Zarządzanie dostawami energii do sieci 2.0: regulator systemu wytwarzania energii z dodatkowymi funkcjami Phoenix Contact oferuje certyfikowane rozwiązania dla systemów fotowoltaicznych.

Widok na farmę fotowoltaiczną z setkami paneli fotowoltaicznych

Streszczenie

Operatorzy sieci są zobowiązani do dostarczania do sieci jak największej ilości energii odnawialnej bez narażania stabilności sieci. Do sterowania i regulacji mocy czynnej i biernej stosuje się regulatory systemu wytwarzania energii. Certyfikowane urządzenia Phoenix Contact potrafią jeszcze więcej dzięki PLCnext Technology.

Przegląd systemu PV z zarządzaniem dostawami energii do sieci

Wytwarzanie energii i jakość sieci: wyzwanie dla transformacji energetycznej

Według niemieckiego Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii, odnawialne źródła energii są najważniejszym źródłem energii elektrycznej w Niemczech. Jako główny filar transformacji energetycznej, udział energii odnawialnych w zużyciu energii elektrycznej stale rośnie: z około 6% w 2000 roku do 46% w 2022 roku. Pod koniec 2022 r. około 2,6 mln systemów fotowoltaicznych (PV) wyprodukowało około 66 GW mocy w ramach rynku odnawialnych źródeł energii. Jednak stały wzrost liczby instalacji fotowoltaicznych zarówno w sieci niskiego, jak i średniego napięcia stwarza poważne wyzwania. Wynika to z faktu, że rozproszone systemy wytwarzania energii muszą również przyczyniać się do zapewnienia jakości sieci.

Jako parametry do oceny jakości służą częstotliwość i napięcie. Częstotliwość sieci zależy od bilansu mocy czynnej sieci. Jeśli jednostki wytwórcze dostarczają do sieci więcej mocy czynnej niż wymagają tego odbiorcy, częstotliwość sieci wzrasta. Z kolei na napięcie sieciowe wpływa bilans mocy biernej sieci. Jeśli zapotrzebowanie na moc bierną wzrasta, prowadzi to do obniżenia napięcia sieciowego.

Wymagania techniczne i regulacyjne

Często mówi się, że rozproszone systemy wytwarzania energii mają negatywny wpływ na jakość sieci. Wynika to głównie z faktu, że warunki zewnętrzne, takie jak wiatr lub słońce, które w znacznym stopniu determinują wydajność systemów, nie są ani kontrolowane, ani wystarczająco możliwe do zaplanowania. Zapomina się przy tym, że systemy te już dziś oferują możliwości techniczne do stabilizacji częstotliwości i napięcia sieciowego. Jeśli udział energii odnawialnej w zużyciu energii elektrycznej ma znacząco wzrosnąć w perspektywie średnioterminowej, bez wątpienia konieczna jest masowa ekspansja zasobników energii.

Oprócz wytwarzania energii, należy również rozwiązać ogólne problemy związane z dystrybucją energii. Liberalizacji rynków energii elektrycznej w coraz większym stopniu towarzyszy transgraniczny przesył energii. Logiczną konsekwencją było przyjęcie europejskich specyfikacji w kodeksie sieci „Network Code – Requirements for Generators“. Kodeks sieci opisuje zasady przyłączania do sieci, którym podlegają systemy wytwarzania energii zainstalowane w Europie. Aby osiągnąć najlepsze możliwe korzyści, musi on być dostosowany do lokalnych warunków w poszczególnych krajach.

Dotyczy większości instalacji komercyjnych

W tym kontekście stowarzyszenie VDE (Stowarzyszenie Branży Elektrotechniki, Elektroniki i Informatyki) na zlecenie niemieckiego Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii opracowało cztery krajowe zasady stosowania dla wszystkich poziomów napięcia. Jako jedna z wytycznych, VDE-AR-N 4110 „Techniczne zasady przyłączania średniego napięcia” zastępuje wytyczne dot. średniego napięcia BDEW (Niemieckie Stowarzyszenie Energetyki i Gospodarki Wodnej). Od kwietnia 2019 r. zgodność z normą VDE-AR-N 4110 jest obowiązkowa dla wszystkich nowych systemów wytwarzania energii, które mają zostać uruchomione z mocą systemu 135 kW lub większą i zakresem napięcia od 1 do 60 kV. Zasady mają zatem zastosowanie do większości komercyjnych systemów PV.

Jeden z aspektów VDE-AR-N 4110/20 dotyczy obowiązku stosowania wyłącznie certyfikowanych regulatorów zarządzania dostarczaniem energii do sieci. Regulatory systemu wytwarzania energii zapewniają, że ustawione wartości mocy czynnej lub biernej oraz określone procedury sterowania są przestrzegane w punkcie przyłączenia do sieci. Wartości zadane są określane przez strony trzecie – operatora sieci lub bezpośredniego sprzedawcę – za pomocą zdalnego sterowania lub w ramach charakterystyk zdefiniowanych w VDE-AR-N 4110/20.

Kombinacja aparatury łączeniowej z regulatorem systemu wytwarzania energii

Kompletna kombinacja aparatury łączeniowej wraz z certyfikowanym regulatorem systemu wytwarzania energii firmy Phoenix Contact

Problematyczna certyfikacja własnych rozwiązań

FGW TR8 to obowiązujące wytyczne dotyczące certyfikacji parametrów elektrycznych regulatorów systemu wytwarzania energii. W odniesieniu do pomiaru i testowania tych parametrów elektrycznych należy kierować się FGW TR3. Natomiast modelowanie i walidacja modeli symulacyjnych parametrów elektrycznych są przedmiotem FGW TR4.

Uzyskanie tzw. certyfikatu komponentu dla regulatorów systemu wytwarzania energii wymaga dużego wysiłku, zarówno technicznego, jak i finansowego. W szczególności w fotowoltaice, gdzie rynek w Niemczech jest bardzo rozdrobniony, certyfikacja opracowanych samodzielnie sterowników nie będzie opłacalna dla większości wykonawców. Aspektem, który powinien być co najmniej tak samo ważny jak zgodność z dyrektywą przyłączeniową, jest elastyczne wykorzystanie regulatora.

Wiele funkcji w jednym urządzeniu

W tym kontekście, jeszcze przed certyfikacją, Phoenix Contact rozważał kwestię, w jaki sposób zapewnić zgodność z normami bez konieczności rezygnacji z wielu możliwości sterowania przemysłowego, na którym oparte jest rozwiązanie. Bowiem jako sprzęt wykorzystywana jest aktualna generacja sterowników PLC oparta na otwartej PLCnext Technology.

Technologia ta nie tylko umożliwia wykorzystanie w jednym projekcie różnych języków programowania, takich jak IEC 61131, C/C++, C# czy Matlab/Simulink. Możliwe jest również łączenie różnych funkcji w jednym urządzeniu. Phoenix Contact nie oferuje tu rozwiązania typu „wszystko w jednym”, ale raczej zwraca się do użytkowników, którzy posiadają niezbędną wiedzę systemową i programistyczną dla swojej aplikacji. Na przykład w początkowych projektach, oprócz certyfikowanej funkcji regulacji w tym samym sterowniku przemysłowym zaimplementowano interfejs do zdalnego sterowania. Takie podejście jest opłacalne i oszczędza miejsce, ponieważ do tego zadania zwykle używane są dwa oddzielne urządzenia.

Topologia sterownika z PLCnext Technology

Sterownik PLCnext Control umożliwia opracowanie kodu programu za pomocą różnych narzędzi oprogramowania, a nawet równoległe wykonywanie na urządzeniu

Przykład zastosowania do prostego uruchomienia

Aby wesprzeć klientów w uruchomieniu opisanego powyżej rozwiązania, Phoenix Contact udostępnia przykład aplikacji do podłączenia technologii zdalnego sterowania, w tym aplikację internetową do parametryzacji regulatora systemu wytwarzania energii. Oprócz implementacji odpowiednich interfejsów uzależnionych od konkretnych wymagań nie są potrzebne żadne inne modyfikacje. W razie potrzeby można jednak dodać dodatkowe funkcje. Tryb regulacji, konfiguracja standardowych parametrów regulatora PID, ustawianie punktów bazowych charakterystyki, przechowywanie wzorców bitowych dla odbiornika zdalnego sterowania lub rejestrowanie wszystkich istotnych parametrów sieci i regulatora podczas pierwszego uruchomienia są częścią tej aplikacji.

Phoenix Contact oferuje również dodatkowe biblioteki bloków funkcyjnych do implementacji specjalnych interfejsów regulatora systemu wytwarzania energii. Obejmują one moduły do integracji rozproszonych systemów za pośrednictwem zdalnego sterowania. Ponadto moduły funkcyjne specyficzne dla fotowoltaiki upraszczają komunikację z falownikami i miernikami parametrów sieci lub połączenie z portalem dowolnego producenta.