Ochrona przed wyspami w falownikach fotowoltaicznych: jak to działa i dlaczego jest to ważne

Zabezpieczenie przed pracą wyspową jest obowiązkowym elementem bezpieczeństwa każdego falownika fotowoltaicznego podłączanego do sieci — jednak leżące u jego podstaw mechanizmy są często słabo rozumiane przez producentów EPC i integratorów systemów. W tym artykule wyjaśniono, czym jest tworzenie wysp, jak działają pasywne i aktywne metody wykrywania, jakie mają zastosowanie światowe standardy oraz w jaki sposób serie SG-CX i SH firmy Sungrow wdrażają i certyfikują funkcję zapobiegania wyspom na wielu rynkach.

Co to jest wyspiarstwo i dlaczego jest niebezpieczne?

Wyspy ma miejsce, gdy podłączony do sieci inwerter fotowoltaiczny w dalszym ciągu generuje i dostarcza energię do części sieci lokalnej po odłączeniu sieci elektroenergetycznej – czy to z powodu planowanego przestoju, usterki, czy działania znajdującego się powyżej przekaźnika zabezpieczającego. Falownik, nadal zasilany przez panel fotowoltaiczny, utrzymuje napięcie i częstotliwość w segmencie sieci, który według niego jest pod napięciem. W rzeczywistości segment ten jest odizolowany od głównego systemu energetycznego, tworząc w efekcie małą „wyspę”.

Konsekwencje są poważne. Pracownicy terenowi użyteczności publicznej pracując na linii, która według nich jest pozbawiona napięcia, naraża się na ryzyko porażenia prądem elektrycznym ze strony wyspy zasilanej falownikiem, której nie jest w stanie przewidzieć. Automatyczne ponowne zamykanie — urządzenia zabezpieczające, które na krótko odłączają i ponownie łączą zwartą linię w celu usunięcia zwarć przejściowych — mogą podejmować próbę ponownego zasilenia linii, która jest poza fazą z wyspą, powodując gwałtowne stany przejściowe, które uszkadzają sprzęt po obu stronach reklozera. Niedopasowanie faz pomiędzy wyspą a siecią powracającą może zniszczyć silniki, transformatory i wrażliwe obciążenia podłączone w dół rzeki.

Z tych powodów praktycznie każdy kodeks sieci na świecie wymaga, aby falownik podłączony do sieci wykrywał utratę odniesienia do sieci i odłączał się w określonym czasie — najczęściej 2 sekundy utraty sieci, chociaż włoska CEI 0-21 wymaga odłączenia w ciągu 0,1 sekundy w określonych warunkach częstotliwości. Zgodność jest weryfikowana przez laboratoria badań typu i potwierdzana podczas procesu zatwierdzania przyłączenia do sieci.

Pasywne wykrywanie wysp

Pasywne metody wykrywania polegają na ciągłym monitorowaniu parametrów sieci i wyłączaniu falownika, gdy którykolwiek parametr wykracza poza normalne okno robocze. Nie jest wymagane żadne celowe zakłócanie sygnału wyjściowego falownika — falownik po prostu obserwuje i reaguje. Kluczowe parametry pasywne to:

• Nadmierne/za niskie napięcie (OUV): Jeżeli obciążenie wyspy nie jest idealnie dopasowane do mocy wyjściowej falownika, napięcie będzie się wahać. Falownik monitoruje napięcie prądu przemiennego i wyłącza się, jeśli przekroczy ono zdefiniowany zakres (np. 85–110% wartości znamionowej).
• Częstotliwość nad/pod częstotliwością (OUF): Podobnie brak równowagi mocy na wyspie powoduje dryf częstotliwości. Falownik wyłącza się awaryjnie w przypadku odchylenia częstotliwości (np. poza 47,5–51,5 Hz dla systemu 50 Hz).
• Szybkość zmiany częstotliwości (ROCOF): Zamiast czekać, aż częstotliwość spadnie do progu wyłączenia, ROCOF wykrywa tempo zmian — szybko zmieniająca się częstotliwość sygnalizuje nagłą utratę odniesienia do sieci. Przekaźniki ROCOF są szeroko stosowane na rynkach europejskich (VDE-AR-N 4105, G99).
• Przesunięcie wektora: Wykrywa nagły skok kąta fazowego przebiegu napięcia, który ma miejsce, gdy sieć zostaje odłączona, a system wyspowy traci odniesienie fazowe. Szczególnie skuteczny w wykrywaniu dużych zdarzeń w sieci.

Metody pasywne są proste obliczeniowo, nie powodują zakłóceń w sieci i szybko reagują w przypadku znacznego braku równowagi mocy. Ich słabością jest strefa niewykrywalna (NDZ): jeśli obciążenie wyspy będzie ściśle odpowiadać mocy czynnej i biernej falownika w momencie odłączenia, napięcie i częstotliwość mogą przez czas nieokreślony pozostawać w normalnym paśmie pracy. Problem NDZ jest główną motywacją do dodawania aktywnych metod wykrywania obok pasywnych.

Aktywne wykrywanie wyspowania

Metody aktywne celowo wprowadzają niewielkie, kontrolowane zakłócenia na wyjściu falownika. Gdy falownik jest podłączony do sieci, duża pozorna impedancja sieci pochłania zakłócenia bez mierzalnego efektu. W przypadku pracy wyspowej zakłócenia kumulują się – powodując, że napięcie lub częstotliwość wykraczają poza normalne pasmo – a falownik wykrywa własne rosnące odchylenie i wyłącza się. Typowe techniki aktywne obejmują:

• Dryft częstotliwości aktywnej (AFD / AFDPF): Falownik wprowadza niewielkie dodatnie lub ujemne odchylenie do częstotliwości wyjściowej, przesuwając częstotliwość systemu wyspowego w kierunku progu wyłączenia szybciej niż sam dryf naturalny.
• Przesunięcie częstotliwości w trybie poślizgu (SMS): Pętla synchronizacji fazowej falownika jest spolaryzowana, tak że w warunkach wyspowych częstotliwość odchyla się w przewidywalnym kierunku, przyspieszając wykrywanie. SMS to jedna z najczęściej stosowanych metod aktywnych w falownikach z certyfikatem europejskim i australijskim, w tym w serii SG-CX firmy Sungrow.
• Zmiana mocy biernej (RPV): Falownik wprowadza mały impuls mocy biernej; w warunkach wyspowych powstałe odchylenie napięcia przekracza progi detekcji.
• Przesunięcie częstotliwości Sandii (SFS): Ulepszony wariant AFD, w którym odchylenie częstotliwości jest proporcjonalne do obserwowanego odchylenia częstotliwości — zapewniając dodatnie sprzężenie zwrotne, które szybko podnosi częstotliwość wyspową do progu wyłączenia, pozostając jednocześnie praktycznie niezauważalne w sieci pod napięciem.

Metody aktywne skutecznie eliminują NDZ i są wymagane przez większość obecnych przepisów sieciowych wraz z ochroną pasywną. Kompromisem jest bardzo mały stopień zaburzeń jakości energii – mierzony w ułamkach procenta mocy znamionowej – który mieści się w granicach określonych przez normę IEC 62116 i jest niezauważalny w praktyce.

Globalne standardy przeciwdziałania wyspiarstwu

Wymagania dotyczące zapobiegania wyspom są ustalane przez regionalne przepisy sieciowe i wspierane przez międzynarodowe standardy testowe. Poniższa tabela podsumowuje najbardziej odpowiednie ramy dla fotowoltaicznych EPC działających na wielu rynkach.

IEC 62116 to norma dotycząca procedury testowej, a nie kodeks sieci — definiuje, w jaki sposób każda metoda zapobiegania wyspowaniu musi zostać zwalidowana w środowisku testów typu przy użyciu rezonansowego obciążenia RLC w celu symulacji najgorszych warunków NDZ. Falowniki certyfikowane zgodnie z normą IEC 62116 wykazały, że wybrana przez nich kombinacja metod pasywnych i aktywnych wykrywa pracę wyspową w terminie określonym w normie, nawet jeśli wytwarzanie i obciążenie są zrównoważone. Ten certyfikat jest zwykle wymagany jako część aplikacji do podłączenia do sieci G99 lub AS/NZS 4777.

Jak falowniki Sungrow wdrażają funkcję zapobiegania wyspowaniu

Sungrow'a Seria SG-CX komercyjne falowniki łańcuchowe i Seria SH Falowniki hybrydowe wdrażają funkcję zapobiegania wyspiarstwu poprzez podejście warstwowe, które łączy pasywne monitorowanie OUV/OUF/ROCOF z aktywnymi zakłóceniami SMS lub AFD. Konkretna kombinacja zależy od wersji rynkowej i obowiązującego kodu sieci. Warianty oprogramowania sprzętowego specyficzne dla rynku są wstępnie skonfigurowane z prawidłowymi progami wyłączenia, czułością ROCOF i parametrami metody aktywnej dla kraju docelowego — firmy EPC nie muszą ich ręcznie konfigurować podczas uruchamiania, chyba że DNO zażąda ustawień niestandardowych.

Zakres certyfikacji dla obecnych platform stringowych i hybrydowych firmy Sungrow obejmuje IEC 62116, IEEE 1547-2018, VDE-AR-N 4105 i AS/NZS 4777.2, z certyfikatami badania typu dla danego kraju dostępnymi na żądanie za pośrednictwem Econo Solar. Ponieważ oprogramowanie zabezpieczające przed wyspą jest powiązane z rynkową wersją urządzenia, ważne jest, aby już na etapie wyceny zamawiać odpowiedni wariant dla kraju — w niektórych przypadkach możliwa jest modernizacja oprogramowania po dostawie, ale wymaga ona autoryzacji producenta.

Na skalę użytkową falownik centralny i stringowy we wdrożeniach sterownik instalacji firmy Sungrow może uzupełnić zabezpieczenie przed pracą wyspową na poziomie falownika o dodatkowe zabezpieczenie ROCOF i zabezpieczenie przekaźnika z przesunięciem wektorowym w punkcie połączenia, zapewniając architekturę zapewniającą dogłębną ochronę, która spełnia rygorystyczne wymagania dotyczące połączeń wzajemnych. Ustawienia można konfigurować poprzez iSolarCloud lub Modbus TCP i może być regulowany przez upoważniony personel posiadający odpowiednie uprawnienia dostępu.

Uruchomienie i testowanie zabezpieczenia przeciwwyspiarskiego

Weryfikacja zachowania zapobiegającego wyspowaniu podczas testów akceptacji lokalizacji (SAT) jest wymogiem przyłączenia do sieci w większości jurysdykcji i praktyczną koniecznością przed podpisaniem odbioru technicznego. Standardowe podejście do weryfikacji, do którego odwołuje się norma IEC 62116, wykorzystuje: symulator siatki lub kontrolowany test wyłączenia przekaźnika w celu potwierdzenia, że falownik odłącza się w określonym przez kod oknie czasowym w warunkach obciążenia zbliżonego do zrównoważonego.

Praktyczna procedura SAT dla większości projektów składa się z trzech kroków: po pierwsze, upewnij się, że wersja oprogramowania sprzętowego falownika jest zgodna z wariantem poddanym testom typu i zatwierdzonym; po drugie, wykonaj test wyłączenia przekaźnika, otwierając wyłącznik sieciowy poprzedzający, podczas gdy falownik generuje na reprezentatywnym poziomie wyjściowym (zwykle 50–100% mocy znamionowej), i sprawdź, czy falownik w wymaganym czasie wyzwala wyłącznik przeciw wyspiarstwu; po trzecie, należy udokumentować czas zadziałania, zastosowaną metodę i wersję oprogramowania sprzętowego w protokole uruchomienia, który należy przedłożyć DNO lub operatorowi sieci.

W przypadku projektów, w których DNO wymaga testów z udziałem świadka – powszechnych w Wielkiej Brytanii w ramach G99 i w Australii w ramach umów przyłączeniowych AS/NZS 4777 – Econo Solar może dostarczyć certyfikaty testów typu i szablony dokumentacji rozruchowej, których oczekują operatorzy sieci. Przygotowanie tej dokumentacji przed datą egzaminu SAT pozwala uniknąć najczęstszej przyczyny opóźnień w uruchomieniu średnich i dużych komercyjnych projektów fotowoltaicznych.