Statický regulátor jalového výkonu STELCOM®

Pro fotovoltaické elektrárny a ostatní rozptýlené zdroje o výkonu nad 400 kW

Úvod

Každý si asi všiml, jak jsou v poslední době masově budovány fotovoltaické elektrárny (FVE). Buď jsou už v provozu, nebo jsou ve fázi projektů a realizací. Jsou to možná už stovky malých, domácích elektrárniček umístěných většinou na střeše domu o výkonu od jednotek do desítek kW, až po rozsáhlá pole osazená fotovoltaickými panely o výkonech řádově megawattů.

Čím je tento jev způsoben všichni víme, je to dotační politika na obnovitelné zdroje, uzákoněná povinnost výkupu elektrické energie a dotovaná výkupní cena za kWh.

Cílem však není rozebírat co je správné, výhodné nebo nevýhodné z hlediska investování do stavby FVE. Cílem také není diskutovat o tom, o kolik tyto ekonomické experimenty s tzv. obnovitelnými zdroji elektrické energie prodražují cenu energie pro spotřebitele. Cílem je upozornit na některé fyzikální aspekty provozování distribuční soustavy (DS) s velkým množstvím rozptýlených zdrojů.

Fyzikální problém masového nasazování rozptýlených zdrojů

Málokdo si uvědomuje fyzikální problém tohoto masového nasazování rozptýlených zdrojů elektrické energie do distribuční soustavy. Distribuční soustava a její regulace byla původně navržena na klasickou distribuci elektrické energie od definovaných zdrojů ke spotřebičům. V případě rozptýlených zdrojů elektrické energie a hlavně praktické nemožnosti ovlivnit výrobu v čase, vznikají problémy s regulací napětí v DS. Distribuční soustavu jako takovou, je nutno v budoucnosti přebudovat do tzv. Smart Grids (česky chytrá síť, lépe inteligentní rozvodná síť), která si sama poradí s rozptýlenou výrobou, akumulací a spotřebou elektrické energie. Budoucnost těchto sítí je zatím vzdálená, ale problém s regulací napětí v DS je některých případech nutno řešit už dnes. Jedna z možností je použít moderní výkonové elektronické zařízení, které je podrobněji popsáno v následující části, a které můžeme považovat za jeden z prvních výkonových prvků budoucích Smart Grids.

Požadavky na připojení rozptýlených zdrojů s instalovaným výkonem nad 400 kW do sítě VN

Pravidla provozování distribučních soustav (PPDS) v Příloze 4 - Pravidla pro paralelní provoz zdrojů se sítí provozovatele distribuční soustavy (PDS) schválená Energetickým regulačním úřadem pro rok 2009 požadují pro zdroje s výkonem nad 400 kW připojované do sítí VN vybavení těchto zdrojů nástroji pro řízení jalového výkonu.

V příslušném odstavci Přílohy 4 PPDS jsou vyjmenovány následující požadavky:

  • udržování pevné hodnoty zadaného účiníku cos φ
  • udržování hodnoty účiníku cos φ = f (P)
  • udržování zadané hodnoty jalového výkonu (odběr/dodávka) v rámci provozního diagramu stroje (PQ diagramu)
  • udržování napětí v předávacím místě (na výstupu generátoru, za blokovým transformátorem nebo v pilotním uzlu DS) v rámci omezení daných PQ diagramem stroje.

Zdroj musí být schopen dodávat jmenovitý činný výkon v rozmezí účiníku cos φ = 0,85 až 1 (dodávka jalového výkonu) a účiníku cos φ = 1 až 0,95 (odběr jalového výkonu) při dovoleném rozsahu napětí na svorkách generátoru ±5 % jmenovitého napětí a při kmitočtu v rozmezí 48,5 až 50,5 Hz.

Uvedený základní požadovaný regulační rozsah jalového výkonu může být modifikován, tedy zúžen nebo rozšířen. Důvodem případné modifikace může být např. odlišná (nižší/vyšší) potřeba regulačního jalového výkonu v dané lokalitě DS nebo zvláštní technologické důvody (výrobny s asynchronními generátory, fotovoltaiky, větrné elektrárny). Taková modifikace předpokládá uzavření zvláštní dohody mezi provozovatelem výrobny a PDS.

U fotovoltaických elektráren se předpokládá jako postačující nižší rozsah účiníku, od 0,95 – 1 pro dodávku jalového výkonu a 1 – 0,95 pro odběr jalového výkonu.

Při silně kolísajícím výkonu pohonu (např. u některých typů větrných elektráren) musí být kompenzace jalového výkonu automaticky a dostatečně rychle regulována. Takovéto zařízení nesmí negativně ovlivňovat úroveň signálu HDO.

Co je STELCOM®?

Známé zařízení STATCOM je název, které slovník Wikipedia vysvětluje jako statický synchronní kompenzátor používaný v napájecích sítích k rychlé regulaci jalového výkonu, filtraci harmonických a eliminaci flikru. Je postaven na bázi výkonové elektroniky a spadá do skupiny zařízení označovaných FACTS. (Flexible Alternating Current Transmission System). Jsou to výkonová, vysokonapěťová zařízení vylepšující kvalitu napětí v distribučních nebo průmyslových sítích.

Kompenzátor STELCOM® je v principu to samé jako STATCOM, ale je konstruován na nízké napětí a menší výkon.

Základní provedení

V základním provedení dokáže regulovat velikost a směr proudu 1. harmonické v uzlu a tím vlastně regulovat jalový výkon. Pokud generovaný proud fázově předbíhá napětí, jsme v oblasti kapacitní a zařízení se chová jako výkonový kondenzátor. Tedy dochází ke kompenzaci. V opačném případě, pokud se generovaný proud zpožďuje za napětím, nacházíme se v oblasti induktivní, kde se pak zařízení chová jako tlumivka a dochází k dekompenzaci.

Protože se jedné o zařízení výkonové elektroniky je možné proud regulovat zcela plynule s možností rychlé odezvy. Generovaný proud pak může mít minimální harmonické zkreslení.  Nebo naopak je možné superponovat k základnímu proudu některé harmonické proudu s takovou amplitudou a fází, aby se v uzlu odečetly od stávajících harmonických a tím se tyto nežádoucí harmonické v uzlu aktivně vyfiltrovaly.

Princip elektronického kompenzátoru jalového výkonu

Kompenzátor STELCOM® je proudový zdroj, dodávající do sítě takovou velikost jalového proudu, aby byl docílen požadovaný účiník. Generování proudu je v principu zajištěno řízením napěťového zdroje připojeného přes indukčnost do sítě. Kompenzátor je standardně třífázový, v případě potřeby ho lze modifikovat i na jednofázové provedení.

Náhradní schéma

Obrázek 1 ukazuje příklad připojení kompenzátoru k fotovoltaické elektrárně s vlastním distribučním transformátorem, na obrázku 2 je zakresleno zjednodušené liniové schéma kompenzátoru. Samotný kompenzátor je tvořený měničem, trojfázovým napěťovým střídačem z IGBT tranzistorů, dále kondenzátorem jako akumulátorem energie a tlumivkou XR, tvořící filtr pro zajištění potřebného sinusového průběhu proudu. Napětí na kondenzátoru střídače je řízením udržováno na velikosti, která musí být vždy vyšší než vrcholová hodnota síťového napětí.

STELCOM

Obrázek 1: Připojení kompenzátoru k síti s elektrárnou s vlastním distribučním transformátorem

Řízení tranzistorů měniče

Řízení tranzistorů měniče kompenzátoru pulzně šířkovou modulací je podobné jako řízení frekvenčního měniče. IGBT tranzistory jsou spínány tak, aby měnič kompenzátoru generoval napětí, které přes vazební reaktanci XR (tlumivka) vyvolá požadovaný proud tekoucí do sítě. Rozdíl je v regulátorech proudu, a samozřejmě v nadřazených regulátorech, to jsou regulátor napětí kondenzátoru a regulátor jalového proudu. Zásadní rozdíl je ještě v tom, že měnič kompenzátoru musí pracovat synchronně se sítí. Synchronní chod s napětím sítě zajišťují synchronizační obvody.

STELCOM

Obrázek 2: Zjednodušené jednopólové schéma kompenzátoru

Vektorové diagramy

Obrázky 3 a 4 pomohou vysvětlit princip funkce kompenzátoru, kdy se jalový výkon řídí změnou amplitudy napětí kompenzátoru UKomp. Pokud je toto napětí vyšší než napětí sítě, vznikne na reaktanci XR úbytek napětí se stejnou fází jako má napětí kompenzátoru a do sítě teče kapacitní proud, kompenzátor se chová jako kondenzátor. Při napětí kompenzátoru nižším než je napětí sítě, je úbytek na reaktanci v opačném směru a také protékající proud má obrácený směr a tedy induktivní charakter.

STELCOM

Obrázek 3: Vektorový diagram v režimu kapacitního proudu

STELCOM

Obrázek 4: Vektorový diagram v režimu induktivního proudu

Přirovnání k řízení synchronního generátoru

Tyto dva stavy lze přirovnat k řízení jalového proudu změnou buzení synchronního generátoru. Přebuzením generátoru a tedy zvýšením jeho indukovaného napětí je vytvářen kapacitní proud, čemuž analogicky odpovídá stav kompenzátoru STELCOM® při generování vyššího napětí než je napětí sítě. Naopak podbuzený generátor má indukované napětí snížené, vytváří induktivní jalový proud a jedná se o podobný stav jako kompenzátor s napětím nižším než napětí sítě.

Funkce aktivního filtru

Měnič generující napětí UKomp však může vytvářet i nesinusový tvar napětí, obsahující definované harmonické složky. Kompenzátor v tom případě pak kromě odběru nebo dodávky jalového proudu umožňuje i generování harmonických proudů. Chová se jako aktivní filtr a je schopen odstranit nežádoucí harmonické proudu tím způsobem, že vygeneruje shodné složky proudu, ale opačného směru a zavádí je do sítě.

Řízení kompenzátoru a komunikace s PDS

Z podmínek uvedených v Příloze 4 PPDS vyplývá jednoznačný požadavek na možnost dálkového řízení napěťových poměrů (řízení U, Q, či cos φ) v předávacím místě provozovatelem distribuční soustavy. Pracovníci PDS tak mají možnost komunikovat s řídicí jednotkou instalovanou v předávacím místě zdroje a zadávat požadované parametry. Komunikace mezi PDS a zdrojem je obousměrná. Na jedné straně řídicí jednotka ovládající kompenzátor jalového výkonu (STELCOM®) přijímá požadavky ze strany PDS na řízení U, Q či cos φ, na straně druhé předává distributorovi informaci o aktuálních regulačních možnostech zdroje s ohledem na velikost vyráběného výkonu.

Způsob řízení kompenzátoru tedy umožňuje zcela autonomní řízení, tak aby byly splněny body 1 až 4 v kapitole 2., nebo povolit dálkové řízení.

Závislost napětí na jalovém výkonu

Na obrázku 5 je znázorněna závislost napětí v připojovacím bodě sítě nebo zvoleném uzlu sítě na regulovaném jalovém výkonu kompenzátoru STELCOM®.

STELCOM

Obrázek 5: Závislost regulovaného napětí na změně jalového výkonu STELCOMu  

Jak kompenzátor dimenzovat?

Správné nadimenzování jakéhokoliv zařízení je vždy důležité. Jednak aby systém perfektně fungoval a jednat aby splňoval i ekonomické požadavky, tedy co nejnižší možnou cenu.

Přesto, že je možné u každého typu regulátoru jalového výkonu STELCOM® ve výrobní řadě uvádět výkon, je v tomto případě vhodnější uvést výrobní řadu vztaženou na příslušný výkon transformátoru, přes který je FVE připojena do sítě VN. Výkonová řada distribučních transformátorů je typizovaná a proto je k těmto transformátorům i sestavena výrobní řada zařízení STELCOM®.

Sestavení výrobní řady

Sestavení výrobní řady zařízení STELCOM® má čistě praktický důvod. Projektanti nemusí složitě počítat potřebný jalový výkon a snažit se o cenovou optimalizaci, někdy se zbytečnými riziky, že nebude k dispozici výkonová rezerva. Jednoduše zvolí z výrobní řady podle výkonu distribučního (připojovacího) transformátoru a podle proudu a rozměrů rozváděčů vyprojektují připojení a umístění zařízení STELCOM® do rozvodny FVE.

Je důležité, aby STELCOM® byl umístěn co nejblíže k distribučnímu transformátoru a to kvůli nižšímu dimenzování přívodních vodičů k FVE a snížení ztrát ve vedení.

Zvýšení přenášeného výkonu přes transformátor

Dále je potřeba si uvědomit, že původně pouze činný výkon přenášený přes transformátor do sítě se při regulaci jalového výkonu pomocí kompenzátoru STELCOM® změní ve výkon zdánlivý, který se při maximálním jalovém výkonu kompenzátoru zvětší o 5,3 %. Z toho důvodu se sníží velikost připojitelného činného výkonu FVE podle tabulky. Tato skutečnost má dost podstatný vliv na optimální rozdělení jednotlivých sekcí  FVE, optimální volbu celkového výkonu FVE a výkonů jednotlivých transformátorů.

Specifikace výrobní řady – podklady pro projektanty

Výrobní řada STELCOM® určená pro regulaci jalového výkonu FVE připojovaných do sítě VN:

Typ 181- t400 285- t630 362- t800 452- t1000 565- t1250 725- t1600
Výkon transformátoru do DS [kVA] 400 630 800 1000 1250 1600
Napětí [V] 3x400
Proud [A] 181 285 362 542 565 725
Připojitelný výkon FVE [kWp] 380 600 760 950 1190 1520
Regulační rozsah [cos φ] 0,95 kapacitní až 0,95 induktivní
Rychlost odezvy [ms] Volitelný parametr (minimálně 20 ms)
Rozměry 2200mm (v) x 800mm (h) x š 800 800 1600 1600 2400 2400
Kmitočet [Hz] 50 (volitelně 60)
Komunikační protokol IEC 60870-5-104 nebo IEC 61850
Komunikační připojení Ethernet, GSM, případně RS485 pro diagnostiku
Maximální ztráty [W] 5200 7800 10400 12400 15500 20800
Provedení Vnitřní (volitelně venkovní)
Celkové harmonické zkreslení proudu 5 %
Hmotnost [kg] 350 460 690 780 1030 1320

Cena kompenzátorů STELCOM®

Vzhledem k tomu, že se kompenzátory vždy vyrábějí na zakázku, je nutno cenu příslušného kompenzátoru poptat přímo ve firmě a to nejlépe u Dr. Ing. Tomáše Bůbely.

Můžete přímo zavolat na uvedená telefonní čísla nebo poslat email přes webové prostředí a budete obratem kontaktováni s dalšími doplňujícími dotazy. Cena a termín dodání, včetně dalších důležitých údajů budou součástí nabídky.

Doplňující funkce elektronického kompenzátoru

Regulace cos φ

Jak bylo vysvětleno v kapitole 3. zařízení STELCOM® je v podstatě výkonový generátor proudu s možností regulace jeho velikosti a směru toku proudu 1. harmonické v oblasti kapacitní nebo induktivní. Jeho základní vlastnost je tedy regulace účiníku cos φ.

Filtrace harmonických

Další doplňující funkce zařízení STELCOM® pak více souvisí s celkovými požadavky na kvalitu napětí v síti. V případě, že je napětí sítě zkresleno harmonickými, pak je možné pomocí rozšířené funkce STELCOMu přejít do potlačení některých harmonických a tím vylepšit tzv. opravdový účiník λ. Zařízení se pak chová současně jako paralelní aktivní filtr, který eliminuje deformační výkon v síti.

Snížení flikru

Jednou z doplňujících funkcí zařízení STELCOM® je možnost zmírnění flikru (blikání) v napájecí síti. Sofistikovaný systém regulace ve sledovaném uzlu sítě umožňuje v rámci výkonových možnosti daného zařízení zmírnit nepříjemný flikr a tím splnit provozovateli DS např. jednu z podmínek standardu ČSN EN 50160.

Symetrizace proudu

Poslední doplňující funkce zařízení STELCOM® je možnost zajistit symetrii odebíraného proudu. To může mít např. velký význam u FVE, které se skládají s většího počtu jednofázových měničů. Zde je pak vhodné využít tuto doplňující funkci k dodatečnému zajištění symetrického odběru proudu v třífázové soustavě.

Stabilita napětí

Je zřejmé, že všechny předchozí vlastnosti v souhrnu znamenají vylepšení kvality napětí v napájecí síti.

Výhody a nevýhody zařízení STELCOM®

Pokud chceme zhodnotit výhody a nevýhody zařízení STELCOM®, je nutno se nejprve zamyslet nad tím, jakým způsobem bychom mohli splnit podmínky pro připojení do DS uvedené v kapitole 2. Pokud vezmeme pouze FVE, tak je zřejmé, že při použití standardních měničů dodává FVE pouze činný výkon. Tento činný výkon pak musí dodávat ještě s maximální účinností, je to základní kritérium ekonomické rentability investice. Proto jsou měniče určené pro FVE optimalizovány a využívají tzv. MPP trackeru, tj. elektronického zařízení, které nastavuje pracovní bod střídačů tak, aby odpovídal aktuálnímu bodu maximálního výkonu připojených panelů. Pokud se „implantují“ vlastnosti zařízení STELCOM® do takových střídačů, tak to je samozřejmě vždy na úkor vlastní účinnosti FVE. Technicky to je však nejlepší řešení.

Stupňovitá regulace

V případě, že bychom chtěli splnit požadavky regulace jalového výkonu pomocí známých dostupných prostředků, tedy např. pomocí stupňovitě spínaných kompenzačních kondenzátorů a stupňovitě spínaných dekompenzačních tlumivek, zbavujeme se možnosti regulovat jalový výkon plynule, nehledě na výrazné zvýšení ztrát celého systému při dekompenzaci.

Kondenzátor a řízený proud tlumivkou

V případě, že bychom použili známý princip označovaný SVC a TCR, tedy spínané kondenzátory a fázově řízený proud tlumivkou, tak sice můžeme plynule regulovat jalový výkon od kapacitní do induktivní oblasti, ale budeme generovat do sítě harmonické proudu a podstatným způsobem zvýšíme ztráty celého systému. Velká nevýhoda takto zvolené regulace jalového výkonu je, že ztráty jsou největší při minimálním kompenzačním proudu.

Nízké ztráty kompenzátoru STELCOM®

Oproti oběma vyjmenovaným způsobům jsou ztráty kompenzátoru STELCOM® úměrné kompenzačnímu proudu, tedy při nulovém kompenzačním proudu jsou téměř zanedbatelné.

Nevýhoda je vyšší cena

Jediná nevýhoda zařízení typu STELCOM® je jeho relativně vysoká cena, pokud se přepočítá na jednotku instalovaného jalového výkonu.

Možnosti využití principu kompenzátoru i v průmyslových sítích

Pozorného čtenáře jistě napadne, že principu zařízení STELCOM® by šlo využít i v průmyslových sítích, zejména, kde jsou kladeny vysoké nároky na rychlost regulace jalového výkonu, filtraci harmonických a celkové vysoké požadavky na zajištění kvality napájecího napětí. Zmiňované zařízení v kapitole 3., známé pod názvem STATCOM se v průmyslových sítích běžně používá. Jedná se většinou o kompenzaci výkonových zařízení, jako jsou obloukové pece, napájení válcoven apod. Zařízení STATCOM je nasazováno do průmyslové sítě v případě, že už není jiná možnost, jak zajistit jinými prostředky připojovací podmínky průmyslové sítě do sítě VN nebo VVN. Vždy se jedná o vysoké zvýšení celkové ceny investice.

Stejné cenové omezení platí i pro průmyslové sítě nízkého napětí v případě použití zařízení STELCOM®.

Související informace se zařízením STELCOM®

Zařízení STELCOM® je ve svém principu nepostradatelným prvkem pro realizaci rozptýlených zdrojů elektrické energie s instalovaným výkonem nad 400 kW připojovaných do distribuční sítě VN. Je určen jako doplněk k zařízení FVE, kde měniče nemají schopnost pracovat s požadovaným účiníkem a neumí komunikovat s řídicím systémem distribuční soustavy nebo jako doplněk regulace účiníku u jiných rozptýlených zdrojů elektrické energie, které tuto možnost také nemají.

Je to jeden z prvních speciálních výrobků, který zajistí splnění požadavků na připojení rozptýlených zdrojů do DS. Reguluje jalový výkon v předepsaném rozsahu a komunikuje s nadřazeným řídicím systémem DS podle požadovaných světových a evropských standardů.

Zvládnutí výkonové elektroniky nám pak umožňuje konstruovat nejenom popsané zařízení typu STELCOM®, ale mnohem sofistikovanější systémy.

Elektronický setrvačník

Pro zajištění kvality elektřiny v sítích nízkého napětí to jsou např. elektronické setrvačníky, které vedle regulace jalového výkonu dokážou také krátkodobě akumulovat elektrickou energii a dodat špičkově činný výkon. Jdou využít zejména v sítích, které nejsou schopny krátkodobě přenést špičkový činný výkon, např. kde se provozují bodové svářečky, katry apod.