Компенсиране на реактивна мощност при фотоволтаични инсталации

Управлението на реактивната мощност е важна част от цялостното регулиране на напрежението в електропреносните мрежи. Тя може да бъде генерирана като средство за повишаване нивата на напрежение или да бъде погълната и по този начин да доведе до понижаване на напрежението.

Операторите координират устройствата за компенсация на реактивна мощност чрез стабилизатори на напрежението - превключвателни автотрансформатори при източника или по дължина на захранващите линии, и стъпални превключватели, които позволяват стъпаловидно регулиране на напрежението.

При ниски товари преносната мрежа генерира реактивна мощност, която трябва да бъде погълната, докато при високи товари системата консумира голямо количество реактивна мощност, което трябва да бъде компенсирано. Изискванията на системите по отношение на реактивната мощност също зависят от конфигурацията на генериране и пренос.

Вследствие на това те варират спрямо измененията в нивата на натоварване и генериране на енергия. Въпреки че конвенционалните синхронни генератори могат да вкарат реактивна мощност в мрежата или да погълнат излишната такава, при това с голяма скорост, експлоатационните разходи, свързани с този метод на управление на напрежението, са относително високи.

Затова операторите на комуналните дружества търсят начини за свеждане до минимум на обмена на реактивна мощност между електропреносната мрежа и генераторите, които работят съгласно определен от системните оператори график за напрежението. В случаи на прекъсване, например поради повреден генератор или преносна линия, възбудителната система на синхронния генератор динамично ще инжектира или погълне реактивна мощност до стабилизиране на напрежението в мрежата.

Динамични и статични устройства

За поддържане на резервния капацитет от реактивна мощност на генераторите за непредвидени случаи, когато е необходимо регулиране на напрежението, системните оператори могат да предпочетат да добавят реактивно или капацитивно съпротивление към преносната система.

От една страна, включването на индуктори редуцира напрежението в точката на свързване чрез поглъщане на реактивната мощност от системата; от друга страна, това повишава шинното напрежение в точката на свързване чрез вкарване на реактивна мощност в системата.

Докато системните оператори използват индуктори за контрол на нивата на високо напрежение в преносните системи, кондензаторите се употребяват предимно с цел управление на нивата на ниско напрежение както в преносните, така и в разпределителните мрежи.

Един от недостатъците на използването на статични устройства като индукторите и кондензаторите за управление на напрежението е, че скоростта на реакция е относително ниска (от порядъка на няколко секунди или минути) в сравнение с тази на динамичните устройства, които са непрекъснато променливи и могат да реагират много по-бързо.

Индукторите и кондензаторите са дискретни устройства с двоен контрол - те са или включени, или изключени. Процесът на включването или изключването им може да доведе до колебания в напрежението в електроенергийната система.

За случаи, когато се изисква по-бърз и плавен контрол на реактивната мощност, проектантите на електроенергийни мрежи включват синхронни кондензатори, статични компенсатори и статични синхронни компенсатори. Синхронните кондензатори са ротиращи се машини, които само осигуряват поддържане на реактивната мощност, без да генерират реална мощност.

Статичните компенсатори съчетават конвенционалните кондензатори и индуктори с високоскоростно превключване, което позволява постоянно, а не стъпаловидно управление. Статичните синхронни компенсатори са електронни устройства, които вкарват или поглъщат реактивна мощност чрез генериране на напрежение, което е по-високо или ниско от това в шината. Въпреки че не са синхронни машини, статичните и статичните синхронни компенсатори се класифицират като устройства за динамичен реактивен контрол заради бързата им реакция и променливата изходна величина.

Разпределено производство

Тъй като електроенергийната мрежа не е проектирана да отчита разпределено производство и двупосочни потоци, системните оператори и регулатори третират разпределеното фотоволтаично производство като променлив отрицателен товар. Следователно, повечето свързани към мрежата инвертори на ниво разпределение работят при фактор на мощността единица.

Въпреки че тази практика позволява интегрирането на фотоволтаични системи в електроенергийната мрежа при ниски нива на навлизане, с нарастване на техния дял тя увеличава предизвикателствата пред системните оператори.

С вкарването на PV мощност напрежението в разпределителната система се повишава, като относителното въздействие на това увеличение варира в зависимост от мястото на вкарване на мощността, количеството генерирана енергия спрямо минималните и максималните дневни товари, променливостта на слънчевия ресурс и т. н.

Третирането на разпределеното PV производство като отрицателен товар не само пренебрегва тези въздействия върху напрежението, но и ограничава големината на фотоволтаичния капацитет, който би могъл да бъде свързан към мрежата, без да се прави компромис с качеството на енергията и надеждността на системата.

PV инверторите обаче принципно могат да поглъщат реактивна мощност в точката на свързване, за да се избегне пренапрежение, както и да вкарат реактивна мощност в системата при падове на напрежението. Освен това, ако инверторите участват в управлението на напрежението и реактивната мощност, операторите на комуналните дружества ще могат да осигурят по-високи нива на навлизане на PV.

Високите нива на навлизане на PV в електроенергийната мрежа представляват както предизвикателство, така и възможност за комуналните дружества. Бързо изменящата се слънчева радиация може да доведе до падове или пикове на напрежението, които бавнодействащото оборудване не може да компенсира.

Това в крайна сметка води до влошаване качеството на услугата. Бързо реагиращите на реактивна мощност PV инвертори могат да позволят необходимото й доставяне или поглъщане за поддържане на напрежението при трудни преходни условия. Като странична полза контролът на реактивна мощност от всеки един инвертор осигурява възможност и нов начин за разпределителните дружества да оптимизират работните характеристики на мрежите, например чрез намаляване на топлинните загуби до минимални нива.

Въпреки че в бъдеще се очаква дружествата да управляват директно PV инверторите посредством устойчива комуникационна мрежа, все още не са въведени изисквания за тяхната употреба за управление на реактивната мощност. Потенциалът за координирано използване на инверторите е невероятен, но пречките за реализацията му са все още прекалено големи.

На теория, координираното по подходящ начин управление на реактивна мощност при всяка инсталация би благоприятствало цялостната работа на комуналните дружества. Това обаче би довело и до много проблеми, като например необходимостта от сключване на договори за допълнителни услуги, изготвянето на нови технически стандарти и методи за управление на сигурността.

В краткосрочен план операторите на комунални дружества могат да използват възможностите на инверторите за елиминиране на проблеми, свързани с бързото изменение на слънчевата радиация. Това обаче ограничава употребата на инверторите само в рамките на фотоволтаичната система, а не за цялостно подобряване експлоатацията на разпределителната мрежа.

Възможности на инверторите

Съвременните инвертори предоставят множество възможности, включително поддържане на реактивна мощност с цел по-добро свързване с електропреносната мрежа. Тези електронни устройства са усъвършенствани дотолкова, че с една команда може да се регулира желаният фактор на мощността.

Според един от водещите производители на инвертори, те са все по-икономически изгоден източник на реактивна мощност. Цената им спада 3 до 4 пъти по-бързо от цената на традиционните компенсатори като статичните синхронни или кондензаторите в блок. Чрез използването им за поддръжка на реактивна мощност могат да бъдат елиминирани разходите и комплексността на процедурата по намаляване фактора на мощността по други начини.

Свързаните към мрежата инвертори работят чрез превръщане на постоянното напрежение в променливо при висока честота, обикновено чрез използването на техника за широчинно-импулсна модулация. Когато инверторите работят при фактор на мощността единица, това става в синхрон с формата на напреженовия сигнал на системата.

Въпреки това е възможно също един инвертор да отклони формата на сигнала от комуналното дружество посредством управление на закъснението в превключващите устройства. Това създава подцикъл от обмен на енергия между кондензатора на инвертора и мрежата, което повишава изходящия от него ток и води до съответно повишение или понижение на напрежението в мрежата, в зависимост от посоката на потока от реактивна мощност.

Допълнителният поток не допринася за действителния ток, който генерира инверторът, нито консумира енергия от фотоволтаичната инсталация. С нарастване на отклонението между формата на токовия сигнал на инвертора и напреженовия сигнал на мрежата, обменът на енергия и ток се увеличава.

По този начин инверторите регулират фактора на мощността, поглъщането или генерирането на реактивна мощност в зависимост от посоката, в която е отклонен сигналът. Независимо че с управлението на реактивната мощност не се консумира енергия директно, ползването на инвертор при фактор на мощността единица може леко да увеличи експлоатационните разходи.

Експлоатационна ефективност

Ако един инвертор поддържа нивата на номиналната изходна мощност и в същото време генерира реактивна мощност, загубите от проводимост леко нарастват поради увеличението на тока. Например ако инверторът е с изходящ променлив ток от 2710 A при номиналната му мощност, изходящият ток ще е приблизително 3000 A при същото ниво на мощност и фактор 0,91.

Въпреки надделяването на ползите от възможността за управление на реактивната мощност над тези малки загуби в ефективността, производителите на инвертори трябва да отчетат тези по-високи нива на ток при проектирането им.

Ограничения

Теоретично, допустимото токово натоварване от един PV инвертор може да се използва за генериране или консумация на реактивна мощност. Освен това, тъй като управлението на реактивна мощност не изисква енергия от PV инсталацията, инверторите могат да осигуряват реактивна мощност през нощта. На практика обаче производителите ограничават диапазона на фактора на мощността и не проектират PV инверторите така, че да осигуряват реактивна мощност. В допълнение контролните системи обикновено спират инверторите през нощта, за да се елиминират загуби.

Типичните PV инвертори могат да поглъщат или генерират реактивна помощ при частична номинална мощност. Осъществяването на това при пълна номинална мощност изисква допълнителен капацитет на инвертора за справяне с активния и реактивния поток. Предвид че цената на инвертора е свързана с номиналната мощност, доставянето на реактивна мощност при пълна мощност означава, че инверторът трябва да бъде по-голям за същия размер на PV инсталацията.

Поради тези причини производителите на PV инвертори предвиждат максималната номинална мощност да се ползва за производство на действителна мощност. Това обаче започва да се променя заради еволюиращите технически изисквания. Инверторите са токоограничени устройства и производителите имат избор при проектирането на системата им за управление.

Те могат да направят максималното токово натоварване достъпно за реална мощност или да запазят част от него като резерв. По този начин инверторът ще има функционалност по отношение на реактивната мощност при номиналната си мощност, работейки като конвенционален синхронен генератор.