Metodyka oceny zgodności modułów wytwórczych z Kodeksem Sieci i wyniki badań
Methodology for assessing the compliance of generation modules with the Grid Code and test results
Od początku 2024 r. na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej (WEiA PG) są prowadzone badania zgodności modułów wytwarzania energii (MWE) typu A i B, obejmujące m.in. falowniki PV i przekształtniki do współpracy z magazynami energii. Badania te są wymagane do certyfikacji i wpisu na listę PTPiREE, stanowiąc warunek wprowadzenia urządzeń do obrotu na rynku polskim. Realizuje się je zgodnie z Rozporządzeniem Komisji (UE) 2016/631 (NC RfG) [1] oraz Wymogami Ogólnego Stosowania (WOS) [2], a w stosownym zakresie także z normą PN-EN 50549-1 [3].
W artykule:
|
StreszczenieArtykuł przedstawia metodykę oceny zgodności modułów wytwórczych typu A z wymaganiami Kodeksu Sieci (NC RfG). Badania prowadzone są na podstawie uzyskanej akredytacji, we współpracy z Instytutem Energetyki w Warszawie, w laboratorium LINTE^2 Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej. Obejmują one zarówno badania certyfikujące urządzenia gotowego do wprowadzenia na rynek, jak i badania techniczne urządzeń w fazie rozwoju. Parametryzację emulowanej sieci nn umożliwia unikatowe stanowisko badawcze zbudowane w ramach projektu IDUB, pozwalające precyzyjnie odtwarzać napięcia sieci o zadanych częstotliwościach i amplitudach, zgodnie z wymaganiami Kodeksu Sieci. |
AbstractThis paper presents the principles of testing LV inverters, of type A, in accordance with the requirements of the grid code (NC RfG) for which the current requirements are provided. As part of the accreditation obtained in cooperation with the Institute of Power Engineering in Warsaw, this type of testing, starting from design work to finished product testing, is conducted at the LINTE^2 laboratory at the Gdańsk University of Technology. Frequency changes in the grid are forced by a unique device developed as part of the IDUB project, which enables precise parameter changes in the separated grid to be forced according to the grid code requirements. |
Połączenie doświadczenia zdobytego w toku badań z posiadaną wiedzą sprawia, że – poza dopracowanymi formalnymi procedurami – zespół dysponuje znaczącymi kompetencjami w obszarze projektowania układów sterowania przekształtnikami oraz w zaawansowanej analizie danych pomiarowych i ich wiarygodnej interpretacji. W artykule przedstawiono wytyczne oceny zgodności tych urządzeń oraz możliwości techniczne laboratorium, zilustrowane wybranymi wynikami badań.
W artykule przedstawiono przykładowe charakterystyki generacji mocy czynnej – zarówno dla badań z wynikiem pozytywnym, jak i negatywnym – które ułatwiają interpretację wymagań stawianych projektantom MWE.
Dokumenty prawne dotyczące badań falowników
Kodeks sieci NC RfG określa wymagania w zakresie przyłączania synchronicznych MWE, modułów parku energii oraz morskich modułów parku energii do systemu elektroenergetycznego. Rozporządzenie [1] ustanawia obowiązki zapewniające właściwe wykorzystanie zdolności wytwórczych przez operatorów systemów w sposób przejrzysty i niedyskryminacyjny, z zachowaniem równych szans dla podmiotów w całej UE.
WEiA PG działa jako podwykonawca jednostki certyfikującej – Instytutu Energetyki w Warszawie – który posiada kompetencje do oceny wskazanych urządzeń oraz akredytację zgodną z EN ISO/IEC 17065 w zakresie [1–3]. Na podstawie tych dokumentów możliwe jest prowadzenie oceny zgodności MWE typu A, dla których: (I) warunki przyłączenia zostaną wydane od 1 stycznia 2027 r., oraz (II) zgłoszenie przyłączenia zostanie złożone od 1 stycznia 2027 r. W odniesieniu do MWE typów B, C i D wymogi dotyczą jednostek, dla których warunki przyłączenia zostaną wydane od 1 grudnia 2025 r., a także w zakresie modernizacji lub remontu – w przypadku zgłoszenia właściwemu operatorowi systemu modernizacji albo modyfikacji parametrów technicznych MWE typu C i D, powodujących konieczność znacznej zmiany umowy przyłączeniowej zgodnie z art. 4 ust. 1 lit. a) NC RfG, złożonego od 1 grudnia 2025 r.
Zakres działania Laboratorium LINTE^2, wynikający z wydanych dokumentów certyfikacyjnych, obejmuje wyłącznie MWE typu A o mocy zgodnej z wytycznymi kodeksu, tj. od 0,8 kW do 50 kW. Obowiązujące Wymogi Ogólnego Stosowania (WOS) [2], opracowane w grudniu 2018 r., stanowią podstawę prowadzenia przez Laboratorium LINTE^2 badań dla MWE typu A i typu B. Uzyskane dotąd certyfikaty zachowują ważność w okresie przejściowym; po jego zakończeniu nowe wymagania (opracowane w maju 2025 r.) będą stanowiły wyłączną podstawę do wpisu na listę PTPiREE i wprowadzenia urządzeń do obrotu na rynku polskim.
Stanowisko do badania MWE i metodyka badań
Na stanowisku do badań MWE zbudowanym w Laboratorium LINTE^2 wykonuje się badania zgodnie z zakresem przywołanym zaktualizowanym dokumentem (obowiązuje od 1 listopada 2024 r. – Warunki i procedury wykorzystania certyfikatów w procesie przyłączania modułów wytwarzania energii do sieci elektroenergetycznych), opracowanym zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiającego Kodeks Sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci (kodeks NC RfG), który reguluje zasady wykorzystania certyfikatów w procesie przyłączania jednostek wytwórczych.
Na podstawie tego dokumentu zakres prób i pomiarów określono zgodnie z zestawieniem podanym w tabeli 1.
Tab. 1. Zestawienie badań koniecznych do wykonania oceny falowników wg wymagań dokumentów [1, 2, 3]
W tabeli podano również dla kolejnych wymaganych prób punkty z dokumentów [2, 3], które określają – szczególnie w przypadku analizy normy [3] – szczegółową metodykę wykonywania badań i interpretacji ich wyników.
W ubiegłym roku PTPiREE wydało dokument [4], który wyłącza z oceny modułów następujące zagadnienia: wpływu lokalizacji miejsca przyłączenia, występujące oddziaływania na system elektroenergetyczny pod kątem zmiany parametrów jakościowych energii elektrycznej, oddziaływania na pracę zabezpieczeń linii; wpływu zamierzonej lub awaryjnej pracy wyspowej przy braku doprowadzenia elementów sieci dystrybucyjnej, analizy warunków przyłączenia i działań weryfikacyjnych podczas planowania przyłączenia urządzenia oraz szereg innych sytuacji wynikających ze współpracy z siecią napięcia gwarantowanego lub napięcia stałego.
Stanowisko wykorzystywane do badań przedstawiono na rysunku 1. Badany MWE montuje się zgodnie z wymaganiami producenta na przygotowanym uniwersalnym stojaku z podstawą jezdną. Zazwyczaj zgodnie ze specyfikacją producenta występuje pozycja pionowa, co zapewnia dostęp do interfejsu użytkownika oraz wymagane przez producenta chłodzenie urządzenia.
Rys. 1. Schemat stanowiska do badań modułów wytwarzania energii zgodnie z NC RfG,
rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Stanowisko badania MWE ma moc znamionową 200 kVA. Zakres regulacji napięcia DC stanowiska badawczego wynosi 0–800 V i umożliwia trzy tryby pracy:
- emulacja łańcuchów PV – 8 konfigurowalnych i niezależnych łańcuchów z dwoma wyjściami 0–20 A,
- emulacja magazynu energii – połączenie równoległe wymaganej liczby wyjść,
- zasilacz DC – do 250 A.
Oprogramowanie pozwala na modelowanie dowolnych łańcuchów PV i magazynów energii, a w trybie zasilacza precyzyjne regulowanie napięcia, prądu albo mocy. Wyjścia DC zabezpieczone są rozłącznikami bezpiecznikowymi.
Strona AC badanego modułu podłączana jest do sieci generowanej przez stanowisko badawcze. Za wytwarzanie napięcia sieci odpowiada przekształtnik złożony z trzech mostków tranzystorowych podłączonych do jednofazowych transformatorów. Strony wtórne transformatorów połączone są w gwiazdę z wyprowadzonym przewodem neutralnym, co pozwala na podłączenie zarówno urządzeń jedno- jak i trójfazowych oraz zapewnia separację galwaniczną. Dostępna jest płynna regulacja częstotliwości w zakresie 45–55 Hz i napięcia: 3×(0–500 V) (trójfazowo) albo 1×(0–290 V) (jednofazowo). Obwód napięcia przemiennego zabezpieczono wymiennymi wkładkami bezpiecznikowymi zabudowanymi w rozłączniku NH 160, o parametrach dobranych do prądu znamionowego MWE, po stronie AC. W przypadku badania modułów o większych mocach stojak umożliwia wymianę aparatów rozłącznikowych na wyższy prąd znamionowy – do 630 A.
Do pomiaru prądu i napięcia DC wykorzystuje się amperomierz i woltomierz. Natomiast kluczowy dla oceny pomiar po stronie AC wykonuje się za pomocą przyrządu do pomiaru jakości energii elektrycznej, który pracuje w trybie uśredniania co 1 s. W każdym okresie 1 s przyrząd próbkuje z częstotliwością 6,4 kHz w sposób ciągły (bez czasów „martwych”) wartości chwilowe napięcia i prądu. Następnie na podstawie otrzymanych próbek sygnału oblicza wartości skuteczne napięcia, prądu, częstotliwość, współczynnik odkształcenia wyższych harmonicznych THD oraz moc czynną, bierną i pozorną. Z podanych wartości częstotliwość oraz moc czynna są podstawowymi parametrami, które stanowią podstawę oceny badanego modułu wytwarzania energii w procesie badań.
Przykładowe wyniki badań
W pierwszym etapie badań (tab. 1., lp. 1) analizuje się w dwóch 30-minutowych próbach zdolność pracy modułu w zakresie częstotliwości 47,5–48,5 Hz oraz 48,5–49 Hz odbiegających zasadniczo od częstotliwości sieci (rys. 2. i 3.).
Rys. 2. Poprawne generowanie mocy czynnej 28 kW przez falownik sieciowy podczas zmian częstotliwości 47,5–48,5 Hz,
rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Rys. 3. Wyłączenie falownika po czasie około 11 minut przy generacji mocy czynnej 1200 W przy częstotliwości 47,6 Hz, rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Próbę tę wykonuje się dla wybranych generowanych poziomów mocy skorelowanych z dostępną mocą od strony DC falownika. Podczas próby nie może wystąpić wyłączenie urządzenia, natomiast dopuszcza się ograniczenie mocy generowanej, ale wyłącznie do 90% założonej mocy początkowej, co wynika z punktu 5 tabeli 1.
Podczas tego rodzaju prób występują w niektórych przypadkach zdarzenia negatywne, szczególnie podczas wymuszania w separowanej sieci zasilającej częstotliwości zbliżonej do 47,6 Hz – tak jak miało to miejsce po 11 minutach od rozpoczęcia testu (rys. 3.) przy generowaniu mocy czynnej 1200 W przez obiekt badany.
W kolejnym punkcie programu badań (tab. 1., lp. 2) występuje sprawdzenie zdolności MWE do generowania mocy oddawanej na sieć przy prędkościach zmian częstotliwości nie większych niż 2,0 Hz/s. Częstotliwość pracy w sztucznej sieci zmienia się wówczas według algorytmu 50,0 – 51,0 – 49,0 – 51,0 – 50,0 Hz, a nagła zmiana częstotliwości o 2 Hz występuje zarówno podczas zmniejszania, jak i wzrostu częstotliwości. Podczas tego rodzaju wymuszeń urządzenie powinno pracować nieprzerwanie i stabilnie. Przykład niestabilnej pracy podczas testu (zaprzestanie generacji mocy czynnej) pokazano na rysunku 4.
Rys. 4. Niepoprawne zachowanie obiektu badanego w postaci zaprzestania generacji mocy czynnej (15. sekunda testu) podczas próby zmian prędkości częstotliwości równej df/dt = 2 Hz/s,
rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Urządzenie podczas zwiększania częstotliwości zmniejszyło moc wyjściową z około 17 kW do 11 kW, co wynika z funkcji LFSM-O i jest prawidłowym zachowaniem obiektu badanego. Przy rozpoczęciu procedury zmniejszania częstotliwości wystąpiło zaprzestanie generacji mocy czynnej, co jest niezgodne z wymaganiami dokumentów normatywnych, w 15. sekundzie trwania badania.
Przykład wielokrotnego poprawnego działania podczas tego testu pokazano na rysunku 5., gdzie zmniejszenie częstotliwości nawet z 51 Hz do 48 Hz nie powoduje wyłączenia.
Rys. 5. Poprawna reakcja falownika podczas próby nagłych zmian częstotliwości w sztucznej sieci dla 3 różnych mocy zadanych, tj. 16, 10 i 3 kW (obiekt badany występuje dla trzech różnych mocy znamionowych), rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski,
K.J. Szwarc
Kolejną próbę (tab. 1., lp. 3) zdalnego zaprzestania generacji mocy czynnej przeprowadza się dla obciążonego MWE na dowolnym poziomie generowanej mocy przy częstotliwości 50,0 Hz. Po doprowadzeniu do MWE sygnału zdalnego wyłączenia w dostępny dla urządzenia sposób oczekuje się jego wyłączenia lub zaprzestania generowania mocy czynnej. W przypadku kilku możliwości technicznych zdalnego wyłączania urządzenia, każda z nich podlega oddzielnej weryfikacji. Poprawne działanie przedstawia rysunek 6., na którym w 6,5 s próby rozpoczyna się proces ograniczania mocy wyjściowej do 0 W, który trwa około 7 s.
Rys. 6. Przykład poprawnego przebiegu próby zdalnego zaprzestania generacji mocy (strzałką wskazano moment wygenerowania zdalnego sygnału zaprzestania generacji mocy czynnej), rys. J. Katarzyński,
M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
W dalszej części testów (tab. 1., lp. 4) analizuje się parametry statyczne dla trybu LFSM-O, oczekując ograniczenia mocy czynnej przy wzroście częstotliwości w sieci zasilającej. Przykład wyników tej próby pokazano na rysunku 7.
Rys. 7. Zmiana mocy na wyjściu falownika wynikająca ze wzrostu częstotliwości sieci, określona dla statyzmu 2, 3 i 5%,
rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
W badaniu sprawdzano, czy urządzenie ogranicza generowaną moc czynną w odpowiedzi na zmianę częstotliwości systemu zasilania powyżej określonej wartości – parametry statyczne dla trybu LFSM-O badane są dla trzech różnych nastaw statyzmu: 2%, 5% i 12%.
Statyzm S określa następujący wzór:
gdzie:
Pref – znamionowa moc czynna, z którą związane jest ΔΡ,
ΔΡ – zmiana generowanej mocy czynnej modułu wytwarzania energii,
fn – częstotliwość znamionowa (50 Hz) sieci,
Δf – odchylenie częstotliwości sieci.
Próbę według przebiegu z rysunku 7. prowadzi się w zakresie częstotliwości od 50,0 do 51,5 Hz, przy wstępnym obciążeniu stałą mocą, wynikającą z dostępnej mocy fotowoltaiki, po stronie DC. Znamionowa wartość oddawanej mocy czynnej zostanie zweryfikowana w początkowym okresie próby, kiedy od strony DC zostanie załączone napięcie DC, a częstotliwość po stronie AC będzie wynosić 50,0 Hz. Następnie zmienia się częstotliwość z krokiem 0,1 Hz, aż do osiągnięcia wartości nie większej od 51,5 Hz.
Wynik próby może zostać określony jako pozytywny, jeśli spełniony zostanie szereg warunków określonych poniżej:
- przedział częstotliwości, w którym MWE zaczyna ograniczać moc czynną, zawiera się w zakresie 50,2–50,5 Hz,
- maksymalny czas, po którym MWE rozpocznie ograniczanie mocy, nie powinien przekraczać
2 s, - statyzm charakterystyki S (1) w dwóch skrajnych ustawieniach MWE musi wynosić odpowiednio: minimalnie 2% oraz maksymalnie 12% (dwie niezależne próby),
- trzecia próba ma wykazać statyzm 5% charakterystyki ΔP/Pref = f(Δf/fn) jako ustawienie domyślne.
Przedostatnia próba (tab. 1., lp. 5) dotyczy sprawdzenia dopuszczalnej redukcji mocy czynnej przy spadku częstotliwości (dopuszczalna redukcja mocy LFSM-U).
W tym przypadku próbę należy przeprowadzić w zakresie częstotliwości od 50,0 do 47,5 Hz, podczas której MWE będzie obciążony niezmienną w czasie, stałą mocą, wynikającą z dostępnej mocy fotowoltaiki lub innego źródła po stronie DC. Znamionowa wartość oddawanej mocy czynnej zostanie zweryfikowana w początkowym okresie próby, kiedy od strony DC zostanie załączona znamionowa wartość napięcia DC, a częstotliwość po stronie AC będzie wynosić 50,0 Hz. Następnie częstotliwość będzie zmieniana z krokiem 0,1 Hz, aż do osiągnięcia wartości 47,5 Hz.
Wynik próby uznawany jest za pozytywny, jeżeli poniżej częstotliwości 49 Hz dopuszczalny poziom redukcji mocy nie przekroczy 10% mocy maksymalnej MWE przy spadku częstotliwości o 1 Hz. Uzyskane wartości pomiarów mocy i częstotliwości służą do wyznaczenia charakterystyk LFSM-O, które zaprezentowano na rysunku 8.
Rys. 8. Charakterystyki LFSM-O, wyznaczone na podstawie pomiarów zaprezentowanych na rysunku 7., rys. J. Katarzyński, M. Olesz,
A. Cichowski, K.J. Szwarc
W ostatnim punkcie według tabeli 1. analizuje się reakcję urządzenia na powrotne podanie napięcia (dwie wartości częstotliwości – 49 Hz i 50 Hz) z symulatora sieci. W takiej sytuacji badany obiekt powinien załączyć się automatycznie do sieci w określonym czasie, tj. powyżej 1 minuty. Przykład poprawnej resynchronizacji pokazano na rysunkach 9. i 10.
Po resynchronizacji MWE powinno:
- oddawać moc do sieci przy gradiencie wzrostu generowanej mocy nie większym niż 10% mocy maksymalnej na minutę,
- ze względu na brak ograniczenia mocy po stronie DC MWE musi oddawać moc maksymalną wynikającą z napięcia po stronie DC po czasie nie krótszym niż 10 minut.
Na rysunku 9. zaprezentowano próbę powtórnego przyłączenia się obiektu badanego do sieci (resynchronizacji) w czasie 67 sekund od momentu powrotu napięcia sieciowego, co widoczne jest w powiększeniu na kolejnym rysunku 10.
Rys. 9. Resynchronizacja MWE do sieci z wynikiem pozytywnym. Czas załączenia się do sieci powyżej 60 sekund oraz narastanie mocy generowanej do sieci od 0 do znamionowej z rampą 8%, rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Rys. 10. Resynchronizacja MWE do sieci z wynikiem pozytywnym. Powiększenie obszaru zakreskowanego linią przerywaną na rysunku 9., rys. J. Katarzyński, M. Olesz, A. Cichowski, K.J. Szwarc
Częstotliwość napięcia sieciowego musi zawierać się w przedziale między 49,00 a 50,05 Hz, aby MWE rozpoczęło odliczanie czasu zadanego. Obiekt badany po odliczeniu czasu powyżej 60 sekund, zgodnie z wymaganiami dokumentów normatywnych, załącza się do sieci i zaczyna generować moc czynną z gradientem około 7%, co zajmuje mu czas około 13 minut, aby dojść ponownie do generowania mocy znamionowej.
Wnioski
Akredytowane stanowisko zbudowane w laboratorium LINTE^2 do oceny modułów wytwarzania energii umożliwia wykonywanie kompleksowych badań zgodnie z wytycznymi prawa technicznego w tym zakresie.
Niektóre z testów wymuszają precyzyjne sterowanie częstotliwością sztucznej sieci i wymagają specjalnych rozwiązań technicznych, nieosiągalnych dla typowych rozwiązań.
Producenci i dystrybutorzy przekształtników DC/AC, chcący wpisać swoje urządzenia na listę PTPiREE, mogą wykonać badania w Polsce – na podstawie pozytywnego wyniku badań – uzyskać certyfikat zgodności z dokumentami normatywnymi.
Laboratorium LINTE^2 Politechniki Gdańskiej wykonuje badania kompleksowo i profesjonalnie, co potwierdza świadectwo uznania, wydane przez Instytut Energetyki w Warszawie.
Literatura
- Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiające Kodeks Sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci (tekst mający znaczenie dla EOG), C/2016/2001, Dz.U. L 112 z 27.4.2016, pp. 1–68, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/ALL/?uri=CELEX:32016R0631
- WOS NC RfG, Kodeks Sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych do sieci (NC RfG).
- PN-EN 50549-1: 2019-02 Wymagania dla instalacji wytwórczych przeznaczonych do równoległego przyłączania do publicznych sieci dystrybucyjnych. Część 1: Przyłączanie do sieci dystrybucyjnej nN. Instalacje wytwórcze aż do typu B włącznie.
- Warunki i procedury wykorzystania certyfikatów w procesie przyłączenia modułów wytwarzania energii do sieci elektroenergetycznych, PTPIREE, wersja 1.3 z dnia 1.10.2024 r.
