Пълен водичка за преизкуствен напряжение в фотоелектрическа електроцентрала: Причини, рискове и системни решения

I. Какво е повишено напрежение в мрежата?

Повишено напрежение в мрежата се отнася до феномен в електроенергийните системи или вериги, при който напрежението надвишава нормалния оперативен диапазон.

Обикновено, при честота на променливото ток, ако ефективната стойност (RMS) на AC напрежението се увеличи с повече от 10% над номиналната стойност и продължи повече от 1 минута, то може да бъде определено като повишено напрежение в мрежата.

Например, в общоизвестната трифазна мрежова система на 380V в Китай, ако напрежението надвиши 418V и продължава за определен период, може да се активира повишено напрежение в мрежата.

В фотоелектрични (PV) електроцентрали, мрежовите инвертори са отговорни за реално време наблюдение на мрежовото напрежение.

Инверторите обикновено са оборудвани с датчици за напрежение с висока точност, които събират реално време сигнали за мрежово напрежение. Тези датчици предават събраният сигнал за напрежение към контролната система на инвертора, която анализира и обработва сигнала, за да определи дали мрежовото напрежение е в зададения диапазон.

Щом мрежовото напрежение се установи, че надвишава предварително зададения безопасен диапазон, инверторът ще активира незабавно механизма за защита, ще спре и ще се разедини от мрежата, за да предотврати повреди на оборудването от повишено напрежение и да гарантира безопасността както на оборудването, така и на операторите.

Освен това, в някои големи PV електроцентрали, се инсталират специализирани устройства за наблюдение на качеството на енергията, за да се проведе цялостно, реално време наблюдение на различни мрежови параметри, позволяващо навременно откриване и управление на проблеми с качеството на енергията, като например повишено напрежение.

II. Причини за повишено напрежение в мрежата

(1) Фактори свързани с линиите: Влияние на импеданса на кабела

Кабелите между инвертора и точката на мрежово връзка играят ключова роля в прехода на енергия.

Ако кабелът е прекалено тънък, съпротивлението му се увеличава. Според законите на Ом (U = I×R), при постоянен ток, по-високата съпротивителност води до по-голямо падане на напрежението, което от своя страна увеличава изходното AC напрежение на страната на инвертора.

Прекалено дълги кабели също увеличават съпротивлението, причинявайки подобни проблеми с повишаване на напрежението. Например, в PV електроцентрали в отдалечени области, където точката на мрежово връзка е далеч, използването на кабели с неподходящи спецификации лесно може да доведе до повишено напрежение в мрежата поради прекомерен импеданс на кабела.

Ако кабелите са заплетени, индуктивността им се увеличава. В AC вериги, индуктивността затруднява потока на тока, допълнително разбърква разпределението на напрежението и може да активира повишено напрежение.

Грешки в монтажа

По време на първоначалния монтаж на PV електроцентрала, грешки в монтажа на AC кабели (например, свързване на нулевия контакт към фазата) могат да причинят аномално напрежение. Това може да доведе до това, че инверторът засича напрежение, което не съответства на действителното мрежово напрежение, и следователно активира механизма за защита от повишено напрежение.

След известен период на работа, слаби или лоши връзки в мрежовите кабели могат да увеличат контактната съпротивителност. Според закона на Жоу (Q = I²Rt, където Q е топлина, I е ток, R е съпротивителност, а t е време), по-високата контактна съпротивителност генерира повече топлина, водейки до местно повишаване на температурата. Това влошава електрическите характеристики на веригата, причинявайки временна намеса в напрежението на инвертора и активиране на механизма за защита от повишено напрежение.

(2) Фактори свързани с мрежовата структура и товара: Конфликт между капацитета на мрежата и абсорбцията на товара

В някои региони, особено в отдалечени селски райони или области с недоразвита мрежова инфраструктура, капацитетът за абсорбция на товара в мрежата е ограничен. Когато инсталираната PV мощност в един и същ разпределителен район е прекалено голяма, голяма част от PV произведена енергия се вкарва в мрежата. Ако мрежата не може да абсорбира тази енергия навреме и ефективно, мрежовото напрежение се увеличава.

Проблеми свързани с трансформаторите

Трансформаторите играят ключова роля в преобразуването на напрежението и разпределението на енергията в мрежата:

Ако трансформаторът е далеч от точката на мрежово връзка, изходното му напрежение обикновено се увеличава, за да компенсира загубата на напрежението в линията и да осигури нормално напрежение в области, далеч от трансформатора. Обаче, това може да доведе до прекомерно напрежение в точката на мрежово връзка близо до трансформатора.

Неразумни настройки на трансформаторните контакти или операционни дефекти (например, лош контакт на переключателя на контакти) могат да влияят на отношенията на обмотките на трансформатора, водейки до аномално увеличаване на изходното напрежение и активиране на механизма за защита от повишено напрежение в мрежата.

(3) Фактори свързани с инверторите: Първоначални настройки и операционни дефекти

Инверторите излизат от завод със стандартен диапазон за защита на напрежението. В практически приложения, ако този предварително зададен диапазон не съответства на реалните местни мрежови условия, може да възникне грешка. Например, ако мрежовото напрежение варира в нормален диапазон, но прагът за защита на напрежението на инвертора е зададен прекалено ниско, инверторът ще докладва често за повишено напрежение.

По време на дългосрочна работа, инверторите могат да изпитат хардуерни дефекти (например, повредени вериги за пробиране на напрежението, дефектни контролни платки). Тези дефекти причиняват неточно детектиране на мрежовото напрежение от инвертора, водейки до неправилно активиране на механизма за защита от повишено напрежение и спиране на инвертора.

Проблеми при връзка на многобройни инвертори

В големи PV електроцентрали, често се свързват множество инвертори едновременно към мрежата. Ако много единични инвертори се концентрират на една фаза, токът в тази фаза ще бъде прекалено висок, причинявайки несъответствие на мрежовото напрежение и увеличавайки напрежението на тази фаза.

III. Опасности от повишено напрежение в мрежата за PV електроцентрали и мрежата

(1) Повреди на оборудването на PV електроцентрали: Увеличена опасност от повреди на инверторите

Когато мрежовото напрежение е прекалено високо, електронните компоненти в инвертора се излагат на напрежение, което надвишава номиналната им стойност, ускорявайки стареенето на компонентите или дори причинявайки директни повреди.

Например, силни переключватели в инверторите (като IGBT, изолирани двуполюсни транзистори) изпитват увеличено напрежение при включване и изключване при условия на повишено напрежение, което ги прави склонни към пробив и извеждане на инвертора извън строя.

Освен това, повишено напрежение може да причини повреди в контролната верига на инвертора, ослабявайки способността му да контролира точно изходното напрежение и тока, и допълнително намалява изпълнителните характеристики и надеждността на инвертора.

Съкращаване на жизнения срок на PV модулите

Прекалено високо мрежово напрежение може да се върне към PV модулите чрез инвертора, увеличавайки работното напрежение на модулите. Дългосрочната работа на PV модулите при високо напрежение може да промени характеристиките на техните полупроводни материали, водейки до проблеми като горещи точки и микропукнатини.

(2) Влияние върху стабилността на мрежата: Влошено качество на енергията

Повишено напрежение в мрежата влошава качеството на енергията и причинява хармонично замърсяване. Когато напрежението надвиши нормалния диапазон, нелинейните товари в електроенергийната система генерират допълнителни хармонични токове, които от своя страна допълнително разбъркват мрежовото напрежение, създавайки злобен кръг. Хармониите увеличават генерирането на топлина в електрическото оборудване, намаляват жизнения му срок и може да въздействат на нормалната работа на комуникационните системи, подкопавайки общата стабилност на електроенергийната система.

(3) Губи на производство и намалени икономически ползи: Спиране на инверторите и работа с намалена мощност

Когато инверторът засече повишено напрежение в мрежата, той спира за защита или работи с намалена мощност, за да осигури безопасността на оборудването. Спирането на инвертора причинява PV електроцентралата да спре напълно производството на енергия, което води до пряка загуба на производството.

Увеличени дългосрочни разходи за експлоатация и поддръжка (O&M)

Повредите на оборудването на PV електроцентрали (например, инвертори и PV модули), причинени от повишено напрежение, изискват навременна поправка и замяна. Това не само увеличава краткосрочните разходи за ремонт, но и изисква по-честа замяна на оборудването в бъдеще поради съкращен жизнен срок, което увеличава дългосрочните разходи за експлоатация и поддръжка.

IV. Ефективни решения за повишено напрежение в мрежата

(1) Предварително планиране и оптимизация на проектирането: Комплексно проучване и оценка на мрежата

В предварителната фаза на строителството на PV електроцентрала, трябва да се проведе комплексно и подробно проучване и оценка на местната мрежа. Трябва да се разберат ключови параметри като структурата на мрежата, капацитета, условията на товара и диапазонът на колебания на напрежението. Трябва да се използва професионално софтуер за анализ на енергията, за да се моделира и анализира потенциалното влияние на PV електроцентралата върху мрежата след връзката.

Например, инструменти като PSCAD (Power System Computer-Aided Design) или ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) могат да моделират промените в мрежовото напрежение при различни инсталации на PV, места на връзка и методи на връзка. Това помага да се определи най-разумният план за строителство на PV електроцентрала, осигурява здраво напрежение в точката на мрежова връзка и намалява риска от повишено напрежение в мрежата от източник.

Разумно планиране на инсталацията на PV мощност

На основата на капацитета за абсорбция на товара и мощността на трансформатора, трябва да се планира разумно инсталацията на PV мощност. Трябва да се избегне прекомерната концентрация на PV оборудване в един и същ разпределителен район, за да се предотврати повишаването на напрежението, причинено от прекомерна PV мощност, която мрежата не може да абсорбира.

Оптимизация на методите за връзка на инверторите

За PV електроцентрали с множество инвертори, трябва да се оптимизира методът за връзка на инверторите. Трябва да се избегне концентрацията на множество единични инвертори на една фаза; вместо това, те трябва да се разпределят равномерно по трите фази на мрежата, за да се постигне многоточкова връзка. Това балансира трифазния ток и намалява несъответствието и повишаването на напрежението, причинени от прекомерен единичен ток.

(2) Избор, монтаж и настройка на оборудването: Използване на висококачествени кабели и разумна връзка

В строителството на PV електроцентрали, трябва да се използват висококачествени кабели, отговарящи на国家标准电缆和合理布线 在光伏电站建设中，应使用符合国家标准的高质量电缆。电缆规格和截面积应根据实际传输功率和距离选择。 对于远距离并网，需要较大的电缆截面积以减少线路阻抗和电压降。 同时，布线应合理，避免过长、缠绕或不必要的弯曲电缆。在布线时，可以使用电缆桥架或管道来保护和整理电缆，确保电缆安全运行。 例如，在大型光伏电站中，可以采用地下电缆敷设，并合理规划电缆路径，以减少电缆长度和交叉，提高电力传输效率，降低电压过高的故障概率。 **准确选择和安装逆变器** 在选择逆变器时，应充分考虑当地电网条件。应选择具有宽电压适应范围、可靠的过压保护和高功率转换效率的逆变器。 在安装过程中，确保逆变器的交流接线正确，避免因相线和零线错接导致电压异常。 **合理配置和维护变压器** 应选择具有良好电压调节性能的变压器，以便在电网电压波动时及时调整。同时，应加强变压器的日常维护和监测。定期检查变压器的分接开关、绕组和油位等参数，确保变压器正常运行。 对于远离并网点的变压器，可以使用有载调压开关通过远程控制实时调整变压器输出电压，确保并网点电压保持在正常范围内。 ### (3) 运行监控和智能调节策略：建立实时监控系统 应为光伏电站建立一个全面的实时监控系统，实时监控电网参数如电压、电流、功率和频率。安装在并网点、逆变器输出端和光伏组件上的传感器将采集的数据实时传输到监控中心。利用大数据分析和云计算平台对监控数据进行分析和处理，及时发现电压过高等异常情况。 例如，通过设置电压过高的预警阈值，当监测到电网电压接近或超过阈值时，系统自动发送警报，提醒运维人员及时采取措施防止故障。 **定期维护和故障排查** 应为光伏电站制定严格的定期维护计划，定期对设备进行检查、维护和保养。 定期检查逆变器、光伏组件、电缆和变压器等设备的运行状态，及时发现并修复潜在故障风险。在维护过程中，测试并记录设备参数，对比历史数据，分析设备运行趋势，提前预测潜在故障。 --- 以上是保加利亚语翻译结果。