Вклад тока короткого замыкания источников, питаемых через инверторы (PV, BESS) — почему IEC 60909-0 требует здесь иного подхода

Руководство о расчёте тока короткого замыкания по IEC 60909-0 и руководство о реактивных сопротивлениях генератора Xd″, Xd′ и Xd оба рассматривают сеть, в которой ток короткого замыкания определяется импедансом источника: чем ниже реактивное сопротивление, тем выше ток повреждения, затухающий согласно физически определённой кривой спада. PV-инвертор или инвертор аккумуляторной батареи (BESS), однако, ведёт себя при коротком замыкании принципиально иначе — и это имеет прямые последствия для проектирования и настройки защиты.

Ограничение по импедансу против ограничения по току

Синхронный генератор выдаёт свой ток короткого замыкания через собственное магнитное реактивное сопротивление: физика самой машины определяет ток, который при сверхпереходном повреждении может достигать нескольких кратностей (часто 5-10× и более) номинального тока. Инвертор, подключённый к сети, работает совершенно иначе: силовая электроника (IGBT-транзисторы или аналогичные переключающие элементы) физически не может выдать ток, превышающий тепловые и предельные по напряжению границы полупроводников, а управление инвертора активно ограничивает выходной ток до заранее установленного максимума — независимо от того, насколько низок импеданс сети в месте повреждения. Для сетевого ведомого (grid-following) инвертора, типичного для большинства существующих установок PV и BESS, это ограничение обычно составляет около 1,1-1,2× от номинального тока инвертора, примерно в течение нескольких периодов сети, пока инвертор сам не отключится.

Почему это важно для проектирования защиты

Эта принципиально иная характеристика тока повреждения имеет практические последствия:

• Токовая защита, полагающаяся исключительно на вклад инвертора, может оказаться недостаточно чувствительной: обычное максимальное токовое реле (ANSI 50/51), настроенное на кратность номинального тока синхронного источника, может вообще не обнаружить повреждение, питаемое только инверторами — с максимальным вкладом всего лишь ~1,2×Iном.
• Направленные и дифференциальные защиты остаются работоспособными, поскольку они не зависят от высокого абсолютного значения тока, а от фазового угла, направления или разницы между входящим и исходящим током — см. также руководство о направленной максимальной токовой защите (67).
• Вклад инверторной электростанции в сетевое повреждение в другом месте (например, соседняя солнечная станция, помогающая питать повреждение в сети) ограничен по сравнению с такой же мощностью синхронной генерации — это влияет как на общий доступный ток повреждения для обнаружения, так и на требуемую отключающую способность коммутационной аппаратуры.

IEC 60909-0:2016: отдельное правило для full-size converters

Чтобы явно учесть это различие, IEC 60909-0 в редакции 2016 года добавила отдельное положение для «power station units with full-size converters» — генерирующих установок, подключённых к сети через полный силовой преобразователь (вместо непосредственно через синхронную машину), как это имеет место для большинства PV-станций и систем накопления энергии в аккумуляторах. Вместо обычного метода эквивалентного источника напряжения, основанного на реактивном сопротивлении, вклад такой установки рассматривается как источник, управляемый по току, с фиксированным, указанным производителем максимальным вкладом, а не как источник, ограниченный импедансом, вклад которого напрямую следует из импеданса сети.

Внимание: эта статья рассматривает принцип для распространённых сетевых ведомых (grid-following) инверторов. Более новая технология сетеобразующих (grid-forming) инверторов может вести себя иначе при повреждении и является предметом продолжающейся разработки стандартов (в том числе в рамках IEEE 2800); эта статья не даёт исчерпывающего обзора каждой стратегии управления инвертором.

Практическая значимость

При выполнении расчёта тока короткого замыкания для сети со значительной долей PV- или аккумуляторной генерации важно не моделировать вклад этих питаемых через инверторы источников так же, как синхронный генератор со значением реактивного сопротивления — фактический вклад, как правило, значительно ниже, что имеет последствия как для требуемой отключающей способности (которая может оказаться ниже, чем при такой же мощности синхронной генерации), так и для чувствительности токовых защит (которая должна быть выше, чтобы всё же обнаруживать повреждение с ограниченным вкладом инвертора).

Частые ошибки

1. Оценка вклада тока короткого замыкания PV- или BESS-инвертора с использованием того же подхода на основе реактивного сопротивления, что и для синхронного генератора — это значительно завышает фактический вклад.
2. Выбор токовой защиты без учёта ограниченного, ~1,1-1,2×Iном вклада источников, питаемых через инверторы, в повреждение, питаемое исключительно этими источниками — это может привести к защите, которая не сработает.
3. Предположение, что большая установленная мощность PV или BESS автоматически требует большой отключающей способности коммутационной аппаратуры — фактический вклад тока повреждения источников, питаемых через инверторы, как правило, значительно ниже, чем можно было бы предположить по номинальной мощности.
4. Отсутствие различия между сетевым ведомым (grid-following) и сетеобразующим (grid-forming) управлением инвертора при оценке характеристики тока повреждения — оба могут вести себя иначе при повреждении, и спецификация производителя конкретного инвертора остаётся определяющей.

Связанные материалы

• Расчёт тока короткого замыкания — импедансный метод IEC 60909-0
• Реактивные сопротивления генератора Xd″, Xd′ и Xd
• Защита от противоостровного режима PV-инвертора (NEN-EN 50549)
• Направленная максимальная токовая защита (ANSI 67)