Τι Είναι οι Φασορές;

Η phasor είναι μια συνοπτική μαθηματική αναπαράσταση μιας παραρροής ⁇ όπως η εναλλασσόμενη τάση ή το ρεύμα ⁇ που κωδικοποιεί τόσο τη γωνία μεγέθους όσο και τη γωνία φάσης. Στο χρονικό πεδίο, ένα παραρρινοειδές σήμα εκφράζεται ως v(t) = V[mm[[ot + f]]], όπου Vm] είναι το μέγιστο πλάτος, ω είναι η γωνιακή συχνότητα και φ είναι η μετατόπιση φάσης. Η ανάλυση της φασματικής μετασχηματίζει αυτό το ταλαντωτικό σήμα σε μια σύνθετη σταθερά: V = Vm και η ανάλυση της φασικής μεταβολής μετατρέπει αυτό το σήμα σε μια σύνθετη σταθερά: m[FLT:] και η ανάλυση της τάσης προς το εύρος της FLT:1] και η ανάλυση της τάσης (f] είναι η τρέχουσα [f ή, ισοδύναμη, V ] ή, αντίστοιχα,

Επειδή οι φασόρ παραμένουν σταθεροί κάτω από συνθήκες σταθερής κατάστασης, επιτρέπουν την άμεση σύγκριση των τάσεων και των ρευμάτων στην ίδια συχνότητα. Η διαφορά φάσης τους δείχνει αν ένα φορτίο είναι αντιστασιακό, επαγωγικό, ή χωρητικό, μια ιδιότητα απαραίτητη για τον έλεγχο της ποιότητας της ισχύος και της απόδοσης στα συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας.

Ο Ρόλος των Φάσεων σε Πλέγμα ⁇ Σύνδετα Ανανεώσιμα Συστήματα

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ⁇ κυρίως αιολική και ηλιακή ⁇ διασχίζουν με το δίκτυο εναλλασσόμενης ενέργειας μέσω των αντιστροφέων. Αυτοί οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος πρέπει να παράγουν μια ιγμοροειδή έξοδο της οποίας η συχνότητα, η φάση και το εύρος ταιριάζουν με τις ονομαστικές συνθήκες του δικτύου.

Ανάλυση Ροής και Απόδοσης

Σε οποιοδήποτε σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος, η πραγματική ισχύς (P) και η αντιδραστική ισχύς (Q) εκφράζονται με τη χρήση φασών: P =

Έλεγχος αντιστροφέων και φάσεων ⁇ Locked Loops

Οι αναστροφείς που έχουν δέσει το πλέγμα βασίζονται σε βρόχους που έχουν κλειδωθεί σε φάση (PLL) για να συγχρονιστούν με την τάση χρησιμότητας. Ένα PLL υπολογίζει συνεχώς τη γωνία και τη συχνότητα της φάσης του PSOR της τάσης του πλέγματος ⁇ και παράγει ένα σήμα αναφοράς για την έξοδο του inverter. Οποιαδήποτε λανθασμένη ευθυγράμμιση οδηγεί σε ρεύματα, αρμονική έγχυση, ή ακόμα και σε κινδύνους προσγειώσεως. Σύγχρονοι αλγόριθμοι PLL, όπως το σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς PLL (SRF ⁇ PLL), χρησιμοποιούν μετασχηματισμούς phasor (όπως οι Clarke και Park μεταμορφώνουν) που είναι άμεσες επεκτάσεις της θεωρίας του φάσορ. Αυτοί οι αλγόριθμοι παρέχουν γρήγορη, ακριβή παρακολούθηση ακόμα και κάτω από στρεβλωμένες συνθήκες δικτύου, εξασφαλίζοντας απρόσκοπτη έγχυση ισχύος από φωτοβολταϊκές συστοιχίες και ανεμογεννήτριες.

Συγχρονισμός με το Πλέγμα Δύναμης

Η σύνδεση μιας ανανεώσιμης μονάδας με το δίκτυο μετάδοσης ή διανομής απαιτεί ο φασόρ τάσης της γεννήτριας να ευθυγραμμίζεται με τον φασόρ του δικτύου στο σημείο της κοινής ζεύξης. Αν οι δύο φάσο διαφέρουν σημαντικά σε μέγεθος, συχνότητα ή φάση, μεγάλα ρεύματα κυκλοφορίας μπορούν να ρέουν, να τριποδίζουν προστατευτικά ρελέ ή επιζήμια εξοπλισμό. Μονάδες μέτρησης phasor (PMUs) που είναι εγκατεστημένοι σε κόμβους-κλειδιά παρέχουν υψηλά ⁇ ανάλυση, δεδομένα φασολιών με χρονική σήμανση (συνοχροφασείς) στους διαχειριστές συστημάτων. PMUs τάσεις δειγματοληψίας και ρεύματα στα 30-20 δείγματα ανά δευτερόλεπτο και να υπολογίζουν τους θετικούς - σημειωμένους - phasors, επιτρέποντας στους αποστέλλοντες να συγκρίνουν τις φάσεις σε μεγάλες περιοχές. Αυτή η ικανότητα είναι απαραίτητη για την ενσωμάτωση γεωγραφικά κατανεμημένων ανανεώσιμων περιουσιακών στοιχείων ⁇ για παράδειγμα, αιογενείς εκμεταλλεύσεις σε απομακρυσμένες περιοχές που πρέπει να παραμένουν σε μακρινές περιοχές με κέντρα φορτίου.

Ανίχνευση και προστασία ελαττωμάτων

Η ανάλυση της φασομετρίας επιτρέπει γρήγορη, επιλεκτική ανίχνευση ελαττωμάτων. Τα προστατευτικά ρελέ συγκρίνουν τους φάκους προ-αποτυχημένου και μετα-αποτυχημένους όρους για τον προσδιορισμό του τύπου, της θέσης και της σοβαρότητας των διαταραχών όπως τα ελαττώματα γραμμής-προς-εδρικούς ή ανοιχτούς αγωγούς. Τα σαγόνια τάσης και διογκώσεις εντοπίζονται εύκολα όταν το μέγεθός τους και η γωνία φάσεων αποκλίνουν από τις ονομαστικές τιμές φασόρ. Στα δίκτυα που είναι πλούσια σε ανανεώσιμες πηγές, τα ρεύματα βλάβης μπορεί να είναι χαμηλότερα από ό,τι στα συμβατικά δίκτυα λόγω περιορισμού του ρεύματος ελαττώματος των αντιστροφέων, καθιστώντας την παραδοσιακή υπερτρέχουσα προστασία λιγότερο αξιόπιστη. Η φασομετρική διαφορική προστασία, η οποία συγκρίνεται με τα ποσά των ρευμάτων που εισέρχονται και εξέρχονται από μια προστατευόμενη ζώνη, παραμένει αποτελεσματική επειδή δεν βασίζεται αποκλειστικά σε μέγεθος ελαττωμάτων. Ομοίως, ρελές απόστασης που χρησιμοποιούν υπολογισμούς παγώματος-φασίστες μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να λογίζονται οι μεταβλητές συνεισφορές των μικρών-κυκλίων από ανανεώσιμες πηγές.

Φάσεις σε Ηλιακά Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Ηλιακά φωτοβολταϊκά (PV) συστήματα ⁇ είτε συστοιχίες οροφής είτε μονάδες χρησιμότητας ⁇ λειτουργούν μέσω αντιστροφέων που μετατρέπουν την ενέργεια συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Το σύστημα ελέγχου του inverter χρησιμοποιεί μετρήσεις phasor για τη ρύθμιση της τάσης εξόδου και της συχνότητας. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, ο μετατροπέας φωτοβολταϊκών συστημάτων έχει εντολή να εγχύσει μια καθορισμένη ποσότητα ενεργού ισχύος (με βάση την ακτινοβολία) και να υποστηρίξει την τάση τροφοδοτώντας ή απορροφώντας την αντιδραστική ισχύ. Η σχέση μεταξύ του φασόρ εξόδου του inverter και του phasor του δικτύου καθορίζει τη μεταφορά ισχύος σύμφωνα με την κλασική εξίσωση P = (

Η μέτρηση της φασομετρίας βοηθά επίσης στην ανίχνευση της αντι-ατλαντικής τάσης. Όταν αποσυνδέεται η χρησιμότητα, ο τοπικός φωτοβολταϊκός μετατροπέας μπορεί να συνεχίσει να ενεργοποιεί ένα τμήμα της γραμμής διανομής. Συγκρίνοντας τη γωνία φάσης της τάσης του inverter με μια αναφορά (π.χ. από έναν συνχρωφασικό στον υποσταθμό), ο αναστροφέας μπορεί γρήγορα να ανιχνεύσει την νησιωτική και να διακόψει τη λειτουργία, προστατεύοντας τους εργαζόμενους και τον εξοπλισμό γραμμής.

Φάσεις στα συστήματα αιολικής ενέργειας

Οι ανεμογεννήτριες, ειδικά εκείνοι που είναι εξοπλισμένοι με διπλά-τροφοδοτημένες γεννήτριες επαγωγής (DFIGs) ή μετατροπείς πλήρους ισχύος, βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στον έλεγχο του φάσορ. Ο στροφέας του στροβίλου αποσυνδέεται από τη συχνότητα του πλέγματος μέσω ηλεκτρονικών ηλεκτρονικών. Ο μετατροπέας στο πλάι του πλέγματος πρέπει να παράγει φασόρες τάσης που ταιριάζουν με τους phasors του δικτύου τόσο σε μέγεθος όσο και κατεύθυνση. Ο phasor ρεύματος του μετατροπέα ρυθμίζεται για να παραδώσει τη σωστή ποσότητα αντιδραστικής ισχύος, είτε για να ανταποκριθεί σε ένα ρυθμιστικό σημείο συντελεστή τάσης ή να συμμετάσχει στη ρύθμιση τάσης.

Κατά τη διάρκεια της διαδρομής χαμηλής τάσης ⁇ μέσω γεγονότων (π.χ., ένα κοντινό σφάλμα), το σύστημα ελέγχου του phasor πρέπει να εγχύει αντιδραστικό ρεύμα για την υποστήριξη της ανάκτησης τάσης του πλέγματος. Πρότυπα όπως η IEEE 1547 απαιτούν ακριβή αντιδραστική έγχυση ρεύματος ανάλογη με την απόκλιση τάσης ⁇ μια απαίτηση που είναι δυνατή μόνο με συνεχή ανατροφοδότηση του phasor. Επιπλέον, επειδή η αιολική ενέργεια κυμαίνεται με την ταχύτητα του ανέμου, οι phasor ⁇ based state εκτιμητές βοηθούν τους φορείς να παρακολουθούν τα περιθώρια ροής ισχύος και να προβλέπουν θερμικές υπερφορτώσεις στις γραμμές μετάδοσης που συνδέουν τον άνεμο ⁇ πλούσιες περιοχές για να φορτώνουν κέντρα.

Φασορές σε μικρογρίδες και νησιωτική λειτουργία

Τα μικρογρίδια ⁇ τοπικά συστήματα ισχύος που μπορούν να αποσυνδεθούν από το κύριο δίκτυο ⁇ θέτουν μοναδικές προκλήσεις φάσωρ. Σε λειτουργία δικτύου ⁇ συνδεδεμένη, η τάση και η συχνότητα του μικρογριδίου υπαγορεύονται από τη χρησιμότητα. Σε κατάσταση νησιώτισης, μία ή περισσότερες κατανεμημένες γεννήτριες γίνονται η αναφορά. Ο έλεγχος droop, μια κοινή μέθοδος για την ανταλλαγή φορτίου μεταξύ παράλληλων αντιστροφέων χωρίς επικοινωνία, χρησιμοποιεί σχέσεις phasor: η ενεργός ισχύς κάθε inverter ελέγχεται με την προσαρμογή της συχνότητας τάσης του (P ⁇ f droop), ενώ η αντιδραστική ισχύς ρυθμίζεται μέσω του μεγέθους τάσης (Q ⁇ V droop).

Οι μεταβάσεις μεταξύ των συνδεδεμένων και νησιωτών τρόπων απαιτούν μετρήσεις του φασόρ υψηλής ταχύτητας για την ανίχνευση του νησιωτικού γεγονότος (συχνά μέσα σε δύο κύκλους) και για την επανασυγχρονισμό όταν το κύριο πλέγμα αποκατασταθεί. Οι PMU που τοποθετούνται στο μικρογρήγορο σημείο της κοινής ζεύξης επιτρέπουν την απρόσκοπτη επανασύνδεση με την αντιστοιχία του μικρογρήγορου φασόρ με τον φασόρ του πλέγματος πριν από το κλείσιμο του διακόπτη σύνδεσης.

Πλεονεκτήματα και Μέλλον Τάσεις

Τα οφέλη της τεχνολογίας φασόρ στα συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας είναι σημαντικά και επεκτείνονται πέρα από τον βασικό συγχρονισμό:

  • Ενισχυμένη σταθερότητα και αξιοπιστία του δικτύου[ ⁇ Ευρεία περιοχή συστημάτων παρακολούθησης (WAMS) με βάση τους συνχρωφασοδότες ανιχνεύουν τις ταλαντώσεις μεταξύ των περιοχών και την αστάθεια τάσης πριν κλιμακωθούν, επιτρέποντας προληπτικές ενέργειες ελέγχου.
  • Επίτευξη απόδοσης μετατροπής ισχύος ⁇ Φάση ⁇ με βάση την παρακολούθηση του μέγιστου σημείου ισχύος (MPPT) και τους αλγόριθμους αντιδραστικής αποστολής ισχύος μεγιστοποιούν τη συγκομιδή ενέργειας ενώ ελαχιστοποιούν τις απώλειες.
  • Καλύτερη ενσωμάτωση των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας[ ⁇ Τα δεδομένα της Phasor ενημερώνουν τα προηγμένα εργαλεία πρόβλεψης και αποστολής, μειώνοντας τον περιορισμό και επιτρέποντας υψηλότερα επίπεδα διείσδυσης.
  • Παρακολούθηση και έλεγχος συστημάτων πραγματικού χρόνου[ ⁇ Οι φορείς εκμετάλλευσης λαμβάνουν υποδευτερόλεπτες ενημερώσεις στις γωνίες φάσεων, επιτρέποντάς τους να προσαρμόζουν τα χαρτοφυλάκια παραγωγής και να αλλάζουν αντιδραστήρια μετασχηματιστές.

Κοιτάζοντας μπροστά, η ανάπτυξη των συστοιχιών δεδομένων phasor[[LFT:1]] και αλγορίθμων μάθησης μηχανών που χωνεύουν ρεύματα synchrophasor θα επιτρέψει την αυτο-θεραπευτική πλέγματα. Πρόβλεψη αναλύσεων μπορεί να προβλέψει παροδικά προβλήματα σταθερότητας και αυτόματα επαναδιαμορφώνει τοπολογία δικτύου. Οι κατασκευαστές inverter ενσωματώνουν τη λειτουργικότητα PMU απευθείας σε μετατροπείς, μετατρέποντας κάθε ανανεώσιμη γεννήτρια σε κόμβο μέτρησης. Καθώς αυξάνεται το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ο ρόλος των phasors ⁇ όλα τα θεμελιώδη ⁇ θα καταστεί απαραίτητος για την οικοδόμηση των συστημάτων αναβίωσης, άνθρακα ⁇ ελεύθερης ενέργειας.

Για περαιτέρω ανάγνωση, συμβουλευτείτε το ΙΕΕ Power & Energy Society για πρότυπα για εφαρμογές συνχρωφασή, ή εξερευνήστε τεχνικούς οδηγούς από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL)]. Μια βασική αναφορά είναι το εγχειρίδιο Μονάδες μέτρησης phasor για Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, το οποίο καλύπτει τόσο τη θεωρία όσο και τις πρακτικές υλοποιήσεις.