Обеспечение качества электроэнергии у сельскохозяйственных потребителей при электроснабжении от солнечной электростанции параллельно с централизованной сетью

Согласно поправкам, внесенным в Федеральный закон N 35-ФЗ, от 27 декабря 2019 года нетрадиционным источникам энергии, принадлежащим частным или юридическим лица разрешено присоединение к централизованной электросети с возможностью выдачи избытков электроэнергии в сеть [3]. В законе указано несколько ограничений для таких объектов: присоединение возможно к объектам электросетевого хозяйства с уровнем напряжения до 1000 Вольт, техническое присоединение объекта микрогенерации должно обеспечивать ограничение мощности не более чем 15 кВт.

Закон рассматривает только вопросы подключения частных электростанций к сети, при этом нормативные документы, требования по нормированию качества электроэнергии, надежности электроснабжения, экологичности, синхронизации сети и объектов распределенной генерации не указаны. Так же, отсутствуют нормы фиксации количества отданной электроэнергии в сеть и ее оплаты.

И⁶⁴                 Агротехника и энергообеспечение. - 2021. - № 1 (30)

Материалы и методы исследования

В ходе исследования проблем качества электроэнергии при электроснабжении от сетевой солнечной электростанции и влияния на работу станции аварийных и послеаварийных режимов наиболее адаптивными средствами исследования является анализ нормативных документов [4, 5, 6] по требованиям к качеству электроэнергии и экспериментальное исследование.

Результаты и обсуждения

В связи с тем, что качество электроэнергии от сетевой солнечной электростанции, а так же эффективность ее работы напрямую зависят от качества электроэнергии в централизованной сети, необходимо сформировать требования по подключению гелиостанции к сети.

Данные требования можно конкретизировать на основе данных о качестве электроэнергии, полученных при анализе существующих нормативных документов [4,5,6] а так же предложений нескольких компаний [7] и от эксплуатации реальной станции (таблица 1).

Таблица 1 – Данные по качеству электроэнергии от действующей солнечной электростанции

Время	Напряжение на выходе инвертора, В	Частота на выходе инвертора, Гц
12.00	234,7	49,97
12.30	228,9	49,96
13.00	235,5	50,02
13.30	236,6	49,97
14.00	231,7	49,98
14.30	230,8	49,98
15.00	237,6	49,96

Исходя из выше сказанного, солнечная электростанция должна быть подключена к электросети только в том случае, если частота и напряжение в точке общего соединения находятся в пределах, указанных в таблице 2, или если иное не указано в Соглашении о подключении между оператором передающей системы и владельцем солнечной электростанции.

Таблица 2 - Требования к частоте и напряжению при подключении солнечной электростанции

Частота	49.0 Hz ≤ f ≤ 51.0 Hz
Напряжение	0.90 u ≤ U ≤ 1.10 pu

Кроме описанных выше характеристик электроэнергии, на качество электроэнергии от сетевого инвертора и на его работу, оказывают существенное влияние ненормальные и аварийные режимы работы централизованной сети.

• -    аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими недопустимыми явлениями (например, КЗ, обрывы проводов); они имеют, как правило, переходный (неустановившийся) характер;

• -    послеаварийные режимы, в которые входят как переходные процессы (например,

вызванные одновременным самозапуском большого числа двигателей), так и установившиеся режимы в новых условиях питания, часто ограниченных по мощности.

Такие режимы работы могут не только исказить выходные параметры электроэнергии от инвертора, но и привести к его выходу из строя. Частичная оценка влияния аварийных режимов сети на солнечную электростанцию проводилось в работе [8]. Авторы показали как искажения тока и напряжения на стороне переменного тока, так и значительное изменение параметров на стороне постоянного тока. Однако, изменение напряжения и тока на входе инвертора может означать либо опрокидывание, либо прорыв сетевого инвертора.

Данные режимы характеризуются отклонениями от нормального режима работа сети, требуют детального изучения, возможности прогнозирования и корректного подбора и использования различных видов защит. Все эти режимы влияют как на качество параллельной работы солнечных электростанцийс централизованной электрической сетью, так и на сохранность, время эксплуатации, стабильность работы оборудования фотоэлектростанции.

Похожее исследование проводилось в статье [8, 9] на базе имитационной модели разработанной впрограмме Simulink. В результате моделирования показано значительное изменение параметров станции не только на стороне переменного тока, но и на стороне постоянного тока.

Исследование влияния аварийных и послеаварийных режимов на работу солнечной электростанции и выходные параметры электроэнергии необходимо провести на реальной станции. Такое исследование проводилось с помощью построенной сетевой электростанции мощностью 1,1 кВт. Территориально она расположена в Романовском районе Саратовской области. Схема СЭС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 -Схема сетевой солнечной электростанции

В основе СЭС такой мощности лежат 4 современные солнечные монокристаллические панели (СП) марки TWSolarTW310MWP-60-H мощностью 310 Вт каждая. Одна панель содержит в себе 60 солнечных элементов. Монтаж солнечных панелей проводился на крыше дворовой постройки. Место монтажа выбиралось исходя из направления солнечных панелей на юг, отсутствия факторов, влияющих на затенение панелей и удобства проведения работ по установки и подключению панелей. Панели закреплены на каркасах жестко, с возможностью естественной вентиляции (рисунок 2).

Рисунок 2 – Установленные солнечные панели

Для преобразования постоянного тока в переменный выбран инвертор марки Sofar 1100TL-G3 производства компании SofarSolar (рисунок 3). Инвертор обладает пиковой мощностью 1,1 кВт.

Рисунок 3– Установленный инвертор Sofar

На рисунке 4 представлены ток во время короткого замыкания на выходе инвертора (а) и ток у потребителя (б). Можно выделить существенное снижение тока от солнечной электростанции. Оставшийся ток может идти на подпитку точки короткого замыкания и поддержание аварийного режима. При этом наблюдается полное отсутствие тока у потребителя. Так же при снятии аварийного режима можно наблюдать незначительное повышение тока как на инверторе так и у потребителя и последующее возвращение его к номинальному режиму.

При рассмотрении графиков описывающих напряжение можно видеть экспоненциальное снижение напряжения на выходе инвертора (рисунок 2 в) и резкое снижение тока у потребителя (рисунок 2 г). Так же, следует отметить кратковременную рассинхронизацию по напряжению при снятии короткого замыкания как у потребителя так и на выходе инвертора. Данные графики позволяют оценить влияние аварийных режимов на отклонение напряжения на выходе станции.

а)

б)

Рисунок 4 – Результаты эксперимента: а) ток на выходе инвертора, б) ток у потребителя, в) напряжение на выходе инвертора, г) напряжение у потребителя

Выводы

Использование солнечных электростанций в агропромышленном комплексе позволяет решать различные задачи – экономия электроэнергии, сохранение тепла (при расположении панелей на крышах теплиц), сокращение потерь электроэнергии при ее передаче).

Анализ нормативных документов показал, что имеющиеся нормативные базы, регламентирующие способы, количество, качество и учет сгенерированной частными электростанциями энергии и передачи ее излишков в централизованную сеть, не соответствуют, а в некоторых случаях противоречат друг другу. На основе результатов проведенного исследования разработаны требования по подключению и работе солнечной электростанции совместно с централизованной сетью, а так же требования по качеству электроэнергии, выдаваемой станцией в сеть. Проведенные исследования позволяют оценить изменения выходных параметров станции в зависимости от тяжести аварийных режимов в сети, а так же влияние выходных параметров станции на значения тока и напряжения у потребителя. Результаты данного исследования так же подтверждены моделированием, проведенным в Simulink с помощью разработанной имитационной модели[10].

Проведённое экспериментальное исследование и моделирование работы станции параллельно с электрической сетью позволило оценить влияние аварийных режимов работы сети на станцию и потребителя. Анализ результатов моделирования позволяет подобрать оптимальную защиту от аварийных режимов (коротких замыканий). Подключение к электрической сети солнечных электростанций не только количественно изменяет характеристики электрических режимов. Влияние гелиостанций на функционирование релейной защиты и автоматики определяется главным образом типом, способом подключения (инверторное), а так же долей в составе энергорайона.

ENSURING THE QUALITY OF ELECTRIC POWER FOR AGRICULTURAL CONSUMERS WITH POWER SUPPLY FROM A SOLAR POWER PLANT IN PARALLEL WITH A CENTRALIZED MAINS

O.V. Leshtayev, N.A. Stushkina

Russian Timiryazev State Agrarian University