Работа сетевого инвертора во время блэкаута

Островной эффект в солнечной станции

Остров образуется тогда, когда на фидере сработала защита и подстанционный выключатель разомкнулся, а участок линии остался под напряжением, потому что генерация на нём случайно совпала с нагрузкой и дефицита мощности на этом куске сети не возникло. Сколько отдали, столько и потребили. Инвертор видит напряжение, отдаёт в него ток, и петля питает сама себя до тех пор, пока её кто-нибудь не разорвёт.

Именно эту петлю разрывает anti-islanding защита. Функция стоит в каждом сертифицированном сетевом инверторе по умолчанию, поэтому владелец её не включает и часто о ней вообще не догадывается, пока не наступит первое долгое отключение и станция не замолчит посреди солнечного дня.

Отсюда и берётся недоразумение. Панели греются, счётчик стоит, значит, что-то сломалось. На самом деле инвертор останавливает выдачу мощности, потому что этого требует документ, по которому его пустили в сеть.

Украинский нормативный словарь разводит два разных острова. «Изолированный (островной) режим» описывает независимую работу сети оператора системы распределения или её части, которая отсоединилась от объединённой энергосистемы и имеет хотя бы одну генерирующую единицу, выдающую в неё мощность. Рядом стоит «организованный энергетический остров», который выделяют намеренно, средствами автоматики или оперативными переключениями. Защита гасит первый вариант, потому что он образовался сам собой.

Как инвертор обнаруживает исчезновение сети

Нормативный потолок по IEEE 1547-2018 составляет две секунды, а реальные измерения дают доли секунды. На стенде Sandia National Laboratories при разбалансе реактивной мощности ±5% инверторы отключались в среднем за 60 мс, в диапазоне 50–65 мс. При сбалансированной нагрузке среднее время росло примерно вдвое, до 110 мс, а в одном тесте зафиксировали 175 мс.

Пассивные методы

Инвертор всё время держит под контролем напряжение и частоту, сверяя их с заданными порогами. У каждого параметра есть верхняя и нижняя граница, у каждой границы своя выдержка. Срабатывание этих порогов производитель проверяет на каждом аппарате ещё на конвейере.

Когда генерация и нагрузка в острове не совпадают, напряжение и частота вылетают за допустимый диапазон почти мгновенно, и пассивная защита срабатывает раньше активной. Сеть при этом не получает от инвертора никакого возмущения.

Конкретные уставки в герцах и вольтах для украинской сети я в открытом доступе не нашла. ДСТУ EN 50549-1:2022 продают, полного текста в сети нет. А числа, которые легко гуглить, относятся к американскому профилю для сети 60 Гц, поэтому на наши 50 Гц их переносить нельзя.

Активные методы

Понятнее всего механизм описывает Victron. Инвертор постоянно пытается сдвинуть частоту переменного тока, и пока он держится за стабильную сеть с нормальным импедансом, сдвинуть её не выходит. Эта неудача и доказывает, что сеть на месте. Как только сеть исчезает, частота начинает уезжать свободно, без встречных токов коррекции, и аппарат размыкает реле обратного питания.

Solectria свою реализацию называет Slip Mode Frequency Shift. Метод меняет реактивную мощность инвертора, чтобы раскачать частоту в острове и ускорить его распад.

Обзорная статья в International Journal of Thermofluids за 2023 год сводит методы обнаружения в один перечень: сдвиг частоты, сдвиг напряжения, скорость изменения частоты (RoCoF), скачок фазы и ещё группа методов, которые следят за активной и реактивной мощностью.

Слепая зона детекции

Самый тяжёлый случай наступает тогда, когда местная нагрузка забирает почти ровно столько активной и реактивной мощности, сколько её даёт станция. Напряжение и частота тогда долго держатся в рабочем диапазоне, остров выглядит как обычная сеть, и пассивный контроль его не видит. Так образуется зона необнаружения (NDZ).

Активный метод её закрывает, но не сам по себе. Для метода Sandia frequency shift ширину зоны необнаружения задают сами настройки, а неудачно подобранные значения способны свести срабатывание на нет.

Ещё одну вещь инвертор обязан уметь. Отличать короткую просадку сети, которую надо пересидеть, от её исчезновения.

Защита спасает ремонтную бригаду на линии

Электрик выехал на аварию, снял напряжение с дома и взялся за проводку. Если в том доме стоит сетевая станция, у которой детекция потери сети неисправна или обойдена, линия под его руками остаётся живой. Victron объясняет назначение функции ровно этим бытовым сюжетом и добавляет, что оставить реле обратного питания замкнутым просто опасно.

IEEE 1547-2018 в пункте 8.1.1 требует обнаружить непреднамеренный остров, прекратить питание сети и отключиться в течение двух секунд с момента его образования. Измерения Sandia показывают время отключения 55–175 мс, то есть потолок нормы и реальное поведение аппаратов расходятся на порядок.

Подтверждённых случаев, когда частная станция в Украине ударила монтёра, я в источниках не нашла. Советую не читать это как доказательство безопасности. Кодекс систем распределения требует исключить подачу напряжения в сеть тогда, когда напряжения в ней нет, и пока это условие не выполнено, оператор станцию в сеть не пустит.

Нормы IEEE 1547 и европейские аналоги

Украинский аналог существует, и это не IEEE. В 2022 году национальными стандартами стали два европейских документа, которые прямо покрывают обнаружение островного режима.

IEEE в Украине не внедряли, это американская норма, и ссылаться на неё у нас можно разве что как на первоисточник самого требования. Название ДСТУ EN 62116:2022 в реестре перевели как «предотвращение отключения», хотя оригинал говорит о предотвращении островного режима, поэтому на слове «отключение» в этом названии выводов лучше не строить.

Тестирование срабатывания выглядит буднично. Функцию выключают, создают остров, включают обратно и смотрят, способна ли она разрушить остров за две секунды. Отдельно оператор сети во время приёмочного испытания обесточивает весь объект, а затем размыкает одну фазу из трёх.

Соответствие ищут в паспорте аппарата. В спецификации Deye SUN-5/12K-SG04LP3-EU в разделе Protection стоит строка Anti-islanding Protection со значением Integrated, а в разделе Grid Regulation перечислены IEC 61727, IEC 62116, EN 50549, VDE-AR-N 4105 и ещё несколько национальных кодов.

Что работает во время блэкаута

Госэнергонадзор описывает режим отключений довольно точно. Однократное отключение по графику почасовых отключений (ГПО) во время военного положения не может превышать 6 часов с отклонением до одного часа, после чего должно быть минимум 2 часа со светом, а время переключения достигает 30 минут. График аварийных отключений (ГАО) обычно держится до 2 часов.

Сетевой инвертор

Панели под солнцем, розетки мертвы. Сетевой инвертор ищет источник напряжения и без сети как опоры выдавать мощность не начинает.

Fronius пишет об этом в украинском мануале прямо:

Тот же производитель называет режим не островным, а автономным, и это расхождение терминов стоит держать в голове, читая документацию.

На форумах владельцы доходят до крайностей. Лезут на крышу, отсоединяют несколько панелей от микроинверторов и бросают их отдельным кабелем на контроллер заряда с небольшим автономным инвертором.

Гибрид с батареей

Huawei в документации на Backup Box описывает логику без прикрас. Устройство решает, в каком режиме стоит инвертор, и когда сеть падает, инвертор уходит в автономное состояние и питает резервные нагрузки, а после возвращения сети переключается обратно.

Обещание бесперебойности та же инструкция сразу и обрезает. Нагрузку с электродвигателем производитель в автономном режиме не поддерживает, потому что пусковой ток в несколько раз превышает номинал и способен превысить возможности аппарата. К таким нагрузкам как раз и относятся скважинный насос и котёл с циркуляционным насосом. Резервная группа не должна тянуть больше, чем инвертор отдаёт в автономном режиме, а в трёхфазном трёхпроводном исполнении автономная работа недоступна вообще.

Переключение происходит быстро, но не мгновенно. Конкретного значения времени перехода ни в одном из технических описаний я не нашла, так что техника, чувствительная к малейшему перерыву питания, может и перезагрузиться. От сети гибрид отключается так же, как сетевой аппарат, и именно поэтому anti-islanding в гибридном инверторе не мешает резервной группе жить дальше за точкой разделения.

Автономная система

Тут всё просто. Станция живёт отдельно от сети, ничего в неё не отдаёт, и anti-islanding её не касается.

Сетевая схема проще и дешевле, потому что в ней нет ни батареи, ни переключателя. Гибридная даёт свет тогда, когда его нет у соседей. Выбор между ними держится на том, сколько часов в сутки у вас темно.

Три элемента резервного питания

Чтобы во время отключения в доме оставался свет, к панелям добавляют три вещи. Это путь для тех, кто делает резерв на существующей станции, а не отдельным контуром.

Гибридный инвертор

Аппарат обязан иметь отдельный резервный выход. В схеме и настройках Deye это видно как две разные группы, Backup Load и On-Grid Home Load, то есть резерв здесь не программный приоритет, а физически другая точка подключения.

Мощность считают под критическую группу, не под весь дом. Совместимость с уже смонтированным массивом панелей проверяют до покупки, потому что гибрид обычно ставят к существующей станции, а не наоборот.

Накопитель энергии

Ёмкость подбирают под окно отключения, и 6 часов ГПО дают понятный ориентир вместо абстрактных «суток автономии». Полезная ёмкость всегда выходит меньше паспортной, потому что полностью в ноль банк не сажают.

Ночью резерв держит только батарея. Солнца нет, генерации нет, и холодильник с освещением и интернетом живут ровно столько, сколько заложено в накопитель.

Автоматический переключатель

Переключатель изолирует домовую сеть от общей. Huawei в той же инструкции прямо запрещает подключать порт резервной нагрузки напрямую к сети, и причина понятна из предыдущих разделов.

Без этой точки разделения гибрид не спасает, а создаёт новую проблему, потому что дом начинает отдавать напряжение обратно в обесточенную линию. Именно этого и требует не допустить п. 4.12.2 Кодекса систем распределения. SolarEdge в своём интерфейсе резервирования даёт выбрать, какие именно нагрузки резервировать и в каком порядке, так что перечень критической группы составляют ещё до монтажа. Схему согласовывают с оператором системы распределения.

Когда остановка генерации не поломка

Штатное срабатывание защиты

Признак штатной работы один. В сети нет напряжения, и станция стоит.

После восстановления инвертор не бросается в работу той же секунды. В профиле IEEE 1547-2018, который действует в Новой Англии, установка не должна возвращаться, пока напряжение и частота не продержатся здоровыми 5 минут, а дальше наращивает активную мощность линейно, с типичной продолжительностью набора 300 с и шагами не более 20% номинала. Для Украины конкретной выдержки я не нашла, но логика та же. Инвертор ждёт, пока сеть постоит стабильно.

Обходить защиту не стоит, и это не морализаторство. Fronius для кода состояния 581 пишет, что после активации конфигурации для специализированных сетей аппарат перестаёт отвечать требованиям IEEE 1547 и IEEE 1547.1, потому что функция автономной работы деактивирована, предельные значения частоты и напряжения изменены, а функция снижения мощности в зависимости от частоты активирована. Кодекс систем распределения требует настроек в пределах государственных стандартов, так что такое вмешательство выводит станцию за условия присоединения.

Советую сделать так. Прежде чем звонить в сервис, посмотрите, есть ли свет у соседей, потому что чаще всего оказывается, что очередь ГПО накрыла всю улицу, а инвертор отработал ровно то, за что его сертифицировали.

Признаки реальной неисправности

А теперь о настоящих поломках. Сервисное обслуживание нужно тогда, когда поведение аппарата не укладывается в штатную картину и состоянием сети не объясняется.

Ложные срабатывания бывают, и производители этого не скрывают. В части конфигураций, как признаёт Victron, его же встроенная детекция потери сети начинает мешать, а аппарат читает ситуацию как перегрузку. Разбирается с этим сервис. Владелец в настройки защиты не лезет.

Выбор оборудования под долгие отключения

Сетевая и гибридная схемы расходятся ровно в одной точке. Что произойдёт, когда сеть исчезнет.

Гибридный инвертор под длительные отключения подбирают по перечню нагрузок в backup-режиме, а уже потом смотрят на мощность панелей. Под пусковой ток считают запас резервного выхода, потому что именно он вышибает резерв, а не среднее суточное потребление. Ёмкость накопителя считают под окно отключения, и шестичасовой ГПО даёт точку отсчёта, от которой уже можно торговаться с бюджетом. Совместимость с существующим массивом проверяют до покупки, потому что переделывать стринги выходит дороже, чем изначально взять другой аппарат. Защита инвертора при исчезновении сети работает в такой станции штатно, а свет в доме держит уже резервный выход.

Иногда дешевле не менять ничего. Сетевая станция остаётся как есть, а резерв собирают отдельным контуром под критическую группу, и тогда защита от островного режима никому не мешает.