Schopnost ostrovního provozu se zatížením

Podrobný popis schopnosti ostrovního provozu se zatížením u PCS

Tento dokument popisuje hranice schopnosti PCS (měniče akumulace energie) v ostrovním/islotovém provozním režimu pro přímé spínání transformátorů a motorů a pravidla dimenzování kapacity při současném provozu více zátěží. Níže uvedený text rozebírá jednotlivé body.

I. Terminologické předpoklady

• Síť-sledující PCS (Grid-Following, GFL): Vyžaduje jako referenci napětí sítě, sám nevytváří napětí, má omezenou přetížitelnost (obvykle 1,1–1,2násobek jmenovitého výkonu, dlouhodobě 1,0–1,1násobek).
• Síť-tvořící PCS (Grid-Forming, GFM): Sám je schopen vytvořit referenci napětí a frekvence, lze jej považovat za „virtuální generátor", má vysokou přetížitelnost (okamžitě až 3násobek jmenovitého výkonu, za 3–10 sekund klesne na 1,5násobek).
• Pn / In: Jmenovitý výkon / jmenovitý proud PCS.
• PA / PB / PC: Výkonové hladiny již ustáleně provozované zátěže, nově spínaného transformátoru a nově spínané jiné rázové zátěže.

II. Bod 1 — Přímé spínání transformátoru v ostrovním režimu PCS

1.1 Fyzikální pozadí: Magnetizační zapínací proud transformátoru

V okamžiku připnutí transformátoru naprázdno se vlivem zbytkového magnetismu jádra a nepříznivého fázového posunu napětí vinutí dostane do hluboké magnetické saturace a objeví se zapínací proud o amplitudě dosahující 6–8násobku jmenovitého proudu, trvající 0,5–2 sekundy. Toto je takzvaný „zapínací zapínací proud / magnetizing inrush".

Zapínací proud není skutečný výkon zátěže, nýbrž jalový proud (magnetizační proud), ale jeho proudová amplituda je obrovská a spouští ochrany PCS nebo snižuje napětí sběrnice.

1.2 Výklad pravidla

Praktický význam: Při uvádění do provozu v ostrovním režimu, pokud je projektový transformátor ≥ 0,5Pn, musí být použit síť-tvořící typ, nebo musí být zvolen spínací systém s předmagnetizací / softstartem (například spínací přístroj s předpínacím odporem, transformátor se softstartem).

III. Bod 2 — Přímé spínání motoru v ostrovním režimu PCS

2.1 Fyzikální pozadí: Ráz při přímém spuštění motoru

Při přímém spuštění asynchronního motoru (DOL, Direct-On-Line): - V okamžiku rozběhu je skluz s = 1, ekvivalentní odpor rotoru je velmi malý; - Rozběhový proud je obvykle 6–10násobek jmenovitého proudu; - Rozběhový moment je také velký (přibližně 1,5–3násobek jmenovitého momentu); - Doba trvání 1–3 sekundy.

V tomto oddíle je konzervativně uvažován 10násobek jako koeficient rázu.

2.2 Výklad pravidla

Požadavek:

$$\boxed{I_{\text{ráz}} = 10 \times I_{n,\text{motor}} \le I_{n,\text{PCS}}}$$

tedy $10 \times 0,1 P_n \le P_n$ právě vymezuje horní hranici na jmenovitý proud PCS. Proto výkon jednoho motoru musí být ≤ 0,1 Pn.

Příklad: 1000 kW PCS (síť-tvořící) může přímo spustit maximálně jeden motor o výkonu 100 kW. Větší motory musí být spouštěny prostřednictvím frekvenčního měniče / softstartéru / přepínače hvězda–trojúhelník apod.

IV. Bod 3 — Současný provoz více zátěží

Pravidlo dimenzování PCS, když je již stabilně provozována zátěž PA a přidává se nová zátěž.

4.1 Přidání přímo spínaného transformátoru (PB)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1,5 \cdot P_A + 2 \times 2 \cdot P_B = 1,5 P_A + 4 P_B}$$

Význam jednotlivých členů:

Proč se u transformátoru přidává samostatný 2násobek? Protože zapínací proud transformátoru je jalový ráz, nespotřebovává činný výkon, ale výrazně zabírá proudovou kapacitu. Rezerva musí být dimenzována podle proudové schopnosti, nikoli podle průměrného výkonu.

4.2 Přidání jiné rázové zátěže (PC)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1,3 \cdot P_A + P_C}$$

Příslušné scénáře: přímé spuštění ventilátoru / frekvenční softstart / softstart se sériovou tlumivkou / spínání kompenzačních kondenzátorů / velká usměrňovací zařízení atd.

Referenční koeficienty přímého spuštění: přímé spuštění ventilátoru (velký axiální) 5–7×; frekvenční softstart 1,5–2×; softstart se sériovou tlumivkou 3–4×. Protože ráz je již omezen, v PC je implicitně zahrnuto snížení výkonu řídicí strategií a PC se přičítá přímo.

V. Koeficient snížení výkonu při paralelním řazení

Při paralelním řazení více PCS se vyskytuje jev cirkulačních proudů / nerovnoměrného rozložení proudu (i u stejného modelu existují drobné rozdíly v úbytku napětí na IGBT, přesnosti měření a modulačním zpoždění), proto je nutné snížit jmenovitý výkon:

Konečný vzorec pro dimenzování se stává:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1,5 P_A + 4 P_B \text{(nebo } 1,3 P_A + P_C\text{)}}{k_{\text{paralelní}}}$$

kde $k_{\text{paralelní}} = 0,95$ nebo $0,90$.

VI. Souhrnný příklad (pro upevnění pochopení)

Scénář: Síť-tvořící PCS, jedna jednotka 1000 kW, již nese stabilní zátěž 300 kW, nově se připojuje transformátor 200 kVA a motor 90 kW s přímým spuštěním.

1. Lze transformátor přímo spínat? 200 kVA > 0,5 × 1000 = 500 ❌ výkon jedné jednotky by nestačil, ale zde je poměr 200 / 1000 = 20 %, přímé spínání je možné.
2. Lze motor přímo spustit? 90 kW / 1000 = 9 % < 10 % ✅ přímé spuštění je možné.
3. Celkový výpočet kapacity (podle pravidla pro transformátor):

$$P_{\text{PCS}} \ge 1,5 \times 300 + 4 \times 200 = 450 + 800 = 1250 \text{ kW}$$

Jedna jednotka PCS tedy nestačí, je nutné zvýšit na 1250 kW / 2 jednotky paralelně a při snížení výkonu 0,95:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1250}{0,95} \approx 1316 \text{ kW}$$

→ Vyberte 2 × 800 kW = 1600 kW PCS, s větší bezpečnostní rezervou.

VII. Klíčové shrnutí

1. PCS v ostrovním režimu není elektrická síť, nemá „nekonečný zdroj energie", který by absorboval rázy, spínanou kapacitu je nutné počítat podle nejhoršího případu;
2. Transformátor je největším skrytým zdrojem rázu (zapínací proud 6–8×), proto se pro něj samostatně přidává 4násobný koeficient;
3. Přímé spuštění motoru je druhým zdrojem rázu, ale horní hranice výkonu je pouze 10 % Pn, v praxi se obvykle kombinuje s frekvenčním měničem / softstartérem;
4. Paralelní řazení vždy vyžaduje snížení výkonu, nejde o nedostatečnost algoritmu pro vyrovnání proudů, nýbrž o nevyhnutelnou fyzikální nehomogenitu součástek;
5. Všechna tato čísla obsahují konzervativní inženýrské rezervy jako buffer pro anomální provozní podmínky v terénu, nejedná se o teoretické hodnoty z učebnic.