Usa ka Kompletong Gid sa Overvoltage Fault sa PV Power Plant: mga Kahimtang, mga Panganib, ug Systematic nga Solusyon

I. Ano ang Grid Voltage Overvoltage Fault?

Ang grid voltage overvoltage ay tumutukoy sa isang pangyayari sa mga sistema ng kuryente o circuit kung saan ang voltage ay lumalampas sa normal na range ng operasyon.

Karaniwan, sa frequency ng kuryente, kung ang RMS (Root Mean Square) value ng AC voltage ay tumaas ng higit sa 10% sa itaas ng rated value at tumagal ng higit sa 1 minuto, ito ay maaaring ituring na grid voltage overvoltage fault.

Halimbawa, sa karaniwang 380V three-phase grid system sa Tsina, kung ang voltage ay lumampas ng 418V at tumagal ng ilang panahon, maaari itong mag-trigger ng grid voltage overvoltage fault.

Sa photovoltaic (PV) power stations, ang grid-connected inverters ang responsable sa real-time monitoring ng grid voltage.

Ang mga inverter ay karaniwang may high-precision voltage sensors upang makolekta ng real-time grid voltage signals. Ang mga sensor na ito ay nagpapadala ng kolektadong voltage signals sa control system ng inverter, na nag-aanalisa at nagproseso ng mga signal upang matukoy kung ang grid voltage ay nasa tinukoy na range.

Kapag natuklasan na ang grid voltage ay lumampas sa preset na safe range, ang inverter ay agad na aktibado ang protection mechanism, inilipat sa shutdown, at nakakawalan ng koneksyon sa grid upang maiwasan ang pagkasira ng equipment dahil sa overvoltage at tiyakin ang kaligtasan ng equipment at operators.

Karagdagang, sa ilang malalaking PV power stations, mayroong dedicated power quality monitoring devices na nakalagay upang gawin ang komprehensibong, real-time monitoring ng iba't ibang grid parameters, na nagbibigay-daan sa maagang deteksiyon at handling ng mga isyu sa power quality tulad ng voltage overvoltage.

II. Mga Dahilan ng Voltage Overvoltage Faults

(1) Line Factors: Impact of Cable Impedance

Ang mga cable sa pagitan ng inverter at grid connection point ay may mahalagang papel sa power transmission.

Kung ang cable ay masyadong maliit, ang resistance nito ay tataas. Ayon sa Ohm’s Law (U = I×R), sa constant current, mas mataas na resistance ay nagdudulot ng mas mataas na voltage drop, na nagsisimula ng mas mataas na AC output voltage sa side ng inverter.

Mga sobrang mahabang cables din ay nagdudulot ng mas mataas na resistance, na nagdudulot ng parehong issue sa voltage elevation. Halimbawa, sa mga PV power stations sa mga layunin na lugar kung saan ang grid connection point ay malayo, ang paggamit ng cables na hindi angkop na specifications ay madaling mag-lead sa voltage overvoltage faults dahil sa excessive cable impedance.

Kung ang cables ay natali, ang inductance nito ay tataas. Sa AC circuits, ang inductance ay naglaban sa pag-flow ng current, na nagdudulot ng mas malubhang disruption sa voltage distribution at maaaring mag-trigger ng voltage overvoltage.

Wiring Errors

Sa unang installation ng PV power station, ang maliwang wiring ng AC cable (halimbawa, ang pagkonekta ng neutral terminal sa live wire) ay maaaring mag-cause ng abnormal na voltage. Ito ay maaaring mag-lead sa inverter na mag-detekta ng voltage na hindi tugma sa actual na grid voltage, na nag-trigger ng overvoltage protection mechanism.

Pagkatapos ng inverter na mag-operate ng ilang panahon, ang loose o mahinang connections sa grid-side cables ay maaaring mag-increase ng contact resistance. Ayon sa Joule’s Law (Q = I²Rt, kung saan ang Q ay init, I ay current, R ay resistance, at t ay oras), mas mataas na contact resistance ay nag-generate ng mas maraming init, na nagdudulot ng lokal na pagtaas ng temperatura. Ito ay nagpapahirap sa electrical performance ng line, nagdudulot ng transient voltage increase sa inverter at nag-trigger ng voltage overvoltage fault.

(2) Grid Structure and Load Factors: Conflict Between Grid Capacity and Load Absorption

Sa ilang rehiyon, lalo na sa mga layunin na rural areas o areas na may underdeveloped grid infrastructure, ang load absorption capacity ng grid ay limitado. Kapag ang installed PV capacity sa parehong power distribution area ay masyadong malaki, ang malaking amount ng PV-generated power ay ipinapadala sa grid. Kung ang grid ay hindi maaaring i-absorb ang power na ito nang maayos at epektibo, ang grid voltage ay tataas.

Transformer-Related Issues

Ang mga transformer ay may mahalagang papel sa voltage conversion at power distribution sa grid:

Kung ang transformer ay malayo sa grid connection point, ang output voltage nito ay karaniwang itinataas upang kompensahin ang line voltage loss at siguraduhin ang normal na voltage sa mga lugar na malayo sa transformer. Gayunpaman, ito ay maaaring mag-lead sa excessive voltage sa grid connection point malapit sa transformer.

Unreasonable transformer tap settings o operational faults (halimbawa, poor contact ng tap changer) ay maaaring makaapekto sa turns ratio ng transformer, na nagdudulot ng abnormal na pagtaas ng output voltage at nag-trigger ng grid voltage overvoltage fault.

(3) Inverter-Related Factors: Initial Settings and Operational Faults

Ang mga inverter ay may default na voltage protection range kapag sila ay lumabas sa factory. Sa praktikal na aplikasyon, kung ang preset na range na ito ay hindi tugma sa actual na local grid conditions, maaaring mag-lead sa misjudgment. Halimbawa, kung ang grid voltage ay nag-fluctuate sa normal na range ngunit ang voltage protection threshold ng inverter ay set na masyadong mababa, ang inverter ay maaaring madalas na mag-report ng overvoltage faults.

Sa mahabang panahon ng operasyon, ang mga inverter ay maaaring magkaroon ng hardware failures (halimbawa, damaged voltage sampling circuits, faulty control boards). Ang mga failure na ito ay nagdudulot ng inaccurate na grid voltage detection ng inverter, na nag-lead sa incorrect na activation ng overvoltage protection mechanism at inverter shutdown.

Multi-Inverter Connection Issues

Sa mga malalaking PV power stations, madalas na konektado ang maraming inverter sa grid nang sabay-sabay. Kung ang maraming single-phase inverters ay concentrated sa isang phase, ang current sa phase na iyon ay maaaring maging masyadong mataas, nagdudulot ng grid voltage imbalance at pagtaas ng voltage sa phase na iyon.

III. Mga Panganib ng Voltage Overvoltage Faults sa PV Power Stations at Grid

(1) Damage to PV Power Station Equipment: Increased Risk of Inverter Faults

Kapag ang grid voltage ay overvoltage, ang mga electronic components sa loob ng inverter ay nagdudulot ng voltage na lumalampas sa kanilang rated value, na nag-accelerate ng aging ng component o kaya'y nag-cause ng direct damage.

Halimbawa, ang mga power switching devices sa inverters (tulad ng IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors) ay nag-experience ng mas mataas na voltage stress sa turn-on at turn-off sa ilalim ng overvoltage conditions, na nag-cause ng breakdown at nag-render ng inverter na hindi operable.

Karagdagang, ang overvoltage maaaring mag-cause ng mga fault sa control circuit ng inverter, na nag-impair ng ability nito na kontrolin nang precise ang output voltage at current, at nag-reduce ng performance at reliability ng inverter.

Shortened PV Module Lifespan

Ang sobrang mataas na grid voltage ay maaaring fed back sa PV module side sa pamamagitan ng inverter, na nag-increase ng operating voltage ng modules. Ang mahabang panahon ng operasyon ng PV modules sa mataas na voltage ay maaaring mag-alter ng performance ng kanilang internal semiconductor materials, na nag-lead sa mga isyu tulad ng hot spots at microcracks.

(2) Impact on Grid Stability: Deteriorated Power Quality

Ang grid voltage overvoltage ay nag-degrade ng power quality at nag-cause ng harmonic pollution. Kapag ang voltage ay lumampas sa normal na range, ang nonlinear loads sa power system ay nag-generate ng additional harmonic currents, na nag-lead sa mas malubhang disruption sa grid voltage, na nag-create ng vicious cycle. Ang harmonics ay nag-increase ng heat generation sa electrical equipment, nag-reduce ng service life, at maaaring mag-interfere sa normal na operasyon ng communication systems, na nag-undermine ng overall stability ng power system.

(3) Power Generation Loss and Reduced Economic Benefits: Inverter Shutdown and Derated Operation

Kapag ang inverter ay nag-detekta ng grid voltage overvoltage, ito ay nag-shutdown para sa protection o nag-operate sa reduced power upang tiyakin ang kaligtasan ng equipment. Ang inverter shutdown ay nag-cause ng PV power station na huminto sa pag-generate ng kuryente, na nag-lead sa direct power generation loss.

Increased Long-Term Operation and Maintenance (O&M) Costs

Ang damage sa PV power station equipment (tulad ng inverters at PV modules) na dulot ng voltage overvoltage faults ay nangangailangan ng timely repair at replacement. Ito ay hindi lamang nag-increase ng short-term repair costs kundi nag-necessitate rin ng mas madalas na equipment replacement sa hinaharap dahil sa shortened service life, na nag-raise ng long-term O&M costs.

IV. Effective Solutions to Voltage Overvoltage Faults

(1) Pre-Construction Planning and Design Optimization: Comprehensive Grid Survey and Assessment

Sa pre-construction phase ng PV power station, dapat na gawin ang comprehensive at detailed survey at assessment ng local grid. Dapat maunawaan ang key parameters tulad ng grid structure, capacity, load conditions, at voltage fluctuation range. Dapat gamitin ang professional power analysis software upang simulan at analisin ang potential impact ng PV power station sa grid pagkatapos ng koneksyon.

Halimbawa, ang mga tools tulad ng PSCAD (Power System Computer-Aided Design) o ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) ay maaaring simulan ang grid voltage changes sa iba't ibang PV installed capacities, connection locations, at connection methods. Ito ay tumutulong sa pag-determine ng pinakamaayos na construction plan ng PV power station, tiyakin ang healthy voltage sa grid connection point, at bawasan ang risk ng voltage overvoltage faults sa pinagmulan.

Rational Planning of PV Installed Capacity

Batay sa load absorption capacity at transformer capacity ng grid, ang installed capacity ng PV power station ay dapat na ma-plan ng rational. Iwasan ang overconcentration ng PV equipment sa parehong power distribution area upang iwasan ang pagtaas ng voltage dahil sa excessive PV power na hindi maaaring i-absorb ng grid.

Optimization of Inverter Connection Methods

Para sa mga PV power stations na may maraming inverter, dapat na i-optimize ang inverter connection method. Iwasan ang concentration ng maraming single-phase inverters sa isang phase; instead, distribute these evenly across the three grid phases to achieve multi-point grid connection. Ito ay balanse ang three-phase current at bawasan ang voltage imbalance at elevation dahil sa excessive single-phase current.

(2) Equipment Selection, Installation, and Commissioning Specifications: Use of High-Quality Cables and Rational Wiring

Sa construction ng PV power station, dapat gamitin ang high-quality cables na sumasakop sa national standards. Ang specifications at cross-sectional area ng cable ay dapat pumili batay sa actual na transmission power at distance.

Para sa long-distance grid connection, kinakailangan ng mas malaking cross-sectional area ng cable upang bawasan ang line impedance at voltage drop.

Sama-sama, ang wiring ay dapat rational upang iwasan ang excessively long, tangled, o unnecessarily bent cables. Sa panahon ng wiring, maaaring gamitin ang cable trays o ducts upang protektahan at organizein ang cables, tiyakin ang safe cable operation.

Halimbawa, sa mga malalaking PV power stations, maaaring gamitin ang underground cable laying, at ang cable routes ay dapat maplan ng rational upang bawasan ang cable length at crossings, improvein ang power transmission efficiency at bawasan ang probability ng voltage overvoltage faults.

Accurate Inverter Selection and Installation

Sa pagpili ng inverters, dapat bigyan ng sapat na consideration ang local grid conditions. Dapat pumili ng inverters na may wide voltage adaptation range, reliable overvoltage protection, at high power conversion efficiency.

Sa panahon ng installation, tiyakin ang tama na AC wiring ng inverter upang iwasan ang voltage abnormalities dahil sa swapping ng phase at neutral wires.

Rational Transformer Configuration and Maintenance

Dapat pumili ng transformers na may good voltage regulation performance upang maaaring i-adjust nang maayos kapag ang grid voltage ay nag-fluctuate. Sama-sama, dapat palakasin ang daily maintenance at monitoring ng transformers. Ang mga parameter ng transformer tulad ng tap changers, windings, at oil levels ay dapat regular na i-inspect upang tiyakin ang normal na operasyon ng transformer.

Para sa mga transformers na malayo sa grid connection point, maaaring gamitin ang on-load tap changers upang maitataguyod ang real-time adjustment ng output voltage ng transformer sa pamamagitan ng remote control, tiyakin na ang voltage sa grid connection point ay nasa normal na range.

(3) Operational Monitoring and Intelligent Regulation Strategies: Establishment of a Real-Time Monitoring System

Dapat itatag ang comprehensive real-time monitoring system para sa PV power station upang monitorin ang grid parameters tulad ng voltage, current, power, at frequency sa real time. Ang mga sensors na naka-install sa grid connection point, inverter output end, at PV modules ay nagpadala ng collected data sa monitoring center sa real time. Ang big data analytics at cloud computing platforms ay ginagamit upang i-analyze at i-process ang monitoring data, na nagbibigay-daan sa maagang deteksiyon ng abnormalities tulad ng voltage overvoltage.

Halimbawa, sa pamamagitan ng pag-set ng early warning threshold para sa voltage overvoltage, ang sistema ay automatic na nag-send ng alert kapag ang monitored grid voltage ay lumapit o lumampas sa threshold, na nag-remind sa O&M personnel na gumawa ng timely measures upang iwasan ang faults.

Regular Maintenance and Fault Troubleshooting

Dapat itatag ang strict regular maintenance plan para sa PV power station upang gawin ang regular inspections, maintenance, at upkeep ng equipment.

Ang operating status ng equipment tulad ng inverters, PV modules, cables, at transformers ay dapat regular na i-check upang matukoy at i-repair ang potential fault risks nang maagang panahon. Sa panahon ng maintenance, dapat i-test at i-record ang equipment parameters, at i-compare ang historical data upang i-analyze ang trends ng operasyon ng equipment at i-predict ang potential faults sa advance.