Wkład prądu zwarciowego źródeł zasilanych przez falowniki (PV, BESS) — dlaczego IEC 60909-0 wymaga tu innego podejścia

Przewodnik o obliczaniu prądu zwarciowego według IEC 60909-0 oraz przewodnik o reaktancjach generatora Xd″, Xd′ i Xd omawiają sieć, w której prąd zwarciowy jest określany przez impedancję źródła: im niższa reaktancja, tym wyższy prąd zwarciowy, malejący zgodnie z fizycznie określoną krzywą zaniku. Falownik PV lub falownik akumulatorowy (BESS) zachowuje się jednak podczas zwarcia zasadniczo inaczej — a to ma bezpośrednie konsekwencje dla projektowania i nastaw zabezpieczeń.

Ograniczenie impedancyjne a ograniczenie prądowe

Generator synchroniczny dostarcza swój prąd zwarciowy poprzez własną reaktancję magnetyczną: fizyka samej maszyny określa prąd, który podczas zwarcia podprzejściowego może wzrosnąć do wielokrotności (często 5-10× lub więcej) prądu znamionowego. Falownik przyłączony do sieci działa zupełnie inaczej: elektronika mocy (tranzystory IGBT lub podobne elementy przełączające) fizycznie nie może dostarczyć prądu przekraczającego granice termiczne i napięciowe półprzewodników, a sterowanie falownika aktywnie ogranicza prąd wyjściowy do wcześniej ustawionego maksimum — niezależnie od tego, jak niska jest impedancja sieci w miejscu zwarcia. Przy falowniku typu grid-following, typowym dla większości istniejących instalacji PV i BESS, to ograniczenie wynosi zwykle około 1,1 do 1,2× prądu znamionowego falownika, przez mniej więcej kilka okresów sieciowych, aż falownik sam się wyłączy.

Dlaczego jest to istotne dla projektowania zabezpieczeń

Ta zasadniczo inna charakterystyka prądu zwarciowego ma praktyczne konsekwencje:

• Zabezpieczenie nadprądowe polegające wyłącznie na wkładzie falownika może być niewystarczająco czułe: konwencjonalny przekaźnik nadprądowy (ANSI 50/51) nastawiony na wielokrotność prądu znamionowego źródła synchronicznego może w ogóle nie wykryć zwarcia zasilanego wyłącznie przez falowniki — przy maksymalnym wkładzie tylko ~1,2×In.
• Zabezpieczenia kierunkowe i różnicowe pozostają funkcjonalne, ponieważ nie zależą od wysokiej wartości bezwzględnej prądu, lecz od kąta fazowego, kierunku lub różnicy między prądem wpływającym a wypływającym — zob. też przewodnik o kierunkowym zabezpieczeniu nadprądowym (67).
• Wkład elektrowni opartej na falownikach do zwarcia sieciowego gdzie indziej (na przykład pobliska farma fotowoltaiczna pomagająca zasilić zwarcie w sieci) jest ograniczony w porównaniu z taką samą mocą wytwarzania synchronicznego — wpływa to zarówno na całkowity dostępny prąd zwarciowy do detekcji, jak i na wymaganą zdolność wyłączania aparatury łączeniowej.

IEC 60909-0:2016: osobna reguła dla full-size converters

Aby jawnie uwzględnić tę różnicę, IEC 60909-0 w wydaniu z 2016 roku dodała osobne postanowienie dla „power station units with full-size converters” — jednostek wytwórczych przyłączonych do sieci poprzez pełny przekształtnik mocy (zamiast bezpośrednio przez maszynę synchroniczną), jak to ma miejsce w przypadku większości farm PV i systemów magazynowania energii w akumulatorach. Zamiast zwykłej, opartej na reaktancji metody zastępczego źródła napięcia, wkład takiej jednostki jest traktowany jako źródło sterowane prądowo o stałym, podanym przez producenta maksymalnym wkładzie, a nie jako źródło ograniczone impedancyjnie, którego wkład wynika bezpośrednio z impedancji sieci.

Uwaga: ten artykuł omawia zasadę dla typowych falowników grid-following. Nowsza technologia falowników grid-forming może zachowywać się inaczej podczas zwarcia i jest przedmiotem trwających prac normalizacyjnych (między innymi w ramach IEEE 2800); ten artykuł nie daje wyczerpującego przeglądu każdej strategii sterowania falownikiem.

Praktyczne znaczenie

Przy wykonywaniu obliczeń prądu zwarciowego dla sieci ze znacznym udziałem wytwarzania PV lub akumulatorowego ważne jest, aby nie modelować wkładu tych zasilanych falownikami źródeł w taki sam sposób jak generatora synchronicznego z wartością reaktancji — rzeczywisty wkład jest zazwyczaj znacznie niższy, co ma konsekwencje zarówno dla wymaganej zdolności wyłączania (która może okazać się niższa niż przy takiej samej mocy wytwarzania synchronicznego), jak i dla czułości zabezpieczeń nadprądowych (która musi być wyższa, aby nadal wykrywać zwarcie o ograniczonym wkładzie falownika).

Częste błędy

1. Szacowanie wkładu prądu zwarciowego falownika PV lub BESS z zastosowaniem tego samego podejścia reaktancyjnego co dla generatora synchronicznego — znacznie zawyża to rzeczywisty wkład.
2. Dobór zabezpieczenia nadprądowego bez uwzględnienia ograniczonego, ~1,1-1,2×In wkładu źródeł zasilanych falownikami do zwarcia zasilanego wyłącznie przez te źródła — może to prowadzić do zabezpieczenia, które nie zadziała.
3. Zakładanie, że duża zainstalowana moc PV lub BESS automatycznie wymaga dużej zdolności wyłączania aparatury łączeniowej — rzeczywisty wkład prądu zwarciowego źródeł zasilanych falownikami jest zazwyczaj znacznie niższy, niż sugerowałaby moc znamionowa.
4. Niedokonywanie rozróżnienia między sterowaniem falownika grid-following i grid-forming przy ocenie charakterystyki prądu zwarciowego — oba mogą zachowywać się inaczej podczas zwarcia, a specyfikacja producenta konkretnego falownika pozostaje rozstrzygająca.

Powiązane

• Obliczanie prądu zwarciowego — metoda impedancyjna IEC 60909-0
• Reaktancje generatora Xd″, Xd′ i Xd
• Zabezpieczenie przeciwwyspowe falownika PV (NEN-EN 50549)
• Kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 67)