Una guia completa sobre els errors de sobretensió a les plantes fotovoltaiques: causes, riscos i solucions sistemàtiques

I. Què és un defecte de sobretensió de la xarxa?

La sobretensió de la xarxa es refereix a un fenòmen en sistemes o circuits elèctrics on la tensió supera l'interval d'operació normal.

Generalment, sota la freqüència de la corrent, si el valor eficaç (Root Mean Square) de la tensió AC augmenta més del 10% per sobre del valor nominal i dura més d'un minut, es pot determinar com un defecte de sobretensió de la xarxa.

Per exemple, en el sistema tri-fàsic de 380V habitual a la Xina, si la tensió supera els 418V i persisteix durant un cert període, pot activar un defecte de sobretensió de la xarxa.

En les plantes fotovoltaiques (PV), els inversors connectats a la xarxa són responsables de la monitorització en temps real de la tensió de la xarxa.

Els inversors solen estar equipats amb sensors de tensió de alta precisió per recollir senyals de tensió de la xarxa en temps real. Aquests sensors transmeten els senyals de tensió recollits al sistema de control de l'inversor, que analitza i processa els senyals per determinar si la tensió de la xarxa està dins de l'interval especificat.

Un cop detectada una tensió de xarxa que superi l'interval segur preestablert, l'inversor activarà immediatament un mecanisme de protecció, s'apagarà i es desconnectarà de la xarxa per evitar que la sobretensió endegi l'equipament i assegurar la seguretat tant de l'equipament com dels operadors.

Addicionalment, en algunes plantes PV de gran escala, es instal·len dispositius dedicats de monitorització de la qualitat de la energia per realitzar una monitorització integral i en temps real de diversos paràmetres de la xarxa, permetent la detecció i gestió oportuna de problemes de qualitat de la energia com la sobretensió.

II. Causes dels defectes de sobretensió

(1) Factors de línia: Impacte de la impedància del cable

Els cables entre l'inversor i el punt de connexió a la xarxa juguen un paper clau en la transmissió de la potència.

Si el cable és massa fin, la seva resistència augmenta. Segons la Llei d'Ohm (U = I×R), amb una corrent constant, una major resistència provoca una més gran caiguda de tensió, el que a la vegada eleva la tensió de sortida AC al costat de l'inversor.

Cables excessivament llargs també incrementen la resistència, causant problemes similars d'elevació de la tensió. Per exemple, en plantes PV en zones remotes on el punt de connexió a la xarxa està lluny, l'ús de cables d'especificacions inadeguades pot conduir fàcilment a defectes de sobretensió a causa de la impedància excessiva del cable.

Si els cables estan enredats, la seva inductància augmenta. En circuits AC, la inductància impedeix el flux de la corrent, pertorbant més encara la distribució de la tensió i potenciant la sobretensió.

Errors de cablació

Durant la instal·lació inicial d'una planta PV, una cablació incorrecta dels cables AC (per exemple, connectant el terminal neutre al fil vif) pot causar una tensió anormal. Això pot fer que l'inversor detecti una tensió que no coincideixi amb la tensió real de la xarxa, activant així el mecanisme de protecció de sobretensió.

Després que l'inversor ha estat en funcionament durant un període, connexions folles o defectuoses en els cables del costat de la xarxa poden incrementar la resistència de contacte. Segons la Llei de Joule (Q = I²Rt, on Q és calor, I és corrent, R és resistència, i t és temps), una major resistència de contacte genera més calor, provocant un augment local de la temperatura. Això deteriora el rendiment elèctric de la línia, causant un augment transitori de la tensió a l'inversor i activant un defecte de sobretensió.

(2) Factors de la estructura de la xarxa i càrrega: Conflicte entre la capacitat de la xarxa i l'absorció de la càrrega

En algunes regions, especialment en zones rurals remotes o àrees amb infraestructures de xarxa subdesenvolupades, la capacitat d'absorció de la càrrega de la xarxa és limitada. Quan la capacitat instal·lada de PV en la mateixa àrea de distribució és massa gran, una gran quantitat d'energia generada per PV es alimenta a la xarxa. Si la xarxa no pot absorir aquesta energia de manera oportuna i eficient, la tensió de la xarxa augmentarà.

Problemes relacionats amb els transformadors

Els transformadors juguen un paper crucial en la conversió de tensió i la distribució de la potència a la xarxa:

Si el transformador està lluny del punt de connexió a la xarxa, la seva tensió de sortida sol ser elevada per compensar la pèrdua de tensió en línia i assegurar una tensió normal en àrees allunyades del transformador. No obstant això, això pot causar una tensió excessiva al punt de connexió a la xarxa proper al transformador.

Configuracions irrationals de les tapes del transformador o faltes operacionals (per exemple, mal contacte del canvi de tapes) poden afectar la relació de voltants del transformador, causant una elevació anormal de la tensió de sortida i activant un defecte de sobretensió de la xarxa.

(3) Factors relacionats amb l'inversor: Configuracions inicials i faltes operacionals

Els inversors surten de fabrica amb un rang de protecció de tensió per defecte. En aplicacions pràctiques, si aquest rang preestablert no coincideix amb les condicions reals de la xarxa local, pot produir-se un error de jutjament. Per exemple, si la tensió de la xarxa fluctua dins d'un rang normal però el llindar de protecció de tensió de l'inversor està configurat massa baix, l'inversor reportarà sovint defectes de sobretensió.

Durant l'operació a llarg termini, els inversors poden experimentar falles d'hardware (per exemple, circuits de mostreig de tensió danysats, taules de control defectuoses). Aquestes falles fan que l'inversor detecti incorrectament la tensió de la xarxa, activant incorrectament el mecanisme de protecció de sobretensió i apagant l'inversor.

Problemes de connexió múltiple d'inversors

En plantes PV de gran escala, sovint es connecten múltiples inversors a la xarxa simultàniament. Si diversos inversors monofàsics es concentren en una fase, la corrent en aquesta fase serà excessivament alta, causant un desequilibri de la tensió de la xarxa i elevant la tensió d'aquesta fase.

III. Perills dels defectes de sobretensió per a les plantes PV i la xarxa

(1) Dany a l'equipament de la planta PV: Augment del risc de falles en l'inversor

Quan la tensió de la xarxa és de sobretensió, els components electrònics interiors de l'inversor suporten una tensió superior al seu valor nominal, accelerant l'envejeciment dels components o fins i tot causant danys directes.

Per exemple, els dispositius de commutació de potència en els inversors (com els IGBT, Transistors Bipolars de Porta Aïllada) experimenten un augment de la tensió de stress durant l'activació i desactivació en condicions de sobretensió, fent-los propensos a la ruptura i deixant l'inversor inoperatiu.

A més, la sobretensió pot causar falles en el circuit de control de l'inversor, comprometent la seva capacitat de controlar amb precisió la tensió i la corrent de sortida, i reduint així el rendiment i la fiabilitat de l'inversor.

Reducció de la vida útil dels mòduls PV

Una tensió de xarxa excessivament alta pot ser retroalimentada als mòduls PV a través de l'inversor, augmentant la tensió d'operació dels mòduls. L'operació a llarg termini dels mòduls PV sota una alta tensió pot alterar el rendiment dels materials semiconductors interns, causant problemes com punts calents i microfractures.

(2) Impacte en l'estabilitat de la xarxa: Deteriorament de la qualitat de la energia

La sobretensió de la xarxa deteriora la qualitat de la energia i causa contaminació harmònica. Quan la tensió supera l'interval normal, les càrregues no lineals en el sistema elèctric generen corrents harmòniques addicionals, que a la vegada pertorben més la tensió de la xarxa, creant un cicle viciós. Les harmoniques augmenten la generació de calor en l'equipament elèctric, redueixen la vida útil i poden interferir amb el funcionament normal dels sistemes de comunicació, minvant la estabilitat global del sistema elèctric.

(3) Pèrdua de generació de potència i reducció dels beneficis econòmics: Apagament de l'inversor i operació a potència reduïda

Quan l'inversor detecta una sobretensió de la xarxa, s'apaga per protecció o opera a potència reduïda per assegurar la seguretat de l'equipament. L'apagament de l'inversor fa que la planta PV s'aturi completament, resultant en una pèrdua directa de generació de potència.

Augment dels costos d'operació i manteniment (O&M) a llarg termini

El dany a l'equipament de la planta PV (per exemple, inversors i mòduls PV) causat per defectes de sobretensió requereix reparacions i substitucions oportunes. Això no només augmenta els costos de reparació a curt termini, sinó que també necessita la substitució més freqüent de l'equipament en el futur a causa de la vida útil reduïda, augmentant els costos d'O&M a llarg termini.

IV. Solucions efectives als defectes de sobretensió

(1) Planificació i optimització del disseny abans de la construcció: Enquesta i avaluació completa de la xarxa

En la fase previa a la construcció d'una planta PV, s'ha de realitzar una enquesta i avaluació completa i detallada de la xarxa local. Cal entendre exhaustivament paràmetres clau com la estructura de la xarxa, la capacitat, les condicions de càrrega i l'interval de fluctuació de la tensió. S'haurien d'utilitzar programes professionals d'anàlisi de potència per simular i analitzar l'impacte potencial de la planta PV en la xarxa després de la connexió.

Per exemple, eines com PSCAD (Power System Computer-Aided Design) o ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) poden simular canvis de tensió de la xarxa sota diferents capacitats instal·lades de PV, ubicacions de connexió i mètodes de connexió. Això ajuda a determinar el pla de construcció més raonable de la planta PV, assegura una tensió salubre al punt de connexió a la xarxa i redueix el risc de defectes de sobretensió a la font.

Planificació raonable de la capacitat instal·lada de PV

Basant-se en la capacitat d'absorció de càrrega de la xarxa i la capacitat del transformador, la capacitat instal·lada de la planta PV s'ha de planificar de manera raonable. S'ha d'evitar concentrar massa equipament PV en la mateixa àrea de distribució per prevenir l'elecció de la tensió causada per una quantitat excessiva de potència PV que la xarxa no pot absorir.

Optimització dels mètodes de connexió de l'inversor

Per a les plantes PV amb múltiples inversors, s'ha d'optimitzar el mètode de connexió de l'inversor. S'ha d'evitar concentrar diversos inversors monofàsics en una sola fase; en comptes, s'han de distribuir uniformement entre les tres fases de la xarxa per aconseguir una connexió a la xarxa multipunt. Això equilibra la corrent trifàsica i redueix el desequilibri i l'elecció de la tensió causats per una corrent monofàsica excessiva.

(2) Selecció, instal·lació i especificacions de comissió de l'equipament: Ús de cables de alta qualitat i cablació raonable

En la construcció de la planta PV, s'han d'utilitzar cables de alta qualitat que compleixin les normes nacionals. Les especificacions i la secció transversal dels cables s'han de seleccionar basant-se en la potència de transmissió real i la distància.

Per a connexions a la xarxa a llarga distància, s'ha de requerir una secció transversal més gran del cable per reduir la impedància de la línia i la caiguda de tensió.

Alhora, la cablació ha de ser raonable per evitar cables excessivament llargs, enredats o innecessàriament doblats. Durant la cablació, es poden utilitzar conductes o caixes de cables per protegir i organitzar els cables, assegurant una operació segura dels cables.

Per exemple, en plantes PV de gran escala, es pot adoptar la col·locació de cables soterranys, i es poden planificar rutes de cables raonables per reduir la longitud i els creuaments de cables, millorant l'eficiència de transmissió de la potència i disminuint la probabilitat de defectes de sobretensió.

Selecció i instal·lació precisa de l'inversor

En la selecció d'inversors, s'ha de tenir en compte plenament les condicions locals de la xarxa. S'han de triar inversors amb un ample rang d'adaptació de tensió, protecció contra sobretensió fiable i alta eficiència de conversió de potència.

Durant la instal·lació, s'ha d'assegurar una cablació AC correcta de l'inversor per evitar tensions anormals causades per intercanviar els fils de fase i neutre.

Configuració i manteniment raonable dels transformadors

S'han de seleccionar transformadors amb un bon rendiment de regulació de tensió per permetre ajustos oportuns quan la tensió de la xarxa fluctui. Alhora, s'ha de reforçar el manteniment i la monitorització diària dels transformadors. S'han d'inspeccionar regularment paràmetres dels transformadors com els canvis de tapes, els bobinages i els nivells d'oli per assegurar el funcionament normal dels transformadors.

Per a transformadors lluny del punt de connexió a la xarxa, es poden utilitzar canvis de tapes sota càrrega per realitzar un ajust en temps real de la tensió de sortida del transformador a través de control remot, assegurant que la tensió al punt de connexió a la xarxa romangui dins de l'interval normal.

(3) Monitorització operativa i estratègies de regulació intel·ligent: Establiment d'un sistema de monitorització en temps real

S'ha d'establir un sistema de monitorització en temps real complet per a la planta PV per monitoritzar paràmetres de la xarxa com la tensió, la corrent, la potència i la freqüència en temps real. Sensores instal·lats al punt de connexió a la xarxa, al final de sortida de l'inversor i als mòduls PV transmeten dades recollides al centre de monitorització en temps real. S'utilitzen plataformes d'anàlisi de dades massives i computació en núvol per analitzar i processar les dades de monitorització, permetent la detecció oportuna d'anomalies com la sobretensió.

Per exemple, establint un llindar d'avís precoç per a la sobretensió, el sistema envia automàticament un avís quan la tensió de la xarxa monitoritzada s'acosta o supera el llindar, recordant al personal d'O&M prendre mesures oportunes per prevenir falles.

Manteniment regular i resolució de falles

S'ha de formular un pla estrict de manteniment regular per a la planta PV per realitzar inspeccions, manteniments i conservacions regulars de l'equipament.

S'ha de comprovar regularment l'estat de funcionament de l'equipament com els inversors, els mòduls PV, els cables i els transformadors per identificar i reparar riscos de falles potencials de manera oportuna. Durant el manteniment, s'han de provar i registrar els paràmetres de l'equipament, i s'han de comparar les dades històriques per analitzar les tendències de funcionament de l'equipament i predir falles potencials amb antelació.