Detekcija i zaštita od otočnog pogona distribuiranih elektrana priključenih

na distribucijsku elektroenergetsku mrežu

Prof.dr. Srete Nikolovski

Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, Elektrotehnički fakultet, Kneza Trpimira 2b, 31000

Osijek, Hrvatska, tel. 031/224717, fax. 031/224605, email. srete.nikolovski@etfos.hr

Doc.dr. Predrag Marić

Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, Elektrotehnički fakultet, Kneza Trpimira 2b, 31000

Osijek, Hrvatska, email. predrag.maric@etfos.hr

Marko Vukobratović, mag.ing .el

Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, Elektrotehnički fakultet, Kneza Trpimira 2b, 31000

Osijek, Hrvatska, email. vukobratovic@etfos.hr

Sažetak

U radu će biti prikazani problemi rada distribuiranih elektrana na priključenih na

distribucijsku elektroenergetsku mrežu nadležnog operatera (HEP), s posebnim osvrtom na

otočni rad elektrana na biomasu, elektrana na bioplin i fotonaponskih elektrana veće snage.

Prema Mrežnim pravilima elektroenergetskog sustava (MINGORP, NN 036/06) otočni pogon

elektrane mora biti posebno dopušten ukoliko su ispunjeni uvjeti za takav način rada i ukoliko

operater distribucijskog sustava i proizvođač zaključe Ugovor o vođenju pogona. U pravili

HEP ne dopušta nikada otočni pogon elektrana disribuirane proizvodnje. Pojedine elektrane

imaju odgovarajuća, a neke neodgovarajuća tehnička rješenja zaštite od otočnog pogona s

mrežom. Prilikom isklopa prekidača na izvodu mreže koji napaja elektranu može doći do

pogonskih uvjeta pri kojima elektrana i dalje ostaje napajati izvod, posebice ako je snaga

opterećenja na izvodu jednaka trenutnoj snazi proizvodnje. Loše tehnički projektirano i

izvedeno rješenje na elektrani na biomasu Strizivojna Hrast snage 3,4 MW prouzrokovalo je

znatne probleme i odgodu priključka na mrežu, dok se ne riješi zaštita od otočnog pogona.

Autori referata su pronašli rješenje, dokazali računalnim simulacijama da numerička zaštita

koja reagira na brzinu promjene frekvencije "df/dt" releja ABB REF 541 može kvalitetno

obaviti tu zadaću. Kod bioplinskih postrojenja za standardne generatore 1 MW tipa GE-

Jenbacher prikazana je vrlo kvalitetna zaštita SEG Woodward tipa MRG-3 s funkcijama brze i

spore pod/nad naponske U<, U<<, i U>, U>> brze i spore pod/nad frekvencijske f< i f<<, i f>

f>> kao i zaštite of pomaka kuta napona Δ θ. Za fotonaponske prikazana je zaštita AID-Anti

Islanding Detection tvrtke SMA čiji su pretvarači u Hrvatskoj najzastupljeniji.

Abstract

This paper presents the problems in operation of distributed generation on distribution power

system of network operator in charge (HEP) with special reference to island operation of

biomass power plants, biogas power plants and large photovoltaic power plants. According to

Grid Code (Ministry of Economy, PP 036/06) isolated operation must be specially permitted,

providing the conditions for this kind of operation and if the distribution system operator and

producer conclude an agreement on keeping the operation. General rule is that HEP never

allows isolated operation of distributed generation. Some power plants have adequate and

some have inadequate technical solutions for protection of isolated operation. During the

tripping of a switch on a feeder of the network that powers the plant, operating conditions

could be achieved in which power of the production equals the power of consumers. Poor

technically designed and performed solution in the biomass power plant “Hrast Strizivojna”,

rated power of 3,4 MW has caused significant problems and delayed connection to the grid,

while did not resolved protection of isolated operation. The authors of the paper have found a

solution, demonstrated in simulations that numerical protection device that responds to the

rate of change of frequency "df / dt" relay ABB REF 541 can successfully perform this task.

In a biogas power plant for standard type generators 1 MW GE Jenbacher very high quality

protection SEG Woodward type MRG-3 is shown along with functions of fast and slow under

/over voltage U <, U <<, and U>, U >> fast and slow under/over frequency f <, f << , and f>,

f >> as well as protection of displacement of angle of voltage Δθ. For photovoltaic protection

AID- Anti Islanding Detection is shown, from company SMA whose inverters in Croatia are

most common.

1 Uvod

Mrežna pravila elektroenergetskog sustava definiraju otočni pogon kao „pogonsko stanje

proizvodne jedinice u kojem ona može sigurno podnijeti djelomično opterećenje u

izdvojenom dijelu elektroenergetskog sustava“. Dodato, paralelni pogon sa mrežom definiran

je na način da elektrana ne smije imati nedopuštena povratna djelovanja na distribucijsku

mrežu [1]. Uvjeti paralelnog pogona osiguravaju e međusobno usklađenim zaštitnim

uređajima elektrane i distribucijske mreže [1]. U slučaju odstupanja od propisanih uvjeta za

paralelni pogon, zaštita mora odvojiti elektranu iz paralelnog pogona. Ako je elektrana

predviđena za otočni pogon, proradne vrijednosti zaštite moraju biti podešene tako da poslije

odvajanja distribucijska mreža i elektrana ostanu u stabilnom pogonu [1]. Uključivanje

elektrane sa sinkronim generatorima u paralelni pogon s distribucijskom mrežom zahtijeva

uporabu uređaja za sinkronizaciju uz poštovanje uvjeta razlike napona od ±10% nazivne

vrijednosti, razlike frekvencije od ±0,5 Hz i razliku faznog kuta od ±10 stupnjeva. Dodatno,

za vjetroelektrane uvjet razlike frekvencije iznosi ±0,1 Hz [1]. Na razmeđi elektrane i

distribucijske mreže se ugrađuje prekidač za odvajanje elektrane iz paralelnog pogona sa

mrežom koji možda biti u nadležnosti operatora distribucijskog sustava.

2 Elektrana na biomasu Strizivojna Hrast snage 3,3 MW

Poduzeće Strizivojna Hrast d.o.o. izgradilo je kogeneracijsko postrojenje čiji je rad baziran na

parnom kotlu loženom drvom i šumskom biomasom. Toplinska energija koristi se za potrebe

tvornice, a električna energija isporučuje se u distribucijsku mrežu HEP-a. U prvoj fazi, 2011.

godine poduzeće je bilo priključeno na 10 kV mrežu gdje je snaga isporuka električne

energije u mrežu HEP-a bila ograničena na 2,2 MW. Prelaskom na 20 kV mrežu u 2012.

godini omogućena je snaga isporuke od 3,3 MW.

U toj elektrani je realizirana zaštita od otočnog rada korištenjem zaštitnog uređaja Woodward

XN2-1 kao na slici.

Slika 2.1. Industrijski zaštirini relej za generator u elektrani Strizivojna Hrast

Radi se o jednostavnom industrijskom releju koji samo ima spori U< , U> pod/nadnaponski i

f< i f> pod/nad frekvencijski član kao i član promjene kuta Δ θ. Podešenje ove zaštite su :

Tablica 2.1. Podešenja zaštitnog releja Woodward XN2-1

Opis Opseg

podešenja Podešenje Primarne vrijednosti

Podnaponska zaštita U< 75-100% Un 90% Un 90V 90% Un 5,67kV

Prenaponska zaštita U> 100 – 125% Un 115 Un 115V 115% Un 7,24kV

Podfrekventna zaštita f< 97,5 – 100% fn 98,5% fn 49,25 Hz

Nadfrekventna zaštita f> 100 – 102,5% fn 101,5% fn 50,75 Hz

Napon blokade UB 20 – 70 Un 50% Un 50V 50% Un 3,15kV

Zaštita od ispada iz

sinkronizma Δθ> 1 - 22° el. 7 ° el

Kako HEP inzistira da prema Mrežnim pravilima elektrana ne smije ostati u otočnom pogonu

u situacijama kada postoji balans između snage proizvodnje elektrane i potrošnje izvoda,

moguće je da kod APU-a (Automatskog Ponovnog Uklopa) na izvodu prekidač izvoda

isklopi, a elektrana zbog malog debalansa i male promjene kuta Δθ i frekvencije ostane u

otočnom pogonu. To se ne smije dopustiti pa se pristupilo prijedlogu aktiviranja zaštite

df/dt>, df/dt< zaštite ili u teoriji poznate kao ROCOF (Rate of Change of Frequency).

Princip detekcije VVS (Voltage Vector Shift), je prikazan na slici 2.2. Ekvivalentna shema

generatora prikazuje najvažnije električne veličine kao i pomak kuta vektora napona

generatora. Do pomaka dolazi zbog debalansa snage na stezaljkama generatora uslijed

kvarova u mreži, najčešće zemljospojeva, drugih prekida te djelovanja APU-a

Slika 2.2. Ekvivalentna shema generatora; Vektroski dijagam napona mreže i EMS generatora

Relej XN2-1 koji služi za zaštitu od otočnog rada detektira pomak napona koji nastaje zbog

kvarova u mreži i debalansa snage.

Prema [2], u posljednje su vrijeme razvijene brojne metode detekcije otočnog pogona od kojih

se najčešće u Velikoj Britaniji koriste metoda detekcije promjene kuta napona generatora –

VVS (Voltage Vector Shift), te metoda detekcije promjene brzine frekvencije generatora –

ROCOF (Rate of Change of Frequency). Algoritmi navedenih metoda su implementirani u

suvremene numeričke releje, no osjetljivost postavki dotičnih funkcija predstavljaju izazov u

koordinaciji zaštite i vođenju sustava distribuirane proizvodnje zbog mogućnosti krive

interpretacije kvarova u mreži kao stanja otočnoga pogona.

Kako zaštita od otočnog pogona takva kakva je instalirana tvornički u elektrani nije dobro

radila, to jest na isklope prekidača na izvodu i zemljospojeve na izvodu nije siklapala

elektranu ETF Osijek je predložio u [4], postavku osjetljivost releja brzine promjene

frekvencije generatora trebala biti df/dt > Hz/s, na iznosa 0,2 Hz/s. Nadalje, prema [4], nakon

provedenih testiranja autori su mišljenja da je ROCOF metoda vjerojatno najbolja za

detekciju otočnog pogona. Funkcija df/dt se bazira na mjerenju brzine promijene frekvencije

uslijed postojanja debalansa proizvodnje i potrošnje do kojeg dolazi uslijed odvajanja dijela

mreže zbog trajnog ili prolaznog kvara u mreži [2], [3]. Prema [2], autori navode da se brzina

promjene frekvencije generatora u praksi najčešće aproksimira formulom :

HG

fPdtdf

2/

(1)

gdje je : ΔP – razlika u djelatnoj snazi generatora između sinkroniziranog i otočnog pogona, f-

nazivna frekvencija generatora, G- nazivna prividna snaga generatora, H –inercijska konstanta

Najveće brzine promjene frekvencije u analiziranom slučaju rad elektrana s mrežom se

uočavaju za stanja najveće proizvodnje djelatne snage generatora i najmanjeg opterećenja

glavnog izvoda, najmanje proizvodnje djelatne snage generatora i najvećeg opterećenja

glavnog izvoda, najveće proizvodnje djelatne snage generatora i najvećeg opterećenja

pomoćnog izvoda, najveće proizvodnje djelatne snage generatora i najmanjeg opterećenja

pomoćnog izvoda. Za ova stanja urađene analize promjene brzine frekvencije kod debalansa

proizvodnje i potrošnje od 10% u programskom alatu DIgSILENT Power Factory u kojemu je

izrađen detaljan model analiziranog sustava sa svom sklopnom opremom te funkcijama

postojećih releja [4] Desbalans proizvodnje i potrošnje od 10% se uvažava kao pogonsko

stanje prema kojem ne smije reagirati zaštita od otočnog pogona, a promjene brzine

frekvencije za ta stanja moraju biti manja od 0,2 Hz/s što je najmanja osjetljivost

frekvencijskog člana releja ABB REF 541 df/dt [3],[4].

2.1 Simulacija ispitivanja zaštite od otočnog pogona

2.1.1 Opterećenje VP Strizivojna mjereno u TS Đakovo 3, PLmax = 3,0 MW

Generator PG = PGmax = 3,4 MW

Isključenje VP Strizivojna u t =150 ms nakon početka simulacije u trajanju od 750 ms u TS Đakovo

kV Đakovo 3.

Slika 1.1 Kut rotora u odnosu na kut napona referentne sabirnice (krute mreže); odstupanje frekvencije

generatora u Hz

Nakon isključenja VP Strizivojna u TS 110/20 kV Đakovo 3, generator preuzima cjelokupno

opterećenje izvoda što rezultira povećanjem generatorske frekvencije i smanjenjem kuta

rotora. Pri maksimalnoj djelatnoj snazi generator opskrbljuje sve potrošače izvoda,a višak

djelatne snage prelazi u ekvivalentnu mrežu TS 110/20 kV Đakovo 3, te se isključenje izvoda

manifestira kao smanjenje opterećenja generatora što se očituje smanjenjem kuta rotora i

povećanjem generatorske frekvencije.

U trenutku t = 0,182 s promjena frekvencije iznosi Δf = 0,036 Hz (slika 1.1); odnosno,

uzimajući vrijeme početka prijelazne pojave ispada VP Strizivojna u t = 0,150 s, trajanje ove

promjene je

Δt= 0,182 s – 0,150 s = 0,032 s. Stoga je Δf/Δt =0,036/0,032 = 1,125 Hz/s.

Zaštita df/dt > bi proradila

Najveća promjena kuta rotora za vrijeme prijelaznog procesa prema slici 1.1. je manja od 7° pa zaštita

Δθ> ne bi reagirala.

2.1.2 Najveća proizvodnja generatora i najmanje opterećenje izvoda

Analizama je pogonskih događaja utvrđena najveća promjena brzine frekvencije za slučaj

isključenja glavnog izvoda kod najveće proizvodnje djelatne snage generatora uz najmanje

opterećenje izvoda, te najmanje proizvodnje djelatne snage generatora uz najveće opterećenje

glavnog izvoda. Najmanje promjene brzine frekvencije se uočavaju kod isključenja glavnog

izvoda za slučaj kada je proizvedena djelatna snaga generatora jednaka opterećenju čitavog

0,74180,57340,40510,23670,0684-0,1000 [s]

57,00

55,00

53,00

51,00

49,00

47,00

generator: Rotor angle with reference to reference bus voltage in deg

0.150 s55.946 deg

0.162 s50.127 deg

0.402 s49.024 deg

0,74180,57340,40510,23670,0684-0,1000 [s]

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

-0,20

generator: Deviation of the El. Frequency in Hz

0.182 s 0.036 Hz

0.222 s 0.070 Hz

0.272 s 0.113 Hz

generator

Date: 6/27/2013

Annex: /6

DIg

SIL

EN

T

izvoda odnosno kada je PG ≈ PL odnosno kada nema injekcije proizvedene djelatne snage u

nadređenu ekvivalentnu mrežu TS 110/20 kV –A. Navedena razmatranja ukazuju da je nužno

promotriti brzinu promjene frekvencije sa disbalansom snage od 10% kod najvećih uočenih

promjena brzine frekvencije.

Slika 1.5. Kut rotora u odnosu na kut napona referentne sabirnice (krute mreže); odstupanje

frekvencije generatora u Hz

Nakon isključenja glavnog izvoda u TS 110/20 kV – A, generator preuzima cjelokupno

opterećenje izvoda što s obzirom na isporuku od PG=3,2 MW rezultira povećanjem

generatorske frekvencije i smanjenjem kuta rotora budući da je prije isključenja najveći dio

proizvedene djelatne snage bio injektiran u nadređenu u ekvivalentnu mrežu TS 110/20 kV -

A. Povećanje se frekvencije u ovom slučaju načelno može aproksimirati linearnom

funkcijom; u trenutku t=0,188 s vrijedi :

Δt= 0,188 s – 0,150 s = 0,038 s. Stoga je : Δf/Δt =0,154/0,038 = 4,052 Hz/s. Nadalje, u

trenutku t= 0,258 s vrijedi : Δt= 0,258 s – 0,150 s = 0,108 s Δf/Δt =0,339/0,108 = 3,138

Hz/s. Zaštita df/dt > bi proradila

Kut rotora generatora u trenutku isključenja glavnog izvoda skokovito pada na vrijednost

45,429°, a nakon toga približno linearno. Sada bi došlo i do isključenja generatora s mreže jer

je promjena kuta rotora za vrijeme prijelaznog procesa veća od 7° (Δθ>7° je podešeno na

vrijednost ove generatorske zaštitne funkcije elektrane), a brzina promjene frekvencije veća

od 0,2 Hz/s.

0,74400,57520,40640,23760,0688-0,1000 [s]

58,00

54,00

50,00

46,00

42,00

38,00

generator: Rotor angle with reference to reference bus voltage in deg

0.150 s55.396 deg

0.161 s45.429 deg

0.248 s43.155 deg

0,74400,57520,40640,23760,0688-0,1000 [s]

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

-0,50

generator: Deviation of the El. Frequency in Hz

0.168 s-0.000 Hz

0.188 s 0.154 Hz 0.258 s

0.339 Hz

generator

Date: 7/1/2013

Annex: /6

DIg

SIL

EN

T

2.1.3 Analiza brzine promjene frekvencije sa debalansom snage od 10% za slučaj

najveće proizvodnje generatora i najmanjeg opterećenja glavnog izvoda

Disbalans snage od 10% izvršen je na generatoru u trenutku t =150 ms nakon početka

simulacije čije je trajanje 1000 ms, uz proizvodnju djelatne snage PG=PGmax=3,2 MW i

opterećenje izvoda PLmin=1 MW :

Slika 2.2. Kut rotora u odnosu na kut napona referentne sabirnice (krute mreže); odstupanje

frekvencije generatora u Hz

Za trenutak t=0,192 s na oscilogramu vrijedi : Δt= 0,192 s – 0,150 s = 0,042 s. Stoga je :

Δf/Δt =0,004/0,042 = 0,095 Hz/s Nadalje, u trenutku t= 0,222 s vrijedi : Δt= 0,222 s – 0,150 s

= 0,072 s, odnosno Δf/Δt =0,009/0,072 = 0,125 Hz/s. U ovom slučaju zaštita nebi proradila .

Daljnje oscilacije frekvencije su slabijeg intenziteta, odnosno brzina promjene frekvencije je

manja od ovih dviju izračunatih vrijednosti. Kako je najmanja osjetljivost frekvencijskog

člana releja ABB REF 541 df/dt> 0,2 Hz/s ovim događajem ne bi bila dostignuta, te ne dolazi

do prorade zaštite od otočnog pogona.

3 Elektrana na bioplin snage 1 MW

Ukupna električna snage male elektrane je 1095kW/1550 kVA, priključnog napona

Un=10kV. Proizvedena električna energija male elektrane namjenjena je isporuci u

distribucijsku mrežu iznosi, te prema zakonskom okviru iznosi 1000kW. Planirano vrijeme

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

60,00

59,00

58,00

57,00

56,00

55,00

generator: Rotor angle with reference to reference bus voltage in deg

0.162 s55.412 deg

0.422 s58.491 deg

0.712 s56.979 deg

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

0,03

0,02

0,01

-0,00

-0,01

-0,02

generator: Deviation of the El. Frequency in Hz

0.302 s 0.016 Hz

0.222 s 0.009 Hz

0.192 s 0.004 Hz

generator

Date: 7/1/2013

Annex: /6

DIg

SIL

EN

T

neraspoloživsti generatora jest samo za potrebe održavanja i remonta. Mjesto sinkronizacije

generatora jest genaratorski prekidač.

Proizvodnja jalove energije treba biti u granicama od cos φ = 0,85 induktivno do cos φ = 1.

Skokovita promjena snage pri opterećenju i rasterećenju ne smije biti veća od 10% nazivne

snage generatora kako bi se osigurale minimalne kratkotrajne promjene napona.

Nadalje, potrebno je osigurati trenutno odvajanje male elektrane od distribucijske mreže u

slučaju pogona male elektrane u okolnostima koje bi za posljedicu imale veće odstupanje

napona od ±10% nazivnog priključnog napona, a frkevencije opsega 48 – 51 Hz. Prekidač za

odvajanje i glavni prekidač moraju biti opremljeni zaštitom u slučaju nestanka napona na

srednje naponskim sabirnicama 10(20) kV u pripadajućem rasklopnom postrojenju.

Uklopni položaj generatorskog prekidača izveden je tako da je uklop moguć isključivo preko

uređaja za sinkronizaciju. Pri tome razlika napona mora biti manja od ±10%, razlika

frekvecnija manja od ±0,5Hz, te razlika faznog kuta manja od ±10 stupnjeva.

Podaci o generatoru nalaze se u tablici 3.1.

Pogonska snaga kW 1095

Snaga pri cos φ = 1,0 kW 1063

Snaga pri cos φ = 0,8 kW 1051

Nazivna struja pri cos φ = 0,8 A 1897

Frekvencija Hz 50

Nazivni napon V 400

Broj okretaja o/min 1500

Dozvoljena maksimalna brzina vrtnje o/min 2250

Dozvoljeni cos φ 0,8 – 1,0

Učinkovitost pri cos φ = 1,0 % 97,1

Učinkovitost pri cos φ = 0,8 % 96,0

Moment inercije kgm2 36,33

Izvedba B3/B14

Mehanička zaštita IP 23

Razred izolacije H

Najveća dopuštena temperatura okoline °C 40

Ukupno harmonijsko izobličenje – THD % 1,5

Elektrane na bioplin imaju zaštitu od otočnog pogona puno kvalitetniju od elektrana na

biomasu Strizivojna Hrast, mada su od iste forme SEG Woodward, ali tipa MRG3 kao na slici

Slika 3.1. Zaštitni uređaj SEG Woodward MRG3

Numerički relja SEG Woodward MRG-3 koji se koriste u bioplinskim postrojenjima su više

razine integracije i imaju više funkcija u odnosu na relej u elektrani na biomasu Strizivojna

Hrast. Sa slike se vidi da postoje spora i brza pod/nad naponska zaštita U>,U>> i U<, U<<

kao i spora i brza pod/nad frekvencijska zaštita f< , f<< i f>, f>>. Ono što je važnije je da

kod bioplinskih postrojenje postoji i zaštita Δθ kao i df/dt> odnosno df/dt<

Podešenje zaštite za odvajanje kod bioplinskih elektrane je paramterirano prema tablici.

Tablica 3.1. Podešenje zaštite u bioplinskom postrojenju

Prvi stupanj podnaponske zaštite U< 90% Un t< 1 sec

Drugi stupanj podnaponske zaštite U<< 80% Un t<< 0,2 sec

Prvi stupanj nadnaponske zaštite U> 110%Un t> 30 sec

Drugi stupanj nadnaponske zaštite U>> 115%Un t>> 0,2 sec

Prvi stupanj nadzora frekvencije f1 -1 Hz (fn) t1 0,5 sec

Drugi stupanj nadzora frekvencije f2 -1,5 Hz (fn) t2 0,1 sec

Treći stupanj nadzora frekvencije f3 +1,5 Hz (fn) t3 0,1 sec

Vrijeme provjere faznog pomaka tf 4 ciklusa Δθ 8°

4 Sunčana elektrana snage 300 kW

Zaštita u sunčanim elektranama će se razmatrati kroz primjer 300kW sunčane elektrane

Comprom. Zaštita elektrane od otočnog pogona je realizirana pasivnim i aktivnim principom.

Pasivni princip zaštite je na prekidaču za odvajanje i aktivni u izmjenjivačima.

Izmjenjivač koji je upotrijebljen u ovoj elektrani je opremljen sa kontinuiranim nadzorom FN

modula, zaštitom od gubitka mrežnog napajanja, prenaponskom zaštitom FN modula,

zaštitom od inverznog polariteta FN modula, digitalnim ulazom za vanjski nadzor, potpunom

integracijom sa SANTERNO daljinskim sustavom nadzora za provjeru proizvodnje i

detekcije alarma, potpunim daljinskim nadzorom i pristupom putem SunwayPortal web

portala, sustavom za praćenje rada mreže, uređajem za automatsku sinkronizaciju, sustavom

za praćenje valnog oblika napona mreže, zaštitnim uređajem relej (U>, U>>, U<, U<<, f<, f>

>i uređajem za isključenje s mreže i uključenje na mrežu (isključenje s mreže u slučaju

nedozvoljenog pogona i uključenje na mrežu nakon ispunjenja uvjeta paralelnog rada) i

uređajem za detekciju otočnog rada (vrijeme prorade maks. 5 s).

Slika 4.1. Sustavi zaštite na sućelje SE Comprom i mreže HEP-a

U izmjenjivaču su realizirane sljedeće funkcije prema VDE 0126-1-1 standardu zaštite:

podnaponska U<, trenutna podnaponska U<<, nadnaponska U>, trenutna nadnaponska U>>,

podfrekvencijska f< i nadfrekvencijska f> i df/dt>.

Za zaštitu podnapona koristi se podnaponska zaštita koja je podešena na U<0,90Un s

vremenom prorade 20 s i brza podnaponska U<<0,75Un. Za zaštitu od prenapona mrežne

frekvencije koristi se prenaponska zaštita U> koja je podešena na 1,1Un s vremenom prorade

TS 35/10 kV

VARAŽDIN 1

TS 10/0.4 kV

COMPROM BREZJE 0.4 kV QAC

VP 10 kV Biškupečka

500 A

10 s (Prema zahtjevu HEP-a). Za zaštitu od visokog prenapona koristi se brza prenaponska

zaštita U>> koja je podešena na 1,15 Un s vremenom prorade 0,1 sPodfrekvencijska zaštita je

podešena na 47 Hz s vremenom prorade od 0,1 s, a nadfrekvencijska zaštita je podešena na 52

Hz s vremenom prorade od 0,1 s. Zaštita od brzine propada frekvencije df/dt =0,5 Hz s

vremenom 0,1 s.

4.1 Simulacija ispitivanja zaštite od otočnog pogona sunčane elektrane

U trenutku t=100 ms od početka simulacije isključen je vod 10 kV iz TS 35/10 kV V1:

Slika 4.2. tijek promjena vrijednosti Iks na vodu 10 kV iz TS 35/10 kV V1

Prvi oscilogram od gore prikazuje promjene na VN-strani transformatora 10/0,4 kV TS. Drugi

oscilogram od gore prikazuje promjene na vodu između razvodnog ormara QAC i 0,4 kV

sabirnica TS. Treći oscilogram od gore prikazuje promjene na vodu između stezaljki

izmjenjivača A (100 kW) i razvodnog ormara QAC. Četvrti oscilogram od gore priazuje

promjene u trenutku t = 205 ms od početka simulacije kada dolazi do prorade podnaponske

zaštite izmjenjivača te isključenja svih izmjenjivača sa mreže 0,4 kV. U trenutku t=300 ms od

početka simulacije dolazi do prorade podnaponske zaštite uređaja Thytronic unutar QAC. (-

Q1) U trenutku t=400 ms od početka simulacije dolazi do prorade podnaponske zaštite

prekidača za odvajanje. (-Q02) . Otočni se pogon u izmjenjivačima pored U/f zaštite u samim

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

-0,20

QAC- TS SE Comprom plus: Positive-Sequence Current, Magnitude/Terminal i in kA

0.080 s 0.415 kA

0.205 s 0.703 kA

0.327 s 0.000 kA

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

0,16

0,12

0,08

0,04

-0,00

-0,04

Izvod iz TS 35/10 kV Varazdin 1: Positive-Sequence Current, Magnitude/Terminal i in kA

0.100 s 0.136 kA

0.139 s 0.000 kA

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

0,04

0,03

0,02

0,01

-0,00

-0,01

TRF TS Comprom Plus: Positive-Sequence Current, Magnitude/HV-Side in kA

0.090 s 0.017 kA

0.205 s 0.028 kA

0.237 s 0.000 kA

0,99180,77340,55510,33670,1184-0,1000 [s]

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

-0,10

QAC-Izmjenjivac A: Positive-Sequence Current, Magnitude/Terminal i in kA

0.080 s 0.138 kA

0.205 s 0.234 kA

0.277 s 0.000 kA

struje

Date: 2/23/2014

Annex: /1

DIg

SIL

EN

T

izmjenjivačima detektira i aktivnim mjerenjem impedancije mreže korištenjem periodičkog

utiskivanja strujnih impulsa. Ako dođe do ravnoteže proizvodnje Sunačne elektrane i

potrošnje na izvodu, izmjenjivači prate impedanciju mreže i detektiraju naglu promjenu

impedancije. Izmjenjivači kod tog ravnotežnog stanja mogu detektirati otočni pogon kod

prekida. Pri tim uvjetima sklop ENS31 u izmjenjivačima automatski isključuje izmjenjivače s

mreže u vremenu do 5 s.

Slika 4.3 . Detekcija otočnog pogona sugladno VDE 0126-1-1 pokusu

U nekim drugim sunčanim elektranama kod koji se koriste izmjenjivači tvrtke SMA zaštita od

otočnog pogona je izvedena s aktivom zaštitom od otočnog pogona SunnyTriPower koja prati

promjenu radne točke reaktivne komponente struje izmjenjivača. Reaktivna komponenta

struje se mijenja putem AID (Anti islanding Detection kontrolera) u namjeri da omogući

isporuku induktivne ili kapacitivne snage kako bi se naizmenice injektirala u mrežu.

Ako ne postoji priključena mreža koja iz bilo kojeg razloga ispadne pri ravnoteži predane i

primljene snage ili ako se pojavi oscilatorni strujni LRC krug na izlazu izmjenjivača (Sunny

Central izlaz), reaktivna snaga se ne može isporučiti u mrežu. Nadzorna jedinica u

izmjenjivaču isključuje izmjenjivač.

Slika 4.4. Zaštita od otočnog pogona SMA izmjenjivača

Kod kratkih prekida (manjim od 3 s), nakon kratkih spojeva i prorade zaštita elektrane ili

prekidača za odvajanje elektrana se uključuje nakon 5 s. Detekcija nesimetrije napona je

uključena i podešena na 10 % Un i vrijeme prorade 5 ms. Detekcija maksimalne brzine

promjene frekvencije napona df/dt je uključena i podešena na 1 Hz/s i vrijeme prorade 10 ms.

5 Zaključak

U radu su prikazane zaštite od otočnog pogona za tri različita tipa distribuirane proizvodnje iz

obnovljivih izvora energije. U prvom dijelu obrađena je elektrana na biomasa sa parnim

kotlom, parnom turbinom i sinkronim generatorom. U drugom dijelu je obrađena elektrana na

bioplin sa plinskim motorom i sinkronim generatorom. U trećem dijelu opisana je sunčana

elektrana sa statičkim izmjenjivačima renomiranog proizvođača.

Kod prvog tipa elektrane je ustanovljeno kako zaštita od pomaka faznog kuta napona i mreže

Δθ> ne zadovoljava uvjete postavljene Mrežnim pravilima elektroenergetskog sustava

ODS-a vezano za otočni rad elektrane. Zato je predloženo uvođenje funkcije zaštite brzine

promjene frekvencije df/dt> koja je osjetljivija i bolje prepoznaje debalans snage proizvodnje

i potrošnje izvoda kod realnih vrijednosti.

Kod drugog tipa elektrane već proizvođač generatorskog bloka koristi višu razinu integracije

mikroprocesorskog releja koji ima i brzi stupanj podfrekvencijske zaštite uz postojeću df/dt>

funkciju. Kako je dinamika plinskog motora u generatorskom bloku različita od parne turbine

ovakav sustav zaštite je neosjetljiv na promjene uslijed debalansa snage.

Kod sunčanih elektrana koriste se vrlo kvalitetni izmjenjivači koji u sebi imaju ugrađene

pasivne elemente i posebne aktivne elemente zaštite od otočnog pogona. Široka primjena u

Europi ovakvih pretvarača rezultirala je najnaprednijim sustavom zaštite od otočnog pogona.

6 Popis referenci

[1.] Mreža pravila elektroenergetskog sustava, NN 36/06, MINGORP

[2.] R. Bugdal, A. Dysko, G.M.Burt, J.R. McDonald :''Performance analysis of the

ROCOF and Vector Shift Methods using a dynamic protection modelling approach'',

PSP 2006, Effect of distributed generation on power system protection, pp 139-144.

[3.] A. Beddoes, P. Thomas, M. Gosden :''Loss of Mains protection relay performances

when subjected to network disturbances/events'', 18 th International Conference on

Electricity Distribution – CIRED, Turin, 6-9 June 2005

[4.] S. Nikolovski, P. Marić „ Elaborat podešenje zaštite elektrane na biomasu Strizivojan

„Hrast“ na mrežu HEP-a“ ETF Osijek, listopad 2010 [5.] Energocontrol Zagreb : ''Izbor podešenja električnih zaštita u postrojenjima mE Hrast

Strizivojna'', Elaborat, 2012.

[6.] S.Nikolovski, P.Marić, „Elaborat podešenja zaštite Sunčane elektrane Comprom Plus

300 kw na mrežu HEP-a“, Elektrotehnički fakultet Osijek, veljača 2014.

[7.] W. Freitas, Z. Huang, W. Xu, „A Practical Method for Assessing the Effectiveness of

Vector Surge Relays for Distributed Generation Applications“, IEEE Transactions on

Power Delivery, vol. 20, no. 1, siječanj 2005.

[8.] Woodward Manual MRG3 GB, Woodward SEG GmbH & Co. KG, 2006