Oscylacje w fotowoltaice. Sungrow odtworzył i stłumił groźne zjawisko
Odnawialne źródła energii zależne od pogody wciąż się rozwijają. Oznacza to nie tylko przyrost mocy, ale też konieczność rozpoznawania ich słabych stron i przeciwdziałania zagrożeniom. Jednym z nich są oscylacje. Chińskiemu producentowi falowników Sungrow udało się, jak twierdzi, odtworzyć to zjawisko w rzeczywistych warunkach i je stłumić. Na czym polegają oscylacje i dlaczego są groźne?
Oscylacje to jedno z zagrożeń dla stabilnej pracy farm fotowoltaicznych. Tym terminem określa się wzajemnie wzmacniające się wahania napięcia i prądu w sieci elektroenergetycznej. W efekcie system zaczyna „drgać” wokół wartości, którą powinien utrzymywać.
Sungrow, jeden z największych na świecie dostawców falowników fotowoltaicznych, poinformował, że jako pierwszy na świecie odtworzył to zjawisko w kontrolowany sposób w działającej elektrowni, a następnie je stłumił.
Pięta achillesowa OZE
Zjawisko nazywa się oscylacjami szerokopasmowymi, ponieważ może występować w szerokim zakresie częstotliwości – od kilku herców do nawet kilku kiloherców. Wśród jego przyczyn wymienia się trzy najważniejsze.
Pierwszą jest moc wyjściowa instalacji. Im większą moc elektrownia wprowadza do sieci w stosunku do jej „wytrzymałości” w danym miejscu, tym mniejszy jest zapas stabilności. Przy niekorzystnych warunkach rośnie więc ryzyko wystąpienia oscylacji.
Drugą jest współczynnik zwarciowy (ang. Short Circuit Ratio, SCR), czyli stosunek mocy zwarciowej sieci w punkcie przyłączenia do mocy znamionowej przyłączanej instalacji. Najprościej mówiąc, opisuje on, jak „silna” jest sieć w porównaniu z elektrownią. Przy wysokim SCR sieć jest stabilna i dobrze tłumi zaburzenia. Przy niskim gorzej radzi sobie z odchyleniami napięcia lub częstotliwości i staje się podatna na niestabilność. W praktyce sieć o SCR poniżej 3 uznaje się zwykle za słabą. Na wartość współczynnika wpływają m.in. odległość od dużych elektrowni konwencjonalnych (im dalej, tym niższy SCR) oraz przekrój, długość i rodzaj przewodów oraz kabli.
Trzecią przyczyną jest sposób działania falowników. W słabej sieci układy regulacji poszczególnych falowników zaczynają na siebie oddziaływać w pętli sprzężenia zwrotnego. Jedno urządzenie koryguje napięcie w odpowiedzi na zmiany wywołane przez inne, a te z kolei reagują na tę korektę. W efekcie falowniki, zamiast stabilizować system, wprawiają go w narastające drgania.
Oscylacje nie są więc skutkiem pojedynczej awarii, lecz interakcji między słabą siecią a regulacją falowników, zachodzącej przy określonym poziomie mocy. Zjawisko nie dotyczy wyłącznie fotowoltaiki, ale wszystkich źródeł przyłączanych do sieci przez przekształtniki energoelektroniczne, w tym farm wiatrowych i łączy prądu stałego. Problem jest istotny także dla Europy, w tym Polski, gdzie w ramach transformacji energetycznej szybko przybywa OZE.
9 sierpnia 2019 r. oscylacje wystąpiły na morskiej farmie wiatrowej Hornsea One w Wielkiej Brytanii po uderzeniu pioruna w linię przesyłową. Samo zwarcie trwało niespełna 0,1 sekundy, ale miało poważne skutki. Układ regulacji napięcia farmy wszedł w niekorzystną interakcję z siecią, co wywołało niekontrolowane oscylacje prądu i napięcia o częstotliwości niższej od podstawowej częstotliwości sieci (50 Hz). Zabezpieczenia turbin zareagowały automatycznie i moc farmy spadła z 799 MW do 62 MW. Zdarzenie, w połączeniu z jednoczesnym wyłączeniem elektrowni gazowej Little Barford, doprowadziło do blackoutu, który pozbawił prądu ponad milion odbiorców.
Pięć lat wcześniej, w 2014 r., w morskim systemie przesyłowym prądu stałego wysokiego napięcia (HVDC) BorWin1 na Morzu Północnym wystąpiły oscylacje o częstotliwości 250–350 Hz. Doprowadziły do uszkodzenia kondensatorów filtrujących na morskiej platformie przekształtnikowej, a skutki awarii usuwano blisko pół roku.
Jak zwalczyć oscylacje?
Przeciwdziałanie oscylacjom jest trudne ze względu na złożoną i trudną do przewidzenia naturę zjawiska. Dotychczas badano je głównie w symulacjach komputerowych i laboratoriach, a odtworzenie go w dużej, działającej elektrowni było problematyczne. Ostatnie badania Sungrow mogą to zmienić.
Chińska firma wraz z partnerami przeprowadziła testy z wykorzystaniem falowników fotowoltaicznych. Chciała sprawdzić, w jakich warunkach słaba sieć zaczyna oscylować, i ustalić, które czynniki mają kluczowe znaczenie. Wskazano trzy, omówione wcześniej: moc wyjściową, SCR i parametry sterowania falowników.
Podczas testu wykorzystano opatentowaną przez Sungrow technologię adaptacji do parametrów sieci. Według producenta falowniki w ciągu 40 milisekund rozpoznały, z jak silną siecią współpracują, i dostosowały do tego strategię sterowania, stabilizując napięcie i częstotliwość. Klasyczne falowniki działają w trybie nadążnym (ang. grid-following), czyli dopasowują się do napięcia narzuconego przez sieć. Rozwiązanie Sungrow może natomiast pracować w trybie grid-forming, w którym falownik sam aktywnie wspiera utrzymanie napięcia i częstotliwości, podobnie jak generator w elektrowni konwencjonalnej. Dzięki temu, jak zapewnia firma, może bezpiecznie pracować zarówno w słabych, jak i w silnych sieciach oraz tłumić oscylacje i nagłe skoki napięcia.
Test przeprowadzono w elektrowni fotowoltaicznej o mocy 0,5 GW. Zdaniem przedstawicieli Sungrow to ważny krok w stronę tego, by tłumienie oscylacji przestało być wyłącznie przedmiotem badań laboratoryjnych i stało się narzędziem stosowanym w praktyce. Firma zapowiada dalsze badania.
Chiński gigant inwestuje w Polsce
Sungrow działa na skalę międzynarodową, a częścią jego ekspansji jest również Polska. W Magnicach koło Wrocławia, na terenie Wałbrzyskiej Specjalnej Strefy Ekonomicznej, powstaje fabryka falowników i magazynów energii. Koszt inwestycji szacowany jest na 230 mln euro. Zakład zajmie ok. 65 tys. m2 i zapewni 400 nowych miejsc pracy.
Zgodnie z planem fabryka ma produkować rocznie falowniki o łącznej mocy do 20 GW i magazyny energii o łącznej pojemności do 12,5 GWh. Więcej na ten temat w artykule: Chińczycy zbudują w Polsce fabrykę falowników i magazynów energii.
Marcin Karwowski
marcin.karwowski@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
Obserwuj nas w Google News
