островитинг
Островичество — это преднамеренное или непреднамеренное разделение объединенной энергосистемы на отдельные отключенные регионы с собственным производством электроэнергии .
Намеренное изолирование часто применяется в качестве глубокоэшелонированной защиты для смягчения каскадного отключения электроэнергии . Если один остров рухнет, он не унесет с собой соседние острова. Например, атомные электростанции имеют критически важные для безопасности системы охлаждения, которые обычно питаются от общей сети. Контуры теплоносителя обычно расположены в отдельном контуре, который также может работать от мощности реактора или аварийных дизель-генераторов в случае разрушения сети. [1] [2]
Сетевые конструкции, допускающие изолированность на уровне потребителя, обычно называются микросетями . При отключении электроэнергии контроллер микросети отключает локальную цепь от сети с помощью специального переключателя и заставляет любые онлайн- распределенные генераторы питать локальную нагрузку. [3] [4]
Непреднамеренное изолирование является опасным состоянием, которое может вызвать серьезную нагрузку на генератор, поскольку генератор должен самостоятельно реагировать на любые изменения электрической нагрузки . Если не сообщить об этом работникам линий электропередачи должным образом , непреднамеренное отключение также может представлять опасность поражения электрическим током . В отличие от проводов без питания, островам требуются специальные методы для повторного подключения к более крупной сети, поскольку передаваемый по ним переменный ток не находится в фазе . По этим причинам солнечные инверторы , предназначенные для подачи электроэнергии в сеть, обычно должны иметь какую-то автоматическую схему защиты от изолирования, которая замыкает панели, а не продолжает подавать питание на непреднамеренный остров.
Методы, позволяющие обнаруживать острова без большого количества ложных срабатываний, представляют собой предмет серьезных исследований. Каждый метод имеет некоторый порог, который необходимо преодолеть, прежде чем состояние будет считаться сигналом обрыва сети, что приводит к « зоне необнаружения » (NDZ), диапазону условий, в которых реальный отказ сети будет отфильтрован. . [5] По этой причине перед развертыванием на местах инверторы, взаимодействующие с сетью, обычно проверяются путем воспроизведения на их выходных клеммах конкретных условий сети и оценки эффективности методов защиты от изолирования при обнаружении изолированных условий. [4] [6]
Намеренное изолирование
[ редактировать ]Преднамеренное изолирование разделяет электрическую сеть на фрагменты с достаточной выработкой электроэнергии в каждом фрагменте для питания нагрузок этого фрагмента. [7] [8] На практике сбалансировать генерацию и нагрузку в каждом фрагменте сложно, и часто формирование островов требует временного сброса нагрузки . [9] [10] Синхронные генераторы могут не обеспечивать достаточную реактивную мощность для предотвращения серьезных переходных процессов во время образования островков, вызванных неисправностями. [11] и любые инверторы должны переключаться с управления постоянным током на управление постоянным напряжением . [12]
Предполагая, что P≠NP , не существует хорошего критерия набора разрезов для реализации островного разделения. Существуют аппроксимации с полиномиальным временем , но найти точно оптимальные деления может быть вычислительно невозможно . [8] [9]
Однако изолирование локализует любые сбои на сдерживающем острове, предотвращая распространение сбоев. [13] В целом отключений статистика подчиняется степенному закону : фрагментация сети увеличивает вероятность отключений, но уменьшает общий объем неудовлетворенного спроса на электроэнергию. [14]
Островизованность снижает экономическую эффективность оптового рынка электроэнергии . [10] и обычно применяется в крайнем случае, когда известно, что сеть нестабильна, но еще не рухнула. [8] В частности, изолированность повышает устойчивость к угрозам с известным временем, но не местоположением, таким как террористические атаки , военные удары по электрической инфраструктуре или экстремальные погодные явления. [15]
Домашний остров
[ редактировать ]После отключения электроэнергии в Калифорнии в 2019 году возрос интерес к возможности эксплуатации электрической сети дома как на острове. Хотя типичные системы распределенной генерации слишком малы для одновременного питания всех приборов в доме, они могут управлять критически важными потребностями в электроэнергии посредством традиционного управления частотой нагрузки . Модули, установленные последовательно между генератором и большими нагрузками, такими как кондиционеры и электрические печи, измеряют частоту электросети и выполняют автоматическое сброс нагрузки , когда инвертор приближается к перегрузке . [ нужна ссылка ]
Методы обнаружения
[ редактировать ] | Этот раздел в значительной степени или полностью опирается на один источник . ( Апрель 2024 г. ) |
Автоматическое обнаружение острова является предметом серьезных исследований. Их можно выполнять пассивно, отслеживая переходные события в сети; или активно, создавая небольшие экземпляры тех переходных событий, которые будут незначительными на большой сетке, но обнаруживаемыми на маленькой. Активные методы могут выполняться локальными генераторами или «вверх по течению» на уровне утилиты. [16]
Многие пассивные методы основаны на естественном стрессе, связанном с управлением островом. Каждое устройство на острове составляет гораздо большую долю общей нагрузки, поэтому изменения напряжения и частоты при добавлении или удалении устройств, вероятно, будут намного больше, чем в обычных условиях сети. Однако разница не настолько велика, чтобы предотвратить ошибки идентификации , а сдвиги напряжения и частоты обычно используются наряду с другими сигналами. [17]
Активный аналог обнаружения сдвига напряжения и частоты пытается измерить общий импеданс , подаваемый инвертором. Когда схема подключена к сети, реакция напряжения на небольшие изменения тока инвертора практически отсутствует; но остров будет наблюдать изменение напряжения. В принципе, этот метод имеет исчезающе малую NDZ, но на практике сеть не всегда является источником бесконечно жесткого напряжения , особенно если несколько инверторов пытаются одновременно измерить импеданс. [18] [19]
В отличие от сдвигов, случайная цепь вряд ли будет иметь характерную частоту, соответствующую стандартной мощности сети. Однако многие устройства, например телевизоры, намеренно синхронизируются с частотой сети. Двигатели, в частности, могут быть способны стабилизировать частоту цепи, близкую к стандарту сети, по мере того, как они «выключаются». [20]
На уровне коммунальных предприятий защитные реле, предназначенные для изоляции части сети, также могут включать компоненты с высоким импедансом , так что изолированный распределенный генератор обязательно перегрузится и отключится. Однако эта практика основана на широко распространенном дорогостоящем использовании устройств с высоким импедансом. [21] [22]
Альтернативно, схема защиты от изолирования может полагаться на внеполосные сигналы . Например, коммунальные предприятия могут отправить сигнал об отключении через линию связи или телефонную связь. [23] [24]
Специализированные методы инвертора
[ редактировать ]Некоторые пассивные методы однозначно жизнеспособны с постоянного тока генераторами ( инверторными ресурсами ), такими как солнечные панели .
Например, инверторы обычно генерируют фазовый сдвиг при изолировании. Инверторы обычно согласовывают сигнал сети с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая отслеживает переходы через нуль . Между этими событиями инвертор выдает синусоидальный выходной сигнал, изменяя ток для получения правильной формы сигнала напряжения с учетом нагрузки предыдущего цикла. Когда основная сеть отключается, коэффициент мощности на острове внезапно снижается, и ток инвертора больше не создает сигнал правильной формы. К тому времени, когда форма сигнала завершится и вернется к нулю, сигнал будет не в фазе. Однако многие распространенные события, такие как запуск двигателей, также вызывают скачки фазы, поскольку в схему добавляются новые импедансы. [25]
Более эффективный метод инвертирует островной фазовый сдвиг: инвертор спроектирован так, чтобы выдавать выходной сигнал, слегка не согласованный с сеткой, в расчете на то, что сетка будет подавлять сигнал. Затем система фазовой автоподстройки частоты становится нестабильной, когда сигнал сети отсутствует; система отклоняется от расчетной частоты; и инвертор выключается. [26]
Очень безопасный метод обнаружения изолированности ищет отличительные 2 nd и 3 р-д гармоники, генерируемые нелинейными взаимодействиями внутри инверторных трансформаторов . Обычно не существует других источников полного гармонического искажения (THD), подходящих для инвертора. Даже источники шума, такие как двигатели, не вызывают измеримых искажений в цепи, подключенной к сети, поскольку последняя имеет практически бесконечную фильтрующую способность. Импульсные инверторы обычно имеют большие искажения — до 5%. Когда сеть отключается, в локальной цепи возникают искажения, вызванные инвертором. [27] Современные инверторы пытаются минимизировать гармонические искажения, в некоторых случаях до неизмеримых пределов, но в принципе несложно спроектировать инвертор, который вводит контролируемую величину искажений для активного поиска образования островков. [28]
Споры о распределенном поколении
[ редактировать ]Коммунальные предприятия отказались разрешить установку домашних солнечных или других систем распределенной генерации на том основании, что они могут создать неконтролируемые сетевые острова. [29] [30] В Онтарио изменение зеленого тарифа в 2009 году побудило многих сельских потребителей установить небольшие (10 кВт) системы в рамках микроFIT, «освобожденного от мощности». Однако после завершения строительства Hydro One отказалась подключать системы к сети. [31]
Этот вопрос может быть остро политическим, отчасти потому, что сторонники распределенного поколения считают, что беспокойство по поводу изолированности является в значительной степени предлогом . Тест 1999 года в Нидерландах не смог обнаружить островки распределенной генерации через 60 секунд после обрушения сети. Более того, моменты, когда распределенная генерация соответствовала только распределенным нагрузкам, происходили с частотой, сравнимой с 10 −6 тот −1 , и что вероятность того, что сеть отключится в этот момент, была еще меньше, так что «вероятность обнаружения островного режима [ sic ] практически равна нулю». [32]
Риск непреднамеренного изолирования в первую очередь свойственен синхронным генераторам , например, микрогидроэлектростанциям . В канадском отчете 2004 года сделан вывод, что «технология защиты от изолирования для систем РГ на базе инверторов гораздо лучше развита, а опубликованные оценки рисков показывают, что текущие технологии и стандарты обеспечивают адекватную защиту». [33]
Коммунальные предприятия обычно утверждают, что распределенные генераторы могут вызвать следующие проблемы: [34] [35]
- Проблемы безопасности
- Если образуется остров, ремонтные бригады могут столкнуться с неожиданными проводами под напряжением.
- Ущерб для конечного пользователя
- Распределенные генераторы могут быть не в состоянии поддерживать частоту или напряжение сети близкое к стандартному, а нестандартные токи могут повредить оборудование потребителя. В зависимости от конфигурации цепи ответственность за ущерб может нести коммунальное предприятие.
- Контролируемое переподключение к сети
- Повторное включение распределительных цепей на активный остров может привести к повреждению оборудования или быть заблокировано реле защиты от сбоя фазы . Процедуры по предотвращению подобных последствий могут задержать восстановление электроснабжения отключенных потребителей.
Первые два утверждения оспариваются в энергетической отрасли . Например, при обычной линейной работе постоянно возникает риск воздействия проводов под напряжением , а стандартные процедуры требуют явных проверок, чтобы убедиться, что провод обесточен до контакта с работником. Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) могут быть настроены на сигнал тревоги в случае неожиданного появления напряжения на предположительно изолированной линии. 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 клиентов, обычно составляет <10». −9 в год». [36] [37] Аналогичным образом, современные системы обнаружения островков в значительной степени предотвращают повреждение устройств конечных пользователей. [ нужна ссылка ]
Это, как правило, последняя проблема, которая больше всего беспокоит коммунальные службы. Реклоузеры обычно используются для разделения сети на более мелкие секции, которые автоматически и быстро повторно подают напряжение на ветвь, как только условие неисправности (например, ветвь дерева на линиях) устраняется. Существует некоторая обеспокоенность тем, что реклоузеры могут не включиться повторно в случае островного режима или что промежуточная потеря синхронности может повредить распределенные генераторы на острове. Однако неясно, используются ли устройства повторного включения в современной практике энергоснабжения, а также то, что устройства повторного включения должны действовать на всех фазах . [38]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Управление ядерной безопасности. «Произведено изолирование двух реакторов на АЭС Сен-Альбан» . АСН (на французском языке) . Проверено 25 февраля 2019 г.
- ^ «Атомная электростанция Фессенхайм: Останов энергоблока №2» . EDF France (на французском языке). 14 июля 2018 г. Архивировано из оригинала 26 февраля 2019 г. Проверено 25 февраля 2019 г.
- ^ Салех, М.; Эса, Ю.; Мханди, Ю.; Брандауэр, В.; Мохамед, А. (октябрь 2016 г.). «Проектирование и внедрение испытательного стенда микросетей постоянного тока CCNY» . Ежегодное собрание Общества отраслевых приложений IEEE 2016 . стр. 1–7. дои : 10.1109/IAS.2016.7731870 . ISBN 978-1-4799-8397-1 . S2CID 16464909 .
- ^ Jump up to: а б «ИИЭР 1547.4-2011» . Сайт и указатель контактов рабочей группы Ассоциации стандартов IEEE . ИИЭЭ . Проверено 3 марта 2017 г.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 10.
- ^ Кальдогнетто, Т.; Далла Санта, Л.; Магнон, П.; Маттавелли, П. (2017). «Активная нагрузка на основе силовой электроники для испытательных стендов с непреднамеренным изолированием». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 53 (4): 3831–3839. дои : 10.1109/TIA.2017.2694384 . S2CID 40097383 .
- ^ Муредду, Марио; Кальдарелли, Гвидо; Дамиано, Альфонсо; Скала, Антонио; Мейер-Ортманнс, Хильдегард (07 октября 2016 г.). «Изолирование энергосистемы на уровне передачи: меньше подключений, больше безопасности» . Научные отчеты . 6 (1): 34797. Бибкод : 2016НатСР...634797М . дои : 10.1038/srep34797 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5054509 . ПМИД 27713509 .
- ^ Jump up to: а б с Кирос-Тортос, Хаиро; Санчес-Гарсия, Рубен; Бродски, Яцек; Бялек, Януш; Терзия, Владимир (2015). «Методология на основе ограниченной спектральной кластеризации для преднамеренного контролируемого изолирования крупномасштабных энергосистем» . Генерация, передача и распределение IET . 9 (1): 31–42. дои : 10.1049/iet-gtd.2014.0228 . ISSN 1751-8695 .
- ^ Jump up to: а б Пава, С.; Юсеф, М.; Шумм, П.; Скольо, К.; Шульц, Н. (2013). «Оптимальное преднамеренное изолирование для повышения надежности электросетей» . Физика А. 392 (17). Эльзевир: 3741–3754. Бибкод : 2013PhyA..392.3741P . дои : 10.1016/j.physa.2013.03.029 . hdl : 2097/16520 — из репозитория штата Канзас .
- ^ Jump up to: а б Ян, Бо; Виттал, Виджай; Хейдт, Джеральд Т. (30 октября 2006 г.). «Управляемое изолирование на основе медленной когерентности». Транзакции IEEE в энергосистемах . 21 (4): 1840–1847. дои : 10.1109/TPWRS.2006.881126 .
- ^ Катираи, Ф.; Иравани, MR; Лен, PW (январь 2005 г.) [31 мая 2005 г.]. «Автономная работа микросети во время и после процесса изолирования» (PDF) . Транзакции IEEE при доставке электроэнергии . 20 (1): 248–257. дои : 10.1109/TPWRD.2004.835051 . ТПВРД-00103-2003.
- ^ Балагер, Ирвин Дж.; Цинь Лэй; Ян, Шуйтао; Супатти, Утане; Пэн, Фан Чжэн (январь 2011 г.) [10 декабря 2010 г.]. «Контроль за подключением к сети и преднамеренным изолированием распределенной генерации электроэнергии». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 58 (1): 147–157. doi : 10.1109/TIE.2010.2049709 – через Academia.edu .
- ^ Ли, Хуан; Лю, Чен-Чинг; Шнайдер, Кевин П. (декабрь 2010 г.). «Управляемое разделение электрической сети с учетом баланса активной и реактивной мощности». Транзакции IEEE в интеллектуальных сетях . 1 (3): 261–269. дои : 10.1109/TSG.2010.2082577 .
- ^ Скала, Антонио; Лучентини, Пьер Джорджио Де Сантис; Кальдарелли, Гвидо; Д'Агостино, Грегорио (1 июня 2016 г.) [13 октября 2018 г.]. «Каскады во взаимозависимых сетях потоков». Физика Д. 323 . Эльзевир: 35–39. arXiv : 1512.03088 . Бибкод : 2016PhyD..323...35S . дои : 10.1016/j.physd.2015.10.010 .
- ^ Бисвас, Шухисмитта; Бернабеу, Эмануэль; Пикарелли, Дэвид. Превентивное изолирование энергосистемы для смягчения последствий высокочастотных событий . Конференция IEEE Power & Energy Society по инновационным технологиям интеллектуальных сетей (ISGT) 2020 года. arXiv : 1911.04440 . дои : 10.1109/ISGT45199.2020.9087788 .
- ^ Бауэр и Ропп 2002 .
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , стр. 17–19.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 24.
- ^ «Подача тока обратной последовательности для быстрого обнаружения изолированности блока распределенных ресурсов», Хоушанг Карими, Амирнасер Яздани и Реза Иравани, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 23, НЕТ. 1 ЯНВАРЯ 2008 ГОДА.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 20.
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , стр. 12–13.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , стр. 37–38.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 40.
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , стр. 13–14.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , стр. 20–21.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , стр. 28–29, 34.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 22.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 26.
- ^ «Технические требования к межсетевому соединению для распределенной генерации». Архивировано 7 февраля 2014 г. в Wayback Machine , Hydro One, 2010 г.
- ^ «Дополнительное руководство по проверке правила 21 компании California Electric». Архивировано 19 октября 2010 г. в Wayback Machine.
- ↑ Джонатан Шер, «Ontario Hydro отказывается от планов использования солнечной энергии» , The London Free Press (через QMI), 14 февраля 2011 г.
- ^ Верховен, стр. 46
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , с. 45.
- ^ Бауэр и Ропп 2002 , с. 13.
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , с. 3.
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , стр. 9–10.
- ^ Анализ риска изолированности фотоэлектрических энергосистем в распределительных сетях низкого напряжения . 2002. CiteSeerX 10.1.1.114.2752 .
- ^ Сюй, Маух и Мартель 2004 , с. 48.
Библиография
[ редактировать ]- Бауэр, Уорд; Ропп, Майкл (2002), Оценка методов обнаружения секционирования для интерактивных инверторов в фотоэлектрических системах , Управление научной и технической информации Министерства энергетики, doi : 10.2172/806700
- Сюй, Уилсун; Маух, Конрад; Мартель, Сильвен (2004). Оценка методов и проблем обнаружения изолированности распределенной генерации для Канады . Энергетический центр CANMET – через Academia.edu .
- Бас Верховен, «Вероятность изолированности коммунальной сети из-за подключенных к сети фотоэлектрических энергетических систем» , KEMA, 1999 г.
- Х. Карими, А. Яздани и Р. Иравани, «Введение тока обратной последовательности для быстрого обнаружения изолированности распределенного ресурса», IEEE Trans. по силовой электронике , вып. 23, нет. 1 января 2008 г.
Стандарты
[ редактировать ]- Стандарты IEEE 1547 , Стандарт IEEE для соединения распределенных ресурсов с электроэнергетическими системами
- UL 1741 Содержание , UL 1741: Стандарт для инверторов, преобразователей, контроллеров и оборудования систем взаимосвязи для использования с распределенными энергоресурсами
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Первое в истории островное применение системы хранения энергии»
- Мозина, Чарльз Дж. (лето 2008 г.). «Влияние распределенной генерации» . Мир ПАК . № 5. С. 20–25.
- Системные нарушения, 1996 г. (PDF) (Отчет). Принстон, Нью-Джерси: Североамериканский совет по надежности электроснабжения . Август 2002 г. с. 60. Случайное изолирование генератора во время обслуживания трансформатора приводит к серьезному повышению частоты на острове и требует ручного управления турбинами для их повторной интеграции в более крупную сеть.