Auswirkungen auf die Stromqualität in einem typischen Mikronetz

I. EINFÜHRUNG

Ein kleines Stromnetz, bekannt als Microgrid, sorgt für eine sichere und zuverlässige Energieversorgung für die kritischen Verbraucher von Gemeinden. Es bietet außerdem eine nachhaltige und autarke Energieversorgung für Gemeinden in abgelegenen Gebieten, in denen es keinen Zugang oder keine Einrichtung für das Hauptstromnetz gibt. MG sollte in der Lage sein, entweder im On-Grid- oder Off-Grid-Modus zu arbeiten.

MG integriert mehrere DG-Quellen wie; EE, konventionelle Kraftwerke und verschiedene Arten von Energiespeichermöglichkeiten. DG in MG bietet mehrere Vorteile wie: geringer CO2-Ausstoß der Energieversorgung, verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit der Energieversorgung, Verringerung der Stromverluste im Verteilungsnetz und Verzögerungen bei der Verbesserung der Infrastruktur des Verteilungsnetzes usw. Trotz der Vorteile schafft die DG auch verschiedene PQ-Probleme wie: Leistungsflussschwankung, die Spannungs- und Frequenzabweichungen, Spannungs- und Stromungleichgewicht, schlechten Leistungsfaktor, harmonische Verzerrungen, Spannungsflackern, Spannungsabfall/-anstieg usw. im MG-Verteilungsnetz verursacht.

Die PQ-Analyse von MG ist für die Quantifizierung des Ausmaßes von PQ-Problemen unerlässlich, um ein echtes MG-Modell mit verbesserten PQ-Bedingungen durch optimale Kontrollmaßnahmen zu entwickeln. Mehrere Studien und Analysen wurden von Forschern zu den PQ-Problemen im MG-Stromnetz unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Die THD-Analyse wurde durch Simulation in einem typischen Photovoltaik (PV) integrierten Niederspannungsverteilungsnetz unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Unter den folgenden Bedingungen wurden hohe THD-Spannungs- und Strompegel festgestellt: Durchdringung der PV auf höherem Niveau, Einspeisung am entfernten Ende, niedrige Last und Last arbeitet mit dem führenden Leistungsfaktor.

PQ-Probleme wurden in einem typischen MG-Energiesystem auf verschiedenen Ebenen der EE-Durchdringung und Wetterbedingungen durch Matlab-Softwaresimulation analysiert. Der Grad der PQ-Probleme wurde mit 66,6 % als hoch und die RE-Durchdringung bei 99,9 % im Vergleich zu 33,3 % festgestellt. Die THD-Analyse wurde unter Integration von PV mit linearer und nichtlinearer Last durchgeführt. Bei einem höheren PV-Penetrationsgrad mit linearer Last wurde ein hoher THD festgestellt. Bei 10 % der PV-Durchdringung mit nichtlinearer Last (im Verhältnis zur linearen Last) betrug der THD etwa 4 %, wohingegen bei 15 % der PV-Durchdringung mit nichtlinearer Last ein THD-Wert über dem Standardgrenzwert von etwa 5,06 % festgestellt wurde. Zusätzlich zur THD-Analyse wurden drei PQ-Indizes angewendet, um den Grad der Leistungsverzerrung, der Wellenformverzerrung und der Unsymmetrie im Systemnetzwerk zu bewerten. In ähnlicher Weise wurde in [8] analysiert, dass bei über 50 % der PV-Durchdringung der Spannungs-THD-Wert über dem Standardwert liegt. Es wurde auch festgestellt, dass der Spannungs-THD am schlechtesten Knoten reduziert wird, wenn mehr PV-PVs in der Nähe von Umspannwerken durchdrungen werden, sowie bei mehr Schleifen in einem stark vermaschten Netzwerk.

In dieser Studie wurden neben der THD-Analyse auch andere PQ-Faktoren berücksichtigt, z. Leistungsschwankung, Spannungsschwankung und Ungleichgewichtsspannungspegel wurden auch in einem typischen MG-Stromnetzmodell durch Softwaresimulation analysiert. Die Entwicklung des MG-Modells und der Auswirkungsanalyse wurde in der Softwareumgebung PSS-Sincal durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, in Zukunft ein echtes MG-Modell mit verbesserten PQ-Bedingungen für Gemeinden zu entwickeln. Abschnitt II definiert die Details des MG-Modells und der Analysetypen, Abschnitt III erläutert die Analyseergebnisse und die Diskussion und die Schlussfolgerung dieser Studie und zukünftiger Forschungsarbeiten wird in Abschnitt IV gegeben.

II. MG-MODELL

A. MG-Antriebssystemmodell

B. Leistungsflussanalyse

C. Harmonische Analyse

III. ERGEBNISSE UND DISKUSSION

In diesem Abschnitt sind die Gesamtsimulationsergebnisse in Tabelle 4 und Tabelle aufgeführt. 5 werden ausführlich besprochen.

A. Leistungsvariation

Sonnenstörungen aufgrund des Wolkeneffekts können als eine der Hauptursachen für Leistungsausfälle bei der PV-Leistung angesehen werden. Die Unterbrechung der PV-Leistung kann in verschiedenen Zeitskalen berücksichtigt werden, z. auf der „zweiten“ Ebene verursacht es Spannungsflackern und auf der „Minuten“-Ebene beeinflusst es die Regulierung der Stromerzeugungsreserve im Stromnetz [14]. Für diese Analyse wurde eine typische Solarstörung für jede PV (100 KW) mit einer installierten Gesamtleistung von etwa 1 MW berücksichtigt, die am LV-Busknoten N7 (415 V) angeschlossen ist. Während dieses Zeitraums der Sonnenstörung von 11 Stunden bis 11:40 Uhr wurde jede Schwankung der PV-Ausgangsleistung von minimal 0 kW bis maximal 73 kW beobachtet, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Entsprechend dem täglichen Lastprofil sind in Abbildung 5 ein Wirkleistungs- und Blindleistungsfluss aus Versorgungsquellen (Netz/Dieselgenerator) dargestellt. Aufgrund dieses kumulativen Effekts der Leistungsschwankungen aller zehn PV-Einheiten kommt es zu entsprechenden Leistungsflussschwankungen aus der Netzversorgungsquelle und Dieselgeneratoreinheit wurden im On-Grid- und Off-Grid-Betrieb beobachtet. Wie in Abbildung 6 dargestellt, wurden Leistungsschwankungen von minimal 850 kW bis maximal 1600 kW sowohl auf der Netzseite als auch beim Dieselgenerator beobachtet. Diese erhebliche Leistungsschwankung führt zu einem dringenden Bedarf an Stromerzeugungsreserven und -regulierung aus der Netzquelle während des MG-Betriebs im Netzbetrieb. In ähnlicher Weise führt die Schwankung der Ausgangsleistung von Solar-PV zu einer Situation, in der der Strombedarf des Dieselgenerators häufig ansteigt und abnimmt, was zu einer Erhöhung des Verschleißeffekts herkömmlicher Kraftwerkskomponenten, der Wartungskosten und damit zu einer Verringerung der Effizienz führt Dieselgenerator.

TABELLE I. ERGEBNISSE DER LEISTUNGS- UND SPANNUNGSVARIATION

TABELLE II. ERGEBNISSE DES THD- UND UNBALANCE-SPANNUNGSPEGELS

ABBILDUNG I. VARIATION DER PV-AUSGANGSLEISTUNG

ABBILDUNG II. LEISTUNGSFLUSSVARIATION (NETZ / DG)

ABBILDUNG III. LEISTUNGSVARIATION (NETZ / DG)

B. Spannungsschwankung

Eine Schwankung der Ausgangswirkleistung stört den Fluss der Blindleistung und führt zu lokalen Schwankungen des Spannungspegels am Niederspannungs-Busknoten N7. Während einer Sonnenstörung wurde eine kleine Spannungsschwankung am LV-Busknoten N7 von minimal 97,8 % bis maximal 98,1 % beobachtet, wie in Abbildung 7 dargestellt.

ABBILDUNG IX. SPANNUNGSVERÄNDERUNG AM LV-BUS-KNOTEN N7

Im Falle einer großflächigen PV-Integration in einem schwachen Netzwerk oder bei Spitzenlast mit niedriger Spannung kann diese Spannungsschwankung jedoch ein erhebliches Ausmaß erreichen und sich auf alle empfindlichen Lasten auswirken, die an diesen bestimmten Busknoten angeschlossen sind.

C. Harmonische Verzerrung

Spannungs- und Strom-THD im MG-Netzwerk wurden mit 30 %, 50 %, 70 % und 100 % der PV-Durchdringung in Bezug auf die angeschlossene lineare Gesamtlast am LV-Busknoten N7, die nichtlineare Last am LV-Busknoten N9 und analysiert Verbundlast (linear nichtlinear) jeweils am LV-Busknoten N10. Gemäß der Norm AS4777-2005 [15] sollte der aktuelle THD des Wechselrichters bis zur 50. Harmonischenordnung weniger als 5 % betragen und der Kompatibilitätsgrad des Spannungs-THD gemäß AS/NZS 61000 [16] sollte etwa 8 % betragen.

Sowohl der Strom- als auch der Spannungs-THD-Wert überschreiten den Standardgrenzwert für 100 % PV-Durchdringung am LV-Busknoten N7, wie in Abbildung 8 dargestellt. Bei 70 % des PV-Durchdringungsgrades lag der Spannungs-THD-Wert innerhalb des Standardgrenzwerts, während der aktuelle THD-Wert diesen übersteigt Standardgrenze. Sowohl der Strom- als auch der Spannungs-THD-Wert lagen deutlich unter dem Standardgrenzwert für 50 % und 30 % des PV-Penetrationsgrads. Aus den obigen Ergebnissen geht klar hervor, dass der Strom- und Spannungs-THD mit zunehmender PV-Penetration höher wird. Dies ist auf den kumulativen Effekt der harmonischen Stromeinspeisung von PV-Wechselrichtern während eines höheren Niveaus der PV-Erzeugung in Bezug auf den Volllaststrom der linearen Last am Busknoten N7 zurückzuführen.

Gemäß den in Abbildung 9 dargestellten THD-Ergebnissen am Busknoten N9 waren die aktuellen THD-Werte für alle PV-Penetrationsebenen im Vergleich zum Busknoten N7 deutlich höher und lagen auch über dem Standardgrenzwert. Bei 100 % der PV-Penetrationsebene wurden Spannungs-THD knapp über dem Standardgrenzwert (8,1 %) und innerhalb der Standardgrenze für andere Penetrationsebenen beobachtet. Dies ist auf den Effekt einer ausschließlich nichtlinearen Last (Geräte der Klasse A und Klasse D) zurückzuführen, die am Busknoten N9 angeschlossen sind.

Die THD-Ergebnisse am Busknoten N10, wie in Abbildung 10 dargestellt, zeigten deutlich, dass die aktuellen THD-Werte für alle Ebenen der PV-Durchdringung (100 %, 70 %, 50 % und 30 %) mit Ausnahme von 20 % hoch waren und über dem Standardgrenzwert lagen. Es wurde festgestellt, dass die Spannungs-THD-Werte für alle anderen Durchdringungsgrade außer 100 % unter dem Standardgrenzwert lagen. Die Spannungs- und Strom-THD-Werte am Busknoten N9 waren im Vergleich zu ihren Gegenstücken am Busknoten N10 niedrig. Dies ist auf den Effekt der zusammengesetzten Last zurückzuführen, bei der die linearen und nichtlinearen Lasten zu gleichen Teilen (50 %) am Busknoten N10 verteilt sind. In dieser Studie wurde der harmonische Filter (passiv oder aktiv) im MG-Netzwerk nicht berücksichtigt. Für diese THD-Analysestudie wurden nur typische Stromoberschwingungsdaten für jeden PV-Wechselrichter und jede nichtlineare Last berücksichtigt.

Basierend auf den Ergebnissen aus Abbildung 8, Abbildung 9 und Abbildung 10 wird deutlich, dass der THD bei höherer PV-Penetration und einer im MG-Netzwerk vorhandenen nichtlinearen Last ein signifikantes Niveau erreicht. So hoch. Der THD-Wert kann zu Leistungsverlusten, Überhitzung von Leitern, Transformatoren, Kondensatorbänken, Motoren oder Generatoren und übermäßigem Strom im Neutralleiter usw. [11] im MG-Netzwerk führen.

D. Spannungsunsymmetrie

In dieser Studie wurde der Spannungsungleichgewichtspegel mit der typischen ungleichmäßigen Verteilung von einphasigen Lasten und einphasigen PV-Generatoren am LV-Busknoten N8 geschätzt. Gemäß der Norm AS/NZS 61000.2 [16] sollte der Kompatibilitätsgrad der Unsymmetriespannungsgrenze im Niederspannungsnetz weniger als 3 % betragen. Am Busknoten N8 wurden einphasige Solar-PV und einphasige Lasten in jeder Phase wie folgt verteilt; 10 KW Solar-PV und 300 KVA Last in Phase A, 100 KW PV und 100 KVA Last in Phase B, 200 KW PV und 10 KVA Last in Phase C. Gemäß einem typischen täglichen Lastprofil ist der Spannungspegel jeder Phase am Busknoten N8 in Abbildung 11 dargestellt. Gemäß dem täglichen Spannungsprofil wurde beobachtet, dass während der Spitzenlastperiode (12:30 Uhr) der Spannungspegelunterschied zwischen Phase- A und Phase B, C waren im Vergleich zu der Zeit mit geringer Nachfrage (05:30 Uhr) stärker. Wie in Abbildung 12 dargestellt, war der Spannungspegel in Phase A niedrig und lag bei etwa 96,2 % (399 V), während er in Phase C bei etwa 99,4 % (413 V) lag. Durch diese Analyse wurde geschätzt, dass der Unsymmetriespannungspegel am Busknoten N8 innerhalb der Standardgrenze von AS/NZS 61000.2 [16] von etwa 1,48 % liegt. Dieser Wert kann jedoch je nach Lastzustand gemäß dem in Abbildung 11 gezeigten Spannungsprofil variieren und bei großen NS-Verteilungsnetzen mit ungleichmäßigem Impedanzniveau, ungleichmäßiger Verteilung von einphasigen Lasten und PV auch weiter über den Standardgrenzwert hinaus ansteigen Erzeugung im Niederspannungsnetz usw. Diese übermäßige Unsymmetriespannung kann erhebliche Auswirkungen auf die Leistungsminderung des Induktionsmotors mit erhöhter Erwärmung und Verlusten, erhöhter thermischer Belastung für elektronische Komponenten des Frequenzumrichters (VSD) durch Hinzufügung eines dreifachen Oberschwingungsstroms usw. haben. [12].

IV. SCHLUSSFOLGERUNG

Diese Studie beleuchtet die kritischen Probleme der Stromqualität (PQ) in Mikronetzsystemen (MG), einschließlich Leistungs- und Spannungsschwankungen, totaler harmonischer Verzerrung (THD) und Spannungsunsymmetrie, die hauptsächlich durch die Integration erneuerbarer Energiequellen (RE) verursacht werden , Leistungselektronikwandler (PE) und nichtlineare Lasten. Simulationsergebnisse zeigen, dass höhere PV-Penetrationsgrade den THD und die Spannungsunsymmetrie deutlich erhöhen, was sich negativ auf die Effizienz und Zuverlässigkeit von MG-Systemen auswirken kann. Leistungsschwankungen aufgrund der intermittierenden Natur von Solar-PV erfordern eine verbesserte Regulierung, während Spannungsungleichgewichte, die durch ungleichmäßige Lastverteilung verursacht werden, sich auf empfindliche Geräte auswirken und die betriebliche Ineffizienz erhöhen.

Mit Schwerpunkt auf der Integration Aktiver Harmonischer Filter,Die fortschrittlichen PQ-Lösungen von YT Electric ermöglichen es MG-Betreibern, die Herausforderungen moderner Energiesysteme zu meistern und eine zuverlässige, effiziente und nachhaltige Energieversorgung sicherzustellen. Zukünftige Bemühungen können Energiespeichertechnologien integrieren und Kontrollstrategien optimieren, um die PQ weiter zu verbessern und den reibungslosen Betrieb von MGs in verschiedenen Szenarien sicherzustellen. YT Electric steht als zuverlässiger Partner für die Ermöglichung intelligenterer und widerstandsfähigerer Energiesysteme.