Analiza przyczyny wyłączeń farmy fotowoltaicznej

Bezprzerwowa praca odnawialnych źródeł energii jest istotnym elementem stabilności sieci elektroenergetycznej. Często przyczyną wyłączeń takich źródeł są czynniki zewnętrzne lub niewłaściwe nastawy zabezpieczeń pól średniego napięcia. W artykule przedstawiono analizę źródła wyłączeń farmy fotowoltaicznej i ich wpływu na stabilność sieci. Inspiracją do napisania tekstu było zlecenie wykonania pełnej analizy czynników wpływających na wyłączenia farmy PV, przyłączonej do linii 15kV.

Po przeprowadzeniu wizji lokalnej, określenie warunków brzegowych pod przeprowadzenie pomiarów okazało się stosunkowo proste. Zebranie tych danych było niezbędne do parametryzacji analizatorów jakości energii elektrycznej (JEE) i postawienia prawidłowej diagnozy. Warunki brzegowe i ustalone fakty wyglądały następująco:

  • Wyłączenia dotyczyły 2 farm PV o mocach odpowiednio 2.040MW i 1.632MW przyłączonych do linii 15kV do tego samego GPZ 110/15kV.
  • Moce transformatorów: 0,4/15kV (2.200MVA i 1.840MVA).
  • Moc zwarciowa w GPZ 82MVA.
  • Zabezpieczenie pól 15kV – EKOR-RPS firmy ORMAZABAL.
  • Farmy PV1 i PV2 wyłączały się równocześnie.
  • Do pomiaru prądu zostały wybrane obwody wtórne przekładnika zabezpieczeniowego 300A/1A.
  • Napięcie pobraliśmy ze strony wtórnej przekładników napięciowych 15000/100V.
  • Pomiary zostały przeprowadzone równolegle 2 analizatorami PQ BOX 200 w polach SN transformatorów farm PV1 PV2.
  • W celu zarejestrowania wszystkich zdarzeń, pomiary napięcia i wskaźników JEE przeprowadziliśmy w układzie fazowym mierząc jednocześnie napięcie i prąd punktu gwiazdowego. Miało to docelowo kluczowe znaczenie dla znalezienia przyczyny problemu.
  • Analizator musiał posiadać możliwość rejestracji parametru df/dt, ponieważ parametr ten został podany jako przyczyna wyłączeń farmy PV.
  • Wartości nastaw na zabezpieczeniu w rozdzielnicy SN wyglądały następująco:
Tabela 1. Wartości nastaw na zabezpieczeniu w rozdzielnicy SN.

Tabela 1. Wartości nastaw na zabezpieczeniu w rozdzielnicy SN.

Schemat 1. Schemat poglądowy badanej sieci farmy fotowoltaicznej.

Schemat 1. Schemat poglądowy badanej sieci farmy fotowoltaicznej.

Pomiary wykonywane analizatorem PQ Box 200 trwały 7 dni. Zarejestrowane dane zostały pobrane w programie WinPQ mobil i poddane analizie, dzięki dostępnym w oprogramowaniu funkcjom tworzenia zestawień statystycznych i korelacji przebiegów wartości mierzonych.

Wnioski wysunięte na podstawie analizy przebiegów były następujące:

Zarejestrowana została duża liczba zdarzeń na linii 15kV, o bardzo krótkim czasie trwania (do 60ms). Prawdopodobną przyczyną mogło być uszkodzenie izolatora ceramicznego. Cechą charakterystyczną tych doziemień jest wzrost napięcia na pozostałych 2 fazach do wartości ponad 2UN. Jest to typowe zachowanie sieci z uziemionym punktem zerowym transformatora SN przez rezystor lub regulowaną cewkę Petersena. Zapad napięcia poniżej 10% UN powodował odłączenie farmy PV i po czasie 680ms (czas potrzebny na wyliczenie wartości zgodnie ze wzorem:

wzór PV

pojawia się informacja o przekroczeniu parametru df/dt. Taki komunikat był przekazywany również przez system SCADA jako przyczyna wyłączenia farmy PV1 i PV2.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys.1 Doziemienie z fazy L3, odłączenie PV, komunikat df/dt > 1.

Rys.1 Doziemienie z fazy L3, odłączenie PV, komunikat df/dt > 1Hz/s.

Na powyższym rysunku jednoznacznie można zaobserwować następujące zdarzenia:

  • doziemienie nastąpiło z fazy L3, wartość minimalna napięcia podczas zdarzenia to 1,03kV;
  • w tym samym czasie wartości napięć fazowych L1 i L2 wzrosły odpowiednio do wartości 16,137kV i 17,974kV;
  • doziemienie trwało ok. 510ms i w tym czasie nastąpiło odłączenie farmy PV zgodnie z nastawami ze zwłoką 0,2s;
  • wartość prądu spadła do zera, co świadczy o otwarciu rozłącznika sprzęgającego;
  • po czasie 680ms, podczas okresu rejestracji 3sek., wyświetla się informacja o pojawieniu się zdarzenia o wartości max df/dt 1,974 Hz/s;
  • wartość ustawiona na zabezpieczeniu 1Hz/s została przekroczona, w konsekwencji farma została odłączona.

Analiza zdarzeń:

Zarejestrowano następujące rodzaje zdarzeń: przepięcia przejściowe, przepięcia dorywcze, zapady napięcia, szybkie zmiany napięcia, przerwy w zasilaniu i przekroczenie Plt. Poniższa grafika umożliwia szybki przegląd rodzaju i ilości zdarzeń:

Rys. 2 Lista zdarzeń zarejestrowanych podczas pomiaru.

Rys. 2 Lista zdarzeń zarejestrowanych przez analizator PQ Box 200.

Fot. 1 Podłączenie analizatora PQ Box 200.

Fot. 1 Podłączenie analizatora PQ Box 200.

Wzrost wartości napięcia wystąpił 200 razy, wartość która wyzwalała rejestrację wynosiła 8,183kV. Poniższa tabela pokazuje pierwsze 5 zdarzeń, uporządkowanych malejąco, które pojawiły się podczas pomiarów (rys. 3), oraz ich przykładowe przebiegi oscyloskopowe zarejestrowane przez analizator PQ Box 200 pokazane na rys. 4.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 3 Przykładowa lista wzrostów napięcia (przepięcia dorywcze 50Hz).

Rys. 3 Przykładowa lista wzrostów napięcia (przepięcia dorywcze 50Hz).

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 4 Przebiegi oscyloskopowe wzrostów napięcia zarejestrowane analizatorem PQ Box 200.

Rys. 4 Przebiegi oscyloskopowe wzrostów napięcia zarejestrowane analizatorem PQ Box 200.

Zarejestrowana liczba przepięć przejściowych wynosiła 5. Domyślną górną granicą wyzwolenia rejestracji jest wartość 200% UN, która w tym przypadku wynosiła 18 186,5V. Poniższa lista zdarzeń oraz przedstawione wykresy przebiegów oscyloskopowych jednoznacznie określają doziemienie, jako przyczynę ich występowania.

Tabela 2. Lista przepięć przejściowych zarejestrowanych przez analizator.

Tabela 2. Lista przepięć przejściowych zarejestrowanych przez analizator.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 5 Zarejestrowane przebiegi oscyloskopowe przepięć przejściowych i jednofazowe doziemienie.

Rys. 5 Zarejestrowane przebiegi oscyloskopowe przepięć przejściowych i jednofazowe doziemienie.

Zarejestrowano 68 wolnych zmian napięcia wywołanych między innymi załączaniem farmy do sieci elektroenergetycznej. Typowy spadek napięcia wynosił 885V, a prąd maksymalny związany z magnesowaniem rdzenia transformatora wynosił od 105 do 223A na fazę. Poniżej przykładowa rejestracja szybkiej zmiany napięcia.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 6 Szybka zmiana napięcia.

Rys. 6 Szybka zmiana napięcia.

Wyjaśnienie generowania komunikatu „df/dt” bezpośrednio z systemu SCADA jest następujące:

Następstwem zadziałania wyłącznika sprzęgającego jest przejście farmy na pracę wyspową, co jest ze strony Operatora niedopuszczalne. W efekcie farma nie posiada możliwości synchronizacji z siecią i moduł w zabezpieczeniu pola df/dt ustawiony na wartość progową 1Hz wysyła informację o przyczynie wyłączenia farmy „df/dt”. Oznacza to prawidłową pracę zastosowanego zabezpieczenia lecz bezpośrednią przyczyną wygenerowania tej informacji jest spadek napięcia i reakcje lawinowe po nim następujące.

Porównanie czasów wyłączeń PV1 i PV2 wskazuje na ten sam czynnik zewnętrzny, zapad napięcia lub przerwa w zasilaniu. Lista zapadów i przerw została załączona w raportach. Większość zdarzeń trwa bardzo krótko (od 10 do 60ms). Przerwy w zasilaniu były nie dłuższe niż ok. 1 sekunda.

Wnioski końcowe:

Zapady napięcia i przerwy w zasilaniu na linii 15kV należącej do Operatora sieci były bezpośrednią przyczyną wyłączeń farm PV1 i PV2. Reakcją zabezpieczenia jest zadziałanie wyłącznika sprzęgającego, co następowało za każdym razem, gdy zabezpieczenie pola wykryło spadek napięcia na linii zasilającej 15kV. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, że zgodnie z wykonanymi pomiarami i analizą, falowniki pracują poprawnie i nie generują wartości harmonicznych prądowych do sieci, które przekraczałyby dopuszczalne limity określone dla danej mocy zwarciowej, mocy przyłączonej i wartości napięcia nominalnego. Potwierdzeniem tego są raporty: D-A-CZ-CH (wartość mocy zwarciowej, mocy generowanej i harmonicznych prądowych) i widma harmonicznych do 9kHz zgodnie z normą PN-EN61000-4-7.

Rys. 7 Raport D-A-CZ-CH opracowany w programie WinPQ mobil.

Rys. 7 Raport D-A-CZ-CH opracowany w programie WinPQ mobil.

Pomiary zostały wykonane analizatorami PQ BOX 200 opcja T1 (fot. 2) wraz z mini cęgami o zakresie pomiaru od 0 do 200A, natomiast analiza – programem WinPQ mobil. Do pomiaru napięcia został wybrany układ połączeń w gwiazdę. Pomiarem objęto prąd I0 (składowa symetryczna prądu) i napięcie U0 (składowa symetryczna napięcia). Analiza została wykonana przez Radosława Wiśniewskiego, specjalistę ds. jakości energii z Astat Sp. z o.o.

Fot. 2 Analizator PQ Box 200.

Fot. 2 Analizator PQ Box 200.

Autor: Radosław Wiśniewski, specjalista ds. jakości energii elektrycznej ASTAT Sp. z o.o.

Fot., rys., tabele, schemat: ASTAT Sp. z o.o.

Analiza przyczyny wyłączeń farmy fotowoltaicznej przeprowadzona została analizatorami PQ BOX 200 firmy A-EBERLE.