Aurora Power-One: descrizione della protezione anti-islanding Autore: Antonio Rossi Approvatore: Marco Trova, Danio Nocentini Data: 21/12/2011 OBIETTIVO Il presente documento ha l'obiettivo di fornire una breve descrizione della condizione di islanding e dei requisiti necessari per la protezione contro la condizione di islanding (protezione anti-islanding). Verrà infine illustrata la protezione anti-islanding implementata negli inverter centralizzati Aurora Power-One. AMBITO DI APPLICAZIONE Il documento si riferisce agli inverter riportati nella seguente tabella. di stringa con isolamento HF e senza trasformatore modulari centralizzati basati su modulo da 55 kw (serie PLUS) centralizzato monolitico (serie LITE) modulari centralizzati basati su modulo da 350 kw (serie ULTRA) PVI-10.0-TL-OUTD PVI-55.0/PVI-55.0-TL PVI-250.0-TL ULTRA-700.0-TL PVI-12.5-TL-OUTD PVI-110.0/PVI-110.0-TL PVI-500.0-TL ULTRA-1050.0-TL PVI-10.0-I-OUTD PVI-165.0/PVI-165.0-TL ULTRA-1400.0-TL PVI-12.0-I-OUTD TRIO-20.0-TL-OUTD TRIO-27.6-TL-OUTD PVI-220.0/PVI-220.0-TL PVI-275.0/PVI-275.0-TL PVI-330.0/PVI-330.0-TL Tabella n. 1: inverter cui il presente documento si riferisce. 1
CONDIZIONE DI "ISLANDING" Gli inverter per il funzionamento in parallelo in rete (inverter collegati alla rete) funzionano come sorgenti di corrente che erogano potenza nella rete elettrica. Questo tipo di inverter in genere non è in grado di alimentare la rete elettrica poiché non funziona come sorgente di tensione. Gli inverter collegati alla rete immettono potenza nella rete come corrente CA con la stessa frequenza della tensione di rete. power flow power flow Utility Grid ( voltage source) Figura n. 1: funzionamento normale dell'inverter collegato alla rete. La condizione di "islanding" è una situazione che si verifica in una rete in parallelo quando l'inverter continua ad alimentare la rete sebbene la tensione dalla rete elettrica sia stata interrotta. Nello standard IEEE 1547.1-2005, la definizione di "islanding" è la seguente: Islanding: condizione in cui una parte di un area del sistema di alimentazione (EPS, Electric Power System) viene energizzata esclusivamente da uno o più EPS locali attraverso i punti associati di accoppiamento comune (PCC, Points of Common Coupling) mentre tale parte dell'area EPS è separata elettricamente dal resto dell'area EPS. Nella norma IEC62116 edizione 1.0 2008-09, il fenomeno di "islanding" è definito come segue: Islanding: stato in cui una parte della rete elettrica, contenente sia carichi che generatori, continua a funzionare isolata dal resto della rete. Generatori e carichi possono essere qualsiasi combinazione di proprietà del Cliente e del Distributore della rete elettrica. La condizione di "islanding" è presente quando, a causa di una condizione di errore nella rete o di una condizione di carico particolare sulla rete, quest'ultima mostra un comportamento di carico risonante. In tali condizioni, anche se la tensione dalla rete non è più presente, la risonanza tra il componente L-C continua a mantenere la tensione a livello del terminale di uscita dell'inverter, pertanto l'inverter non è in grado di rilevare l'assenza della tensione di rete. In tal caso, se il carico resistivo corrisponde alla potenza prodotta dall'inverter, il funzionamento in parallelo è comunque possibile e crea la "condizione di islanding". 2
power flow power flow PV Generator ( source) R L C Utility Grid (acts as RLC resonant load at grid voltage frequency where R matches the inverter output power) Figura n. 2: rappresentazione circuitale della condizione di islanding. La condizione di islanding può essere pericolosa principalmente per i quattro motivi indicati di seguito. 1. Problemi di sicurezza: se è presente una condizione di islanding, è possibile che gli addetti alla rete elettrica possano trovare inaspettatamente cavi sotto tensione, sebbene la tensione sia stata interrotta sulla rete. 2. Danni alle apparecchiature: è possibile che le apparecchiature dei clienti siano danneggiate se i parametri di funzionamento sono molto diversi dallo standard. In tal caso, l'azienda erogatrice è responsabile del danno. 3. Terminazione del guasto: se il circuito viene richiuso in un'isola attiva, è possibile che si verifichino dei problemi con l'apparecchiatura dell'azienda erogatrice oppure che i sistemi di richiusura automatica non siano in grado di rilevare il problema. 4. Danni all'inverter: la richiusura in un'isola attiva può causare danni agli inverter. ESIGENZE E STANDARD DELLA PROTEZIONE ANTI-ISLANDING Per i motivi principali indicati sopra, l'inverter sarà dotato di un meccanismo di rilevamento e protezione anti-islanding, per evitare la condizione di islanding. Le norme applicabili relative al rilevamento e all'interruzione della condizione di islanding variano da paese a paese. Di seguito sono elencati alcuni standard relativi al paese in cui sono applicabili. Paese Australia Standard che definisce i requisiti della protezione anti-islanding AS4777.3-2005 Paesi asiatici (escl. Tailandia) IEC62116 edizione 1.0 2008-09 Germania VDE-AR-N 4105:2011-08 (*) USA, Canada Std. IEEE 1547-2003/Std. IEEE 1547.1-2005 (**) Note (*) I requisiti di anti-islanding sono validi solo per inverter con potenza nominale inferiore a 30 kva. (**) Come stabilito per UL1741. Tabella n. 2: standard che definisce i requisiti della protezione anti-islanding. 3
I diversi standard presentano, in genere, requisiti differenti in termini di tempo di rilevamento della condizione di islanding e tempo di disconnessione successivamente al rilevamento della condizione di islanding e possono inoltre richiedere diverse configurazioni e procedure di prova: per quanto riguarda le differenze di configurazione per le prove, queste sono rappresentate dal fattore Q diverso del carico risonante LC, mentre l'utilizzo del carico di risonanza della frequenza di rete per le prove è comune nei diversi standard. Di seguito è riportato un esempio di configurazione di prova, denominata islanding non intenzionale, in base allo standard IEEE 1547.1-2005 (fare riferimento al paragrafo 5.7.1). Negli altri standard la configurazione è simile. S2 S1 S3 PV Generator ( source) R L C Simulated Area Electric Power System ( voltage source) RLC resonant load at grid voltage frequency (Q-factor = 1) Figura n. 3: circuito di prova standard IEEE 1547.1-2005. Per la procedura di prova è necessario ripetere il test con diversi livelli di potenza di uscita dell'inverter. Per ulteriori informazioni, fare riferimento allo standard applicabile. DESCRIZIONE DELLA PROTEZIONE ANTI-ISLANDING DEGLI INVERTER CENTRALIZZATI POWER-ONE Indipendentemente dallo standard di riferimento che definisce i requisiti della protezione anti-islanding, gli inverter Power-One riportati nella tabella n. 1 forniscono lo stesso meccanismo di rilevamento descritto di seguito. A seconda dello standard di riferimento che definisce i requisiti della protezione anti-islanding, l'inverter Power-One riportato nella tabella n. 1 fornisce le caratteristiche di protezione (tempo di rilevamento, tempo di disconnessione) stabilite dallo standard. Il rilevamento della condizione di islanding viene eseguito osservando la variazione della frequenza di rete in relazione al tempo. L'inverter "induce" la variazione di frequenza mediante una potenza reattiva capacitiva immessa a intervalli regolari nella rete. Il periodo di erogazione in rete della potenza reattiva varia in base al tempo di rilevamento necessario (standard della rete); la quantità di potenza reattiva, in genere, è compresa tra il 3 e il 5% della potenza attiva effettiva convertita dall'inverter. 4
BULK CAPS / PWM CONVERTER LINE FILTER GRID PARALLEL RELAYS INPUT ( SIDE) OUTPUT ( SIDE) PWM Converter Control Δf/Δt Grid frequency reading circuit Grid Parallel Relays Control Figura n. 4: schema a blocchi del convertitore CA/CC e del circuito logico relativo alla protezione anti-islanding. Nel caso in cui l'inverter sia connesso alla rete (non è presente alcuna condizione di islanding), la potenza reattiva capacitiva non causa alcuna variazione della frequenza di rete, che è sovrapposta dalla rete elettrica. Nel caso in cui sia presente la condizione di islanding, la potenza reattiva capacitiva causa il disallineamento rispetto alla frequenza di risonanza del carico LC; dopo aver fornito potenza reattiva, l'inverter controlla il valore f/ t (variazione della frequenza di rete in relazione al tempo) e viene automaticamente disconnesso dall'isola. Il periodo di erogazione della potenza reattiva, la quantità di potenza immessa nella rete e la soglia f/ t sono i tre parametri che definiscono la protezione anti-islanding all'interno dell'inverter per soddisfare i requisiti dei diversi standard della rete. 5