Falowniki SMA, ABB, Siemens – zmiana mocy przez częstotliwość sieci, P(f), frequency-watt, VFD

Pytanie

Zmiana mocy falownika poprzez częstotliwość sieci

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Tak – w dwóch różnych sensach:
  • Falowniki sieciowe (PV, magazyny energii) automatycznie zmieniają moc czynną w funkcji częstotliwości sieci według charakterystyki P(f) / frequency‑watt (tzw. „droop”), aby stabilizować system. Użytkownik nie steruje częstotliwością sieci, a progi i nachylenia są określane przez kodeksy sieciowe i operatora. (nrel.gov)
  • Przemienniki częstotliwości (VFD) dla silników zmieniają moc napędu przez zmianę częstotliwości WYJŚCIOWEJ falownika (V/f, FOC). Poniżej częstotliwości bazowej – stały moment; powyżej – osłabianie pola i zakres mocy w przybliżeniu stałej. (scribd.com)
• Kluczowe punkty:
  • Dla on‑grid: przy nadczęstotliwości falownik redukuje P zgodnie z nachyleniem droop; przy podczęstotliwości – może zwiększać P tylko, jeśli ma rezerwę (np. magazyn energii albo pre‑curtailment PV). (eur-lex.europa.eu)
  • Dla VFD: P = M·ω; zmiana f steruje prędkością, więc moc zmienia się wraz z prędkością i dostępnym momentem. (scribd.com)

Szczegółowa analiza problemu

• Dwie interpretacje pytania:

  1. „Czy falownik on‑grid zmienia moc w reakcji na f sieci?” – Tak. Funkcja P(f) (frequency‑watt) jest dziś wymagana/oczekiwana przez kodeksy (UE: NC RfG/EN 50549; USA: IEEE 1547‑2018 z testami wg UL 1741‑SB/‑SA). Działa to jak ogranicznik mocy zależny od odchyłki częstotliwości od nominalnej. Mechanizm:
     • Ustala się próg aktywacji f1 (np. UE: 50,2–50,5 Hz dla nadczęstotliwości). Po przekroczeniu f1 falownik redukuje P ze statyzmem s (droop), aż do zadanego minimum. Przykład z dokumentacji: dla f = 51,2 Hz i nachylenia 40%/Hz moc spada o 40% mocy dostępnej. (scribd.com)
     • W USA (60 Hz) IEEE 1547‑2018 definiuje funkcję frequency‑watt z domyślnym wąskim martwym pasmem (ok. 0,036 Hz) i typowym współczynnikiem droop k ≈ 0,05 p.u.; urządzenia zgodne (np. magazyny/PV) muszą przejść badania wg IEEE 1547.1‑2020 i UL 1741‑SB. (energylibrary.tesla.com)
     • Podczęstotliwość (LFSM‑U/FW‑U): zwiększenie P jest możliwe tylko, gdy istnieje rezerwa mocy (magazyn, turbina, PV z pre‑curtailment). Dla typowego PV pracującego w MPPT rezerwy brak, więc falownik raczej „nie obniża” P. (eur-lex.europa.eu)
  2. „Czy mogę regulować moc przez zmianę częstotliwości?” – Dla VFD w napędach tak: zwiększając f→ rośnie prędkość ω i moc mechaniczna P = M·ω (przy stałym momencie). Poniżej fN obowiązuje V/f=const (stały moment), powyżej fN wchodzi osłabianie pola (field‑weakening) – moment maleje ~1/f, a moc pozostaje w przybliżeniu stała do limitów prądowych/termicznych. (scribd.com)

• Teoretyczne podstawy:

  • Falowniki sieciowe: charakterystyka P(f) ma zwykle odcinek nieczułości (deadband), próg aktywacji f1 (nad‑/pod‑częstotliwość) i nachylenie s lub k (p.u.). Zmiana mocy dąży do przywrócenia równowagi generacja–pobór. W nowoczesnych sieciach wymagane jest też ride‑through (praca w rozszerzonym paśmie częstotliwości bez zrzutu). (nrel.gov)
  • Napędy: w zakresie stałego strumienia (poniżej fN) T≈const, P~ω; powyżej fN (osłabianie pola) T~1/ω, więc P≈const do ograniczeń. To wynika z zależności strumienia od V/f i ograniczeń napięciowych przekształtnika. (scribd.com)

• Praktyczne zastosowania:

  • On‑grid PV/hybrydy: ograniczenie mocy przy wzroście f zapobiega „rozjechaniu” częstotliwości w nadpodaży. Plant/EMS może przygotować „headroom” (pre‑curtailment) albo użyć magazynu do wsparcia podczęstotliwości. (nrel.gov)
  • VFD: sterowanie mocą wentylatorów/pomp przez obniżanie f (prawo wentylatorowe – moc ~ f³ dla obciążenia kwadratowego), albo utrzymywanie stałej mocy w rozszerzonym zakresie prędkości. (studylib.net)

Aktualne informacje i trendy

• USA: wdrażanie IEEE 1547‑2018 i testów UL 1741‑SB; funkcje frequency‑watt, ride‑through, interoperacyjność (SunSpec/IEEE 2030.5/DNP3) stają się powszechne w nowych DER. Domyślne parametry (np. db≈0,036 Hz; k≈0,05 p.u.) są publikowane w instrukcjach producentów (np. Tesla/Powerwall). (scribd.com)
• UE: EN 50549 i NC RfG: LFSM‑O start zwykle 50,2–50,5 Hz, typowy statyzm 5% w Europie Kontynentalnej. Coraz częściej wymaga się konfigurowalnych opóźnień i deaktywacji z histerezą. (scribd.com)
• Systemowo: rośnie znaczenie szybkiej odpowiedzi częstotliwościowej (FFR) od zasobów inwerterowych wraz ze spadkiem inercji sieci. (nrel.gov)

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Przykład UE (50 Hz): f1=50,2 Hz, s=5%/Hz. Dla f=51,2 Hz redukcja P ≈ 50% Pavail (inne urządzenia mogą mieć 40%/Hz – przykład SMA). Ustawienia dostarcza OSD/TSO i są blokowane krajowym profilem. (scribd.com)
• Przykład USA (60 Hz): domyślna martwa strefa ±0,036 Hz wokół 60 Hz; poza deadband moc ograniczana zgodnie z kOF/kUF. Parametry i czasy reakcji (np. 0,2–10 s) wynikają ze standardów i certyfikacji UL 1741‑SA/SB. (energylibrary.tesla.com)
• Dlaczego PV nie „doda” mocy przy 59,9 Hz? Bo pracuje w MPPT bez rezerwy – wymagana byłaby wcześniejsza redukcja (headroom) lub magazyn energii. (eur-lex.europa.eu)

Aspekty etyczne i prawne

• Zmiany parametrów P(f) bez zgody operatora są niedozwolone; w praktyce wymagają kodów serwisowych/certyfikacji i muszą odpowiadać profilowi kraju/utility. (manuals.sma.de)
• Wymagania zgodności: UE – EN 50549/NC RfG; USA – IEEE 1547‑2018 + UL 1741‑SB/‑SA; dodatkowo lokalne reguły (np. Rule 21). (scribd.com)
• Bezpieczeństwo systemowe: funkcje P(f) minimalizują ryzyko wysp i zrzutów obciążeń przy zaburzeniach częstotliwości. (nrel.gov)

Praktyczne wskazówki

• Jeśli obserwujesz „tajemniczy” derating przy pełnym słońcu:
  • Sprawdź logi falownika pod kątem zdarzeń „LFSM‑O/Frequency‑Watt active/Overfrequency derating”. (manuals.sma.de)
  • Zapisz rzeczywiste f i U w chwili redukcji – porównaj z progiem f1 i nachyleniem z karty nastaw. U producentów (SMA, Kaco) znajdziesz parametry P‑HzStr/P‑WGra/f1 itp. (uwaga: zwykle zablokowane profilem kraju). (manualmachine.com)
  • Jeśli redukcje są częste, skontaktuj się z OSD/utility – możliwy jest przegląd nastaw plant controller/EMS i strategii pre‑curtailment lub integracja magazynu. (nrel.gov)
• W napędach (VFD):
  • Dla stałego momentu trzymaj V/f≈const poniżej fN; powyżej fN licz się ze spadkiem momentu i oceń chłodzenie/obroty mechaniczne. (scribd.com)

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Progi i nachylenia są różne w zależności od kraju/OSD – nie zakładaj uniwersalnych 50,2 Hz/5%/Hz; sprawdź lokalny profil. (scribd.com)
• W USA część funkcji bywa konfigurowana przez operatora dopiero po odbiorze instalacji; urządzenie musi być certyfikowane (UL 1741‑SB/‑SA) i „zdolne” do danej funkcji. (solarbuildermag.com)
• W PV wzrost mocy przy podczęstotliwości jest ograniczony dostępem do energii DC; bez headroomu to jedynie „brak dalszej redukcji”. (eur-lex.europa.eu)

Sugestie dalszych badań

• Analiza wpływu parametrów db/k (deadband/droop) na lokalną stabilność i straty energii (case study dla Twojej sieci). (researchgate.net)
• Ocena strategii FFR z magazynem energii vs. pre‑curtailment PV. (nrel.gov)
• W napędach: weryfikacja zakresu field‑weakening i 87 Hz (przełączenie Δ/Y) dla silników 50/60 Hz. (support.industry.siemens.com)

Krótkie podsumowanie

• „Zmiana mocy falownika poprzez częstotliwość sieci” w systemach on‑grid to wymuszona przez kodeksy sieciowe odpowiedź P(f)/frequency‑watt służąca stabilizacji – użytkownik nie steruje częstotliwością. W USA odnosi się to do IEEE 1547‑2018/UL 1741‑SB, w UE do EN 50549/NC RfG. (nrel.gov)
• Dla napędów (VFD) moc zmieniasz przez częstotliwość WYJŚCIOWĄ: poniżej fN – stały moment, powyżej – osłabianie pola i stała moc do limitów. (scribd.com)

Jeśli podasz typ falownika (PV/VFD/off‑grid), kraj pracy (UE/USA) i objawy (logi, wykres P–f), przygotuję konkretne nastawy i check‑listę diagnostyczną.