Система мониторинга сетевых помех GOSSEN METRAWATT

Солнечная электростанция Tauberland в Вертхайме, Германия, введена в эксплуатацию в 2010 году. Оборудование, установленное на этапах строительства «Восток» и «Запад», выдает в общей сложности мощность примерно 22 МВт_пик и в настоящее время снабжает электроэнергией 9000 домашних хозяйств. Благодаря запланированной мощности 72 МВт после завершения заключительного этапа строительства, эта солнечная электростанция является не только одной из крупнейших в Европе фотоэлектрических систем, но и одной из самых современных и эффективных в своем классе (см. рисунок 1).

Рисунок 1: Солнечная электростанция Tauberland — Вид с воздуха

Преобразование солнечного света в электрическую энергию посредством данной станции должно привести к сокращению выбросов CO₂ до 5600 тонн в год. Это количество соответствует годовым выбросам электростанции, работающей на угле, среднего размера. Данная система занимает площадь 850 000 квадратных метров (более 9 миллионов квадратных футов) и включает в себя примерно 180 000 модулей различных производителей (см. рисунок 2).

Рисунок 2: Солнечная электростанция Tauberland — Фотоэлектрические панели	Рисунок 3: Солнечная электростанция Tauberland — Трансформатор 110/20 кВ

По всей системе проложено около 4000 километров (2500 миль) линий связи и силовых кабелей, соединяющих модули и отдельные станции друг с другом. Трансформатор 110/20 кВ подает энергию в высоковольтную энергосистему, которая принадлежит эксплуатирующей компании EnBW. Трансформатор имеет номинальную мощность 40 МВА и в 2010 году заменил предварительное решение. В текущем плане указывается, что после завершения заключительного этапа строительства для подачи электроэнергии в энергосистему в общей сложности будут использоваться два трансформатора (рисунок 3).

Расходы на проект составляли примерно 100 млн. евро и оплачивались как государственными организациями, так и частными инвесторами. Подача электроэнергии в энергосистему с этапа строительства «Запад» осуществляется четырьмя инверторами общей мощностью 8 МВт. (Рисунок 4).

Рисунок 4: Схема солнечной электростанции Tauberland

Инверторы оснащены реле для контроля напряжения. При превышении предельного значения ±10 % реле срабатывает и отключает инверторы от энергосистемы. 2011 год был ознаменован высокой доходностью, но при этом характеризовался многочисленными отказами инверторов.

Особенно в дни с переменной облачностью отказы происходили эпизодически и бессистемно на всех четырех устройствах этапа строительства «Запад». Требовалось до 5 минут, прежде чем инверторы возвращались к работе. За это время система бездействовала, а эксплуатирующая компания несла убытки. Финансовый ущерб составил около 400 000 евро в год.

Два независимых органа были уполномочены проводить измерения в целях точного определения причин отказов. Среди других инструментов для анализа были использованы переносной анализатор искажений мощности HBS-Box производства компании HBS Steuerungstechnik, вместе с первичными компонентами, включая анализаторы искажений мощности MAVOSYS 10 и MAVOWATT 70 компании GOSSEN METRAWATT (см. рисунок 5a, 5b).

Рисунок 5a: Анализатор искажений мощности Mavowatt 70	Рисунок 5b: Анализатор возмущений мощности Mavosys 10

После проведения серии измерений на уровне среднего и низкого напряжения эксперты обнаружили причину: инверторы взаимно влияли друг на друга. Работа инверторов оказывала обратное воздействие на сеть. Более того, 15-я и 25-я гармоники были очень выраженными.

Суммарный коэффициент искажения гармоник составлял 4,4 %, что в настоящее время считается довольно высоким (рисунок 6). С помощью вышеупомянутых анализаторов искажений мощности было определено, что произошел резонансный контур, для которого импеданс достиг своего максимума примерно при частоте 1000 Гц (резонансная частота) из-за индуктивности трансформатора и емкости кабеля. В результате подачи гармонического тока в электросеть был очень высокий уровень 20-й гармоники.

Рисунок 6: Общий суммарный коэффициент гармоник напряжения в процентах (записанный с использованием HBS-Box и Mavosys 10)

В результате высоких значений тока и полного сопротивления линии истинное среднеквадратичное значение напряжения для всей системы превысило предельный порог, сработало защитное устройство и инверторы были отключены от энергосети. После того, как уровень напряжения упал до указанного уровня, инверторы снова подключились к сети. В зависимости от погодных условий инверторы отключались от сети несколько раз в день (см. рисунок 7).

Рисунок 7: Характеристические кривые напряжения и тока до и после выключения инверторов

После определения причин отказов компания Condensator Dominit из Брилона установила пассивный фильтр подавления гармоник с суммарной компенсационной мощностью 174 квар. Фильтр состоит из нескольких затухающих конденсаторов с точкой подключения нейтрали (см. рисунок 8).

Рисунок 8: Пассивный фильтр подавления гармоник компании Condensator Dominit

Эти частотно-зависимые резисторы в электрическом резонансном контуре генерируют узкополосный «эффект поглощения» токов нежелательных частот и гасят их. В то же время уменьшается максимальный импеданс. В результате гармонические токи, подаваемые в сеть, сводятся к минимуму, а гармонические напряжения сохраняются в «нормальных» пределах.

Сразу после ввода фильтра в эксплуатацию качество напряжения улучшилось и истинное среднеквадратичное значение напряжения оставалось в пределах диапазона допуска с момента установки фильтра. Как и предполагалось, инверторы с фильтрующим контуром работают без перебоев и выполняют свою задачу, а именно - подают электрическую энергию, преобразуемую из солнечной энергии, в энергосеть каждый раз, когда она доступна.