на рівні інвертора він програмується на зміну режимів роботи в залежності від рівня генерації і напруги на клемах. На рівні електростанції центральний контролер керує рівнем реактивної потужності, коефіцієнтом потужності або напругою у вузлі приєднання мережі підприємства до зовнішньої електричної мережі. Крім цього, за допомогою центрального контролера можна використовувати додаткове обладнання для регулювання реактивної складової струму (наприклад, конденсаторними батареями).

Сучасні інвертори можуть мати кілька вбудованих функцій, за допомогою яких можливе здійснення наступних стратегій на рівні інверторів:

• Підтримка постійного коефіцієнта потужності. Зазвичай інвертори працюють при коефіцієнті потужності, що дорівнює одиниці, але їх можна налаштувати таким чином, щоб підтримувався менший коефіцієнт (за умови, що уставлений параметр має бути в робочому діапазоні використовуваної моделі);
• Підтримка постійної реактивної потужності — незалежно від рівня активної потужності, що виробляється самою системою;
• Зі зворотним зв’язком по напрузі. В цьому режимі коефіцієнти активної і реактивної енергії змінюються контролером з врахуванням поточних вимірювань датчиків напруги.
• Динамічний контроль уставки. Інвертор коригує уставку коефіцієнта потужності або рівня реактивної потужності в залежності від сигналу, отриманого від диспетчера.

Якщо ж розглядати промислову сонячну електростанцію в цілому, то вона може складатися з десятків або навіть сотень фотоелектричних генераторів. Центральний контролер дозволить координувати роботу окремих інверторів і перетворить їх в єдиний віртуальний генератор. При цьому команди контролеру будуть передаватися через програму SCADA, або іншим більш дешевим способом (наприклад, через віддалений термінал — RTU).

Такий режим управління особливо корисний для передачі енергії між взаємозв’язаними сонячними електростанціями, які повинні працювати в режимі контролю напруги — контролер в залежності від ситуації буде постійно змінювати реактивну потужність інверторів, підтримуючи тим самим напругу на незмінному рівні.

При проектуванні системи, яка регулює енергосистему на рівні підприємства (електростанції) потрібно розуміти, що центральний контролер є критично важливим обладнанням. При його несправності або при наявності збою в програмному забезпеченні будь-який контроль за інверторами або системою транспортування електроенергії буде втрачено, до того ж відразу в масштабах всього підприємства. А тому необхідно дублювати всі системи — сервер і пристрої, що його живлять, апаратуру з передачі даних, і т.п. І при першій ліпшій можливості слід проектувати локальні підсистеми управління, які зможуть виконувати хоча б деякі функції центрального процесора при його несправності або недоступності.

Крім інверторів для контролю і регулювання реактивної потужності можна використовувати й інші види обладнання, особливо в разі, якщо застосування інверторів призведе до зменшення потужності, що віддається. При цьому розробник системи може зупинити свій вибір на комутованих конденсаторах і компенсаторах. Така заміна потребує економічного обґрунтування і розрахунку співвідношення зміни собівартості електроенергії і обсягу капітальних внесків.

Але перш ніж розглядати подібні варіанти проектувальнику варто замислитись про можливу комбінацію статичних і динамічних пристроїв. Цілком може виявитися, що економічно доцільним буде грубе регулювання реактиву за допомогою конденсаторних батарей, що перемикаються, і точне підстроювання інверторами. Наявність імпульсних перемикачів призведе до збільшення паразитних перехідних процесів в момент підключення і відключення конденсаторних батарей, що потребують більш потужних і якісних динамічних систем контролю. Проте зниження загальної собівартості проекту (статичні пристрої в загальному випадку коштують помітно дешевше, ніж динамічні з аналогічними характеристиками) дозволить придбати динамічні системи вищої якості.

Сонячні електростанції – це одна з ключових та багаторазово підтверджених на практиці компетенцій для компаній, що входять в групу Авенстон. Ми надаємо всі необхідні послуги для проєктів сонячної енергетики, починаючи від етапу девелопменту або передпроєктних вишукувань і закінчуючи сервісним обслуговуванням вже побудованих фотоелектричних станцій або систем. Всі етапи реалізації подібних проєктів виконуються нами самостійно або із залученням ретельно відібраних партнерів. В останньому випадку, всі ключові процеси управляються і контролюються штатними менеджерами проєктів Авенстон. В переліку наших сонячних проєктів є велика кількість спроєктованих і побудованих промислових сонячних електростанцій, комерційних сонячних електростанцій та домашніх сонячних електростанцій. Якщо у вас є плани по будівництву власної сонячної електростанції будь-якого типу і розміру, будь ласка, звертайтеся в компанію Авенстон. Ми з великим задоволенням допоможемо вам реалізувати ваш проєкт найоптимальнішим чином.