MEEI Kft. a TÜV Rheinland Csoport tagja Megújuló Energia Biztonságosan. Az inverterek biztonságtechnikai - üzemeltetési kérdései

Átírás

1 MEEI Kft. a TÜV Rheinland Csoport tagja Megújuló Energia Biztonságosan Az inverterek biztonságtechnikai - üzemeltetési kérdései Magyar Elektrotechnikai Egyesület Vándorgyűlés Siófok, szeptember, 16. Szentpály W. Miklós Projekt menedzser Vizsgálómérnök miklos.szentpaly@hu.tuv.com 1 MEEI Kft. Budapest

2 A témák, melyeket érintünk -Szakmai áttekintés - Inverterek, felépítésük, funkció - Szabványok - Műszaki problémák, kezelésük: - DC injektálás a hálózatba - Külföldi tapasztalatokról - Intersolar kiállítás, München Engedélyezési gyakorlat - Kérdések 2 MEEI Kft. Budapest

3 A megújuló energiák az EU-ban és Magyarországon Az Európai Parlament és a Tanács 2009/28/EK irányelve Célok az EU-ban (2020-ig) 20% kötelező összarány a megújuló energiákban 10% a közlekedésben - húzó ágazat lehet a gazdaságokban Nemzeti célkitűzések a 20%-os arány tekintetében, méltányosan, a helyi adottságok figyelembe vételével 10% a közlekedésben, kötelezően, minden tagállamban Magyarország 4,3% (2005) 13% (2020), zöldáram vállalás 3,6% (2010) Párhuzamos megfontolások - fenntartható energia politika - húzó ágazat lehet a gazdaságban / foglalkoztatottság - Környezetvédelem - üvegházhatású gáz kibocsátás csökkentése (kiotói egyezmény) 3 MEEI Kft. Budapest

4 A megújuló energiák felhasználásának folyamata mindenütt inverterek Megújuló (környezetbarát) energia forrás: (Víz) Szél Nap Biomassza generátor változó feszültség, frekvencia napelem változó (U, I, P) egyenáram váltakozó áram generátor Tüzelőanyag cella változó egyenáram (U, I, P) A keletkező energiát legtöbb esetben villamos energia formájában szállítjuk, osztjuk szét és használjuk fel: 50 Hz-es európai hálózat. Energia forrás >> átalakító >> 1/3 fázisú váltakozó áramú villamos energia Átalakító (villamos energia): Egyenáram >> inverter >> váltakozó áram 4 MEEI Kft. Budapest

5 Új eszközök új kockázatok Az inverterek felépítése és funkcióik PV (Photo voltaic - napelem) panelek: V transzformátor Hálózat 230V / 50 Hz = µp = DC / DC konv. Fix fesz. = Inverter ~ DC / AC inverter V / 50 (60) Hz 3 fázis Követelmények: Biztonság: hagyományos kockázatok áramütés, tűz stb. Hálózat: új kockázatok (áramütés a hálózat leállása után, sw biztonság) Hálózati/szolgáltatói követelmények: Hálózati jellemzők (áramminőség stb.) Sziget üzem megelőzése 5 MEEI Kft. Budapest

6 A biztonsági kockázatok, minőségi, biztonsági elvárások: fogyasztó hálózat védelme A PV és más inverterek reményeink szerint nagy számban jelennek meg a háztartásokban is Hagyományos kockázatok életben és vagyoni, háztartáson belül (áramütés, tűz, sérülés, elektromos berendezések károsodása stb.) Kiküszöbölése a (PV) inverterekre szabott biztonságtechnikai szabvány Új kockázatok a hálózati üzem miatt - Áramütés a háztartáson kívül (nem kívánt sziget üzem ), a szolgáltató felé - Egyéb felkapcsolódási kockázatok - Processzoros vezérlés - sw Szolgáltatói elvárások, áramminőség - harmonikus tartalom (áramtorzítás) - flikker zaj (villogás) - frekvencia követés, teljesítmény tényező - túlfeszültség, alacsony feszültség, frekvencia kezelése - nem kívánt sziget üzem elkerülése EMC elvárások (elektromágneses zavarkeltés és érzékenység) - zajsugárzás - zaj immunitás Általános ill. felhasználói: Megbízhatóság, jó hatásfok, élettartam 6 MEEI Kft. Budapest

7 Szabványosítás A szabványosítás segíthet kézben tartani a megújuló energiát termelő rendszereinket 7 MEEI Kft. Budapest

8 Mi a gyakorlat most? -Több országban nemzeti és régi (elavult) szabványok - EN (hálózatra kapcsolt készülék, általános biztonság) - VDE német inverter szabvány - DK 5940 Olaszország - UL 1741 USA (inverter szabvány) - EMC szabványok Korszerű, egységes, egymásra hivatkozó: - IEC :2010 (inverter alap biztonsági szabvány) - IEC 61727:2004 (hálózati interface, áramminőség) - IEC 62116:2008 (anti islanding mérése) - EMC szabványok 8 MEEI Kft. Budapest

9 Az inverterek biztonságát szabványok szabályozzák: (pr) IEC :2010;-2 / pren ;-2 változnak, fejlődnek Általános - hagyományos - biztonsági szemlélettel: -1, PV inverterekhez -2, PV inverterek akkumulátor töltővel Érvényességi kör: 1500V DC (PV panelek bemeneti feszültség) Kizárva: szél és egyéb forgó gépek (később várhatóan integrálni fogják.) 1000V AC (Hálózat, kimeneti feszültség).szigetelés ellenőrzés, kúszóáram utak, légközök, IP védettség, földelés minősége, kritikus alkatrészek stb.. szigorítva A szabvány e része a hagyományos biztonsági kérdéseket tárgyalja, de hogyan kezeli a mikroprocesszorok témakörét? 9 MEEI Kft. Budapest

10 A mikrokontroller néhány feladata : A PV panelek feszültségének, áramának mérése Az első DC/DC konverter vezérlése a maximális kivehető teljesítmény érdekében (Maximum Power Point Tracking - MPPT) A hálózati feszültség, áram mérése (3 fázis) A második konverter inverter - DC/AC vezérlése A hálózati frekvencia folyamatos mérése A hálózati csatlakozás felügyelete - nem kívánt sziget üzem elkerülése - anti islanding A kimeneti áram teljesítményfaktorának és harmonikus tartalmának (THD) kontrollja A kimeneti áram egyenáram tartalmának az ellenőrzése (DC injection) A lágy indítás vezérlése, hálózatra kapcsolódás Sziget üzem miatti leállás utáni újraindítás - recovery egyéb döntések stb Egy sereg összetett REAL TIME (valós idejű) feladat. A program (firmware) fejlesztők minden feladatot meg kell oldjanak magas megbízhatósággal a tesztelő szervezeteknek kell (test report - TR) ellenőrizni a sw biztonság kielégítő szintjét IEC H Annex 10 MEEI Kft. Budapest

11 (pr) IEC ;-2 / pren ;-2 Az új biztonsági követelmények: Annex B (kötelező) Ha a rendszer processzor vezérelt: az Annex B - IEC : kötelező melléklet hivatkozik az IEC Annex H szabványra: B.1 Software Or Firmware That Perform Safety Critical Functions Protective Controls employing software or firmware to perform their function (s), shall be so constructed that they comply with IEC Annex H to address the risks identified in B2.1.. B.2.1 Risk Analysis i) The software must detect a hardware or software malfunction and place the device in a safe state as indicated per the Risks Addressed State definition. >> Hw/sw biztonsági megbízhatósági vizsgálatok IEC Annex H (~100 old.): hw/sw követelmények: 11 MEEI Kft. Budapest

12 Hogyan tudjuk ellenőrizni és megoldani ezeket a feladatokat? Kockázat menedzselés ellenőrzése A) Hardware kiértékelés Flowchart ellenőrzés, a kockázat kezelés és az inverter funkciói alapján Forrás kód ellenőrzés A firmware beazonosítása (a forrás kód és a beégetett firmware beazonosítása) B) A fejlesztési eljárás és dokumentáció ellenőrzése Milano, április, konferencia a sw biztonságról Milano, 2010, szeptember, konferencia a sw biztonságról! 12 MEEI Kft. Budapest

13 Hálózati - áramminőségi követelmények IEC 61727: PV inverterek szolgáltatói interfész jellemzői -1 / 3 fázisú PV inverterekre -Flicker (villogás) -Felharmonikus tartalom (a szinusz torzítása ) -Teljesítménytényező -Túl / alul feszültség kezelése -Túl / alul frekvencia kezelése -Szigetüzem elkerülése Fenti pontokban leírt specifikációtól eltérő esetekben az eszköznek le kell kacsolódni a rendszerről -Fesz. szabályozást az inverter nem végez, csak védelmi beavatkozást Szinkronjárás a hálózattal, a frekvencia határok között 13 MEEI Kft. Budapest

14 Hálózati - áramminőségi követelmények IEC PV: inverterek szolgáltatói interfész jellemzői -Felharmonikus tartalom < 5% Páratlan harmonikusok Torzítási határ 3. tól 9.ig Kisebb mint 4,0% 11.től 15.ig Kisebb mint 2,0% 17.től 21.ig Kisebb mint 1,5% 23.tól 33.ig Kisebb mint 0,6% Páros harmonikusok Torzítási határ 2.tól 8.ig Kisebb mint 1,0% 10.től 32.ig Kisebb mint 0,5% 14 MEEI Kft. Budapest

15 Hálózati - áramminőségi követelmények IEC 61727: PV inverterek szolgáltatói interfész jellemzői Teljesítménytényező - 0,9 - Pki > 50%Pn (általában kényelmesen teljesül) Hálózati feszültségkiesés - Leállás, visszakapcsolódás - elvárt időn belül Túlfeszültség / alul feszültség - /frekvencia Nem kívánt sziget üzem elkerülése Feszültség(hál. csatlakozási ponton) Maximális trip* idő V<0,5xVnévleges 0,1s 50%<V<85% 0,2s 85%<V<110% Folyamatos működés 110%<V<135% 2,0s 135%<V 0,05s *A trip idő alatt a rendellenes állapot bekövetkeztétől az inverter betáplálásának megszüntetéséig terjedő időt kell érteni. A PV rendszer vezérlő áramköreinek valójában csatlakozva kell maradniuk a hálózathoz a hálózat állapotának érzékeléséhez, hogy az újracsatlakozási funkció lehetséges legyen. 15 MEEI Kft. Budapest

16 Hálózati - áramminőségi követelmények IEC 61727: PV inverterek szolgáltatói interfész jellemzői Magas / alacsony frekvencia + / - 1 Hz >> trip, 0,2 1 sec en belül Késleltetés oka a folyamatos üzem, rövid idejű zavarok átlépése Sziget üzem elleni védelem A PV rendszernek meg kell szüntetnie a betáplálást a hálózat kiesése esetén 2s-on belül.* A hálózat visszatérése 20s 5min, helyi viszonyok szerint 16 MEEI Kft. Budapest

17 Hogyan mérjük? IEC 62116:2008 PV inverterek nem kívánt szigetüzem elkerülési képességének mérése (1/3 fázis) 17 MEEI Kft. Budapest

18 Szakmai háttér Nem kívánt sziget üzem mérése - műterhelés 18 MEEI Kft. Budapest

19 Hogyan mérjük? IEC 62116:2008 PV inverterek nem kívánt szigetüzem elkerülési képességének mérése (1-3 fázis) 3 különböző teljesítménynél: 33% 66% 100% Minden teljesítmény szintnél +/- irányban, 5-5 ponton, 1 %-ra reaktív elemekkel elhangolva 19 MEEI Kft. Budapest

20 Hogyan mérjük? IEC 62116:2008 anti islanding A TÜV MEEI felkészült Erősáramú / biztonsági jellemzők - Speciális DC tápegység 30kW sw vezérelhető (Solar simulator) - Speciális AC tápegység 30kVA (hangolható U, F)- sw vezérelhető - 1 / 3 fázis - Alacsony harmonikus torzítás - Forrás / nyelő (4 quadránsos) üzemmód - ~ 20 paraméter szimultán rögzítése (NI LabView), sw vezérelhető - Mérés automatizálás Vezérlés, hw/sw kiértékelés: - hw/sw eszközök (labor) -Metodika, sw kiértékelői képzés, kooperáció 2010: KMOP elnyert pályázat MFt (önrész) - Külső kooperáció 100kW-ig, MEEI Kft. Budapest

21 Műszaki problémák, kezelésük DC injekció a hálózatba A probléma : - Előmágnesezés - Felharmonikus generálás - Hatásfok romlás - Túlmelegedés - Oszcilláció Fontos paraméter -1% alatt Pn, In - Mikor kell transzformátoros kimenetű inverter? - Teljesítmény határ - Szegmens topológia - Szakcikkek 1 inverter >> sok inverter? 21 MEEI Kft. Budapest

22 Min gondolkoznak a nagyvilágban? USA Elosztott hálózati terv (DER, Distributed Energy Resources) 22 MEEI Kft. Budapest

23 Külföldi tapasztalatok Rendszeres egyeztetés TÜV Rheinland AC (telefon konferenciák)! - Németország, Japán, USA, Olaszország, Kanada, Spanyolország, Magyarország Kína, Taiwan részvételével Rendszeres egyeztetés TÜV Rheinland Workshop (2009 Köln 2010 Los Angeles)! - Firmware vizsgálat - Szabvány fejlesztés - Anti islanding - Kooperáció Intersolar kiállítás (München) - Pezseg az iparág (1300 kiállító 200 feletti inverter gyártó sok távol keleti) - Sokféle új megoldás - Napelemek, Inverterek, Vezérlések (nagy mikro) - Óriási szaksajtó - Innováció 23 MEEI Kft. Budapest

24 Engedélyezési gyakorlat - felmerülő problémák egyeztetése TÜV Rheinland MEEI áramszolgáltatók egyeztetéssel - Dokumentáció bekérés - Tanúsítvány bekérés - Honosítás - Részeleges vizsgálat >> tanúsítás ( kedvezménnyel) Új műszerrendszer 40 milliós műszer beruházás, EU-s pályázati támogatással - Teljes vizsgálat >> tanúsítás (család kedvezmény) - Gond: nem elég tőkeerősek a cégek Engedélyezés Áramszolgáltatók? - Befektetői nyomás - Miért nem jó idehaza? - A Gyártó azt mondta ez a szabvány ugyan az 24 MEEI Kft. Budapest

25 Köszönöm a figyelmet, várom kérdéseiket: miklos.szentpaly@hu.tuv.com 25 MEEI Kft. Budapest