Система моніторингу мережевих перешкод GOSSEN METRAWATT

Сонячну електростанцію Tauberland в Вертхайм, Німеччина, введено в експлуатацію в 2010 році. Обладнання, встановлене на етапах будівництва «Схід» і «Захід», видає в цілому потужність приблизно 22 МВт_пік і в даний час забезпечує електроенергією 9000 домашніх господарств. Завдяки запланованій потужності 72 МВт після завершення заключного етапу будівництва, ця сонячна електростанція є не тільки однією з найбільших в Європі фотоелектричних систем, а й однією з найсучасніших і ефективних в своєму класі (див. рисунок 1).

Рисунок 1: Сонячна електростанція Tauberland - Вигляд з повітря

Перетворення сонячного світла в електричну енергію за допомогою даної станції повинно привести до скорочення викидів CO₂ до 5600 тонн на рік. Ця кількість відповідає річним викидам електростанції, що працює на вугіллі, середнього розміру. Дана система займає площу 850 000 квадратних метрів (понад 9 мільйонів квадратних футів) і включає в себе приблизно 180 000 модулів різних виробників (див. рисунок 2).

Рисунок 2: Сонячна електростанція Tauberland - Фотоелектричні панелі	Рисунок 3: Сонячна електростанція Tauberland — Трансформатор 110/20 кВ

По всій системі прокладено близько 4000 кілометрів (2500 миль) ліній зв'язку та силових кабелів, що з'єднують модулі і окремі станції один з одним. Трансформатор 110/20 кВ подає енергію в високовольтну енергосистему, яка належить експлуатуючій компанії EnBW. Трансформатор має номінальну потужність 40 МВА і в 2010 році замінив попереднє рішення. У поточному плані вказується, що після завершення заключного етапу будівництва для подачі електроенергії в енергосистему в цілому будуть використовуватися два трансформатори (рисунок 3).

Витрати на проект становили приблизно 100 млн. Євро і оплачувалися як державними організаціями, так і приватними інвесторами. Подача електроенергії в енергосистему з етапу будівництва «Захід» здійснюється чотирма інверторами загальною потужністю 8 МВт. (Рисунок 4).

Рисунок 4: Схема сонячної електростанції Tauberland

Інвертори оснащені реле для контролю напруги. При перевищенні граничного значення ± 10% реле спрацьовує і відключає інвертори від енергосистеми. 2011 рік був ознаменований високою прибутковістю, але при цьому характеризувався численними відмовами інверторів.

Особливо в дні з мінливою хмарністю відмови відбувалися епізодично і безсистемно на всіх чотирьох пристроях етапу будівництва «Захід». Було потрібно до 5 хвилин, перш ніж інвертори поверталися до роботи. За цей час система не діяла, а експлуатуюча компанія зазнавала збитків. Фінансовий збиток склав близько 400 000 Євро на рік.

Два незалежних органи були уповноважені проводити вимірювання з метою точного визначення причин відмов. Серед інших інструментів для аналізу були використані переносний аналізатор спотворень потужності HBS-Box виробництва компанії HBS Steuerungstechnik, разом з первинними компонентами, включаючи аналізатори спотворень потужності MAVOSYS 10 і MAVOWATT 70 компанії GOSSEN METRAWATT (див. рисунок 5a, 5b).

Рисунок 5a: Аналізатор спотворень потужності Mavowatt 70	Рисунок 5b: Аналізатор спотворень потужності Mavosys 10

Після проведення серії вимірювань на рівні середньої і низької напруги експерти виявили причину: інвертори взаємно впливали один на одного. Робота інверторів надавала зворотний вплив на мережу. Більш того, 15-а і 25-а гармоніки були дуже вираженими.

Сумарний коефіцієнт спотворення гармонік становив 4,4%, що в даний час вважається досить високим (рисунок 6). За допомогою вищезазначених аналізаторів спотворень потужності було визначено, що стався резонансний контур, для якого імпеданс досяг свого максимуму приблизно при частоті 1000 Гц (резонансна частота) через індуктивності трансформатора і ємності кабелю. В результаті подачі гармонійного струму в електромережу був дуже високий рівень 20-ї гармоніки.

Рисунок 6: Загальний сумарний коефіцієнт гармонік напруги у відсотках (записаний з використанням HBS-Box і Mavosys 10)

В результаті високих значень струму і повного опору лінії справжнє середньоквадратичне значення напруги для всієї системи перевищило граничний поріг, спрацював захисний пристрій і інвертори були відключені від енергомережі. Після того, як рівень напруги впав до зазначеного рівня, інвертори знову підключилися до мережі. Залежно від погодних умов інвертори відключалися від мережі декілька разів на день (див. рисунок 7).

Рисунок 7: Характеристичні криві напруги і струму до і після виключення інверторів

Після визначення причин відмов компанія Condensator Dominit з Брилону встановила пасивний фільтр придушення гармонік з сумарною компенсаційною потужністю 174 квар. Фільтр складається з декількох згасаючих конденсаторів з точкою підключення нейтралі (див. рисунок 8).

Рисунок 8: Пасивний фільтр придушення гармонік компанії Condensator Dominit

Ці частотно-залежні резистори в електричному резонансному контурі генерують вузькосмуговий «ефект поглинання» струмів небажаних частот і гасять їх. У той же час зменшується максимальний імпеданс. В результаті гармонійні струми, що подаються в мережу, зводяться до мінімуму, а гармонійні напруги зберігаються в «нормальних» межах.

Відразу після введення фільтра в експлуатацію якість напруги покращилася і справжнє середньоквадратичне значення напруги залишалося в межах діапазону допуску з моменту установки фільтра. Як і передбачалося, інвертори з фільтруючим контуром працюють без перебоїв і виконують свою задачу, а саме - подають електричну енергію, яка перетворюється з сонячної енергії, в енергомережу кожен раз, коли вона доступна.