Изолирование — это преднамеренное или непреднамеренное разделение взаимосвязанной электросети на отдельные разъединенные регионы с собственной выработкой электроэнергии .
Намеренное островное разделение часто выполняется в качестве глубокой защиты для смягчения каскадного отключения электроэнергии . Если один остров рухнет, он не потянет за собой соседние острова. Например, атомные электростанции имеют критически важные для безопасности системы охлаждения, которые обычно питаются от общей сети. Контуры охлаждения обычно находятся в отдельном контуре, который также может работать от мощности реактора или аварийных дизель-генераторов в случае обрушения сети. [1] [2]
Сетевые конструкции, которые позволяют изолировать их вблизи уровня потребителя , обычно называются микросетями . В случае отключения электроэнергии контроллер микросети отключает локальную цепь от сети на выделенном коммутаторе и заставляет все подключенные распределенные генераторы питать локальную нагрузку. [3] [4]
Непреднамеренное изолирование является опасным условием, которое может вызвать серьезную нагрузку на генератор, так как генератор должен соответствовать любым изменениям электрической нагрузки в одиночку. Если об этом не сообщать работникам линии электропередач , непреднамеренное изолирование также может представлять риск поражения электрическим током . В отличие от обесточенных проводов, для повторного подключения к более крупной сети требуются специальные методы, поскольку переменный ток, который они переносят, не находится в фазе . По этим причинам солнечные инверторы , предназначенные для подачи питания в сеть, как правило, должны иметь некую автоматическую схему анти-изолирования, которая закорачивает панели, а не продолжает питать непреднамеренный остров.
Методы, которые обнаруживают острова без большого количества ложных срабатываний, являются предметом значительных исследований. Каждый метод имеет некоторый порог, который необходимо преодолеть, прежде чем состояние будет считаться сигналом прерывания сети, что приводит к « зоне необнаружения » (NDZ), диапазону условий, в котором реальный сбой сети будет отфильтрован. [5] По этой причине перед развертыванием в полевых условиях инверторы, взаимодействующие с сетью, обычно тестируются путем воспроизведения на их выходных клеммах определенных условий сети и оценки эффективности методов анти-островка при обнаружении условий острова. [4] [6]
Преднамеренное выделение электроэнергии из сети разделяет электрическую сеть на фрагменты с достаточной выработкой электроэнергии в каждом фрагменте для питания нагрузок этого фрагмента. [7] [8] На практике сбалансировать выработку и нагрузку в каждом фрагменте сложно, и часто формирование островов требует временного сброса нагрузки . [9] [10] Синхронные генераторы могут не обеспечивать достаточной реактивной мощности для предотвращения серьезных переходных процессов во время образования островов, вызванных неисправностью, [11] и любые инверторы должны переключаться с управления постоянным током на управление постоянным напряжением . [12]
Предполагая P≠NP , не существует хорошего критерия набора разрезов для реализации островков. Существуют полиномиальные приближения , но нахождение точных оптимальных разделов может быть вычислительно невыполнимым . [8] [9]
Однако, изолирование локализует любые сбои в ограничивающем острове, предотвращая распространение сбоев. [13] В целом, статистика отключений подчиняется степенному закону , так что фрагментация сети увеличивает вероятность отключений, но снижает общий объем неудовлетворенного спроса на электроэнергию. [14]
Изолирование снижает экономическую эффективность оптового рынка электроэнергии [10] и обычно является последним средством, применяемым, когда известно, что сеть нестабильна, но еще не вышла из строя. [8] В частности, изолирование повышает устойчивость к угрозам с известным временем, но не местоположением, таким как террористические атаки , военные удары по электротехнической инфраструктуре или экстремальные погодные явления. [15]
После отключений электроэнергии в Калифорнии в 2019 году возрос интерес к возможности эксплуатации электросети дома в качестве острова. Хотя типичные системы распределенной генерации слишком малы для питания всех приборов в доме одновременно, они могут управлять критически важными потребностями домохозяйства в электроэнергии с помощью традиционного управления частотой нагрузки . Модули, установленные последовательно между генератором и большими нагрузками, такими как кондиционеры и электрические духовки, измеряют частоту питания острова и выполняют автоматическое отключение нагрузки, когда инвертор приближается к перегрузке . [ требуется цитата ]
Автоматическое обнаружение острова является предметом значительных исследований. Они могут выполняться пассивно, ища переходные события в сетке; или активно, создавая небольшие экземпляры этих переходных событий, которые будут незначительны в большой сетке, но обнаруживаемы в маленькой. Активные методы могут выполняться локальными генераторами или «выше по течению» на уровне утилиты. [16]
Многие пассивные методы основаны на внутреннем напряжении работы острова. Каждое устройство в острове составляет гораздо большую долю общей нагрузки, так что 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 , и сдвиги напряжения и частоты обычно используются вместе с другими сигналами. [17]
Активный аналог обнаружения сдвига напряжения и частоты пытается измерить общее сопротивление , подаваемое инвертором. Когда схема подключена к сети, напряжение почти не реагирует на небольшие изменения тока инвертора; но остров будет наблюдать изменение напряжения. В принципе, этот метод имеет исчезающе малую NDZ, но на практике сеть не всегда является бесконечно жестким источником напряжения , особенно если несколько инверторов пытаются измерить сопротивление одновременно. [18] [19]
В отличие от сдвигов, случайная цепь вряд ли будет иметь характерную частоту, соответствующую стандартной мощности сети. Однако многие устройства, такие как телевизоры, намеренно синхронизируются с частотой сети. Двигатели, в частности, могут стабилизировать частоту цепи, близкую к стандартной сети, когда они «затухают». [20]
На уровне коммунального обслуживания 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 дорогостоящем широком предоставлении устройств с высоким импедансом. [21] [22]
В качестве альтернативы, схема защиты от изолирования может полагаться на сигналы, выходящие за пределы полосы . Например, коммунальные службы могут отправлять сигнал отключения через линии связи или телефонную связь. [23] [24]
Некоторые пассивные методы особенно эффективны при использовании генераторов постоянного тока ( инверторных источников ), таких как солнечные панели .
Например, инверторы обычно генерируют сдвиг фаз при изолировании. Инверторы обычно согласуют сигнал сети с помощью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая отслеживает переходы через ноль . Между этими событиями инвертор выдает синусоидальный выходной сигнал, изменяя ток для получения надлежащей формы волны напряжения с учетом нагрузки предыдущего цикла. Когда основная сеть отключается, коэффициент мощности на острове внезапно уменьшается, и ток инвертора больше не выдает надлежащую форму волны. К тому времени, когда форма волны завершится и вернется к нулю, сигнал будет не в фазе. Однако многие общие события, такие как запуск двигателей, также вызывают скачки фаз, поскольку в цепь добавляются новые импедансы. [25]
Более эффективная техника инвертирует фазовый сдвиг островка: инвертор разработан для создания выходного сигнала, слегка не выровненного с сеткой, с ожиданием, что сетка подавит сигнал. Фазовая автоподстройка частоты затем становится нестабильной, когда сигнал сетки отсутствует; система дрейфует от проектной частоты; и инвертор отключается. [26]
Очень надежный метод обнаружения островков ищет отличительные 2-ю и 3-ю гармоники, генерируемые нелинейными взаимодействиями внутри трансформаторов инвертора . Как правило, нет других источников полного гармонического искажения (THD), которые соответствовали бы инвертору. Даже шумные источники, такие как двигатели, не оказывают измеримого искажения на цепь, подключенную к сети, поскольку последняя имеет по существу бесконечную фильтрующую способность. Импульсные инверторы, как правило, имеют большие искажения — до 5%. Когда сеть отключается, локальная цепь затем демонстрирует искажение, вызванное инвертором. [27] Современные инверторы пытаются минимизировать гармонические искажения, в некоторых случаях до неизмеримых пределов, но в принципе просто спроектировать такой, который вводит контролируемое количество искажений для активного поиска образования островков. [28]
Коммунальные службы 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 тарифа на подачу электроэнергии в 2009 году побудило многих сельских потребителей установить небольшие (10 кВт) системы в рамках «освобожденной от мощности» microFIT. Однако Hydro One затем отказалась подключать системы к сети после строительства. [31]
Проблема может быть горячо политической, отчасти потому, что сторонники распределенной генерации считают, что проблема островков в значительной степени предвзята . Тест 1999 года в Нидерландах не смог обнаружить острова распределенной генерации через 60 секунд после сбоя сети. Более того, моменты, когда распределенная генерация соответствовала только распределенным нагрузкам, происходили со скоростью, сопоставимой с 10−6 год −1 , и что вероятность того, что сеть отключится в этот момент времени, была еще меньше, так что «вероятность столкновения с островком [ sic ] практически равна нулю». [32]
Риск непреднамеренного отключения в первую очередь касается синхронных генераторов , как в микрогидроэлектростанциях . В канадском отчете 2004 года сделан вывод о том, что «технология защиты от отключения для систем распределенной генерации на основе инверторов развита гораздо лучше, а опубликованные оценки риска показывают, что современные технологии и стандарты обеспечивают адекватную защиту». [33]
Коммунальные службы обычно утверждают, что распределенные генераторы могут вызвать следующие проблемы: [34] [35]
Первые два утверждения оспариваются в энергетической отрасли . Например, обычная работа линий постоянно сопряжена с риском контакта с проводами под напряжением , а стандартные процедуры требуют явных проверок, чтобы убедиться, что провод обесточен, прежде чем работник к нему прикоснется. Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) могут быть настроены на сигнализацию, если на предположительно изолированной линии неожиданно появляется напряжение. 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, повреждение устройств конечного пользователя в значительной степени предотвращается современными системами обнаружения изолированных систем. [ необходима цитата ]
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 включают ветвь, как только условие неисправности (например, ветвь дерева на линиях) устраняется. Есть некоторые опасения, что реклоузеры могут не включиться повторно в случае острова или что промежуточная потеря синхронизма может повредить распределенные генераторы на острове. Однако не ясно, что реклоузеры все еще полезны в современной практике коммунальных служб, и что выключатели-реклоузеры должны действовать на всех фазах . [38]