Úplný průvodce přetlakem v fotovoltaické elektrárně: Příčiny, rizika a systémová řešení

I. Co je přetížení napětí v elektrické síti?

Přetížení napětí v elektrické síti označuje jev, kdy napětí v elektrickém systému nebo obvodu překročí normální pracovní rozsah.

Obecně lze říci, že za síťové frekvence, pokud se efektivní hodnota (RMS) střídavého napětí zvýší o více než 10 % nad nominální hodnotu a tento stav trvá déle než 1 minutu, může být stanoveno jako přetížení napětí v elektrické síti.

Například v čínském běžném třífázovém síťovém systému s 380V, pokud napětí překročí 418V a tento stav trvá určitou dobu, může to vyvolat přetížení napětí v elektrické síti.

V fotovoltaických (PV) elektrárnách jsou síťové inverterty odpovědné za průběžné monitorování síťového napětí.

Inverterty jsou obvykle vybaveny precizními senzory napětí pro sběr signálů reálného času. Tyto senzory předávají shromážděné signály o napětí do řídicího systému invertertu, který analyzuje a zpracovává tyto signály, aby určil, zda je síťové napětí v zadaném rozmezí.

Jakmile je detekováno, že síťové napětí překročilo předem nastavený bezpečný rozsah, inverter okamžitě aktivuje ochranný mechanismus, vypne se a odpojí se od sítě, aby zabránil poškození zařízení přetížením napětí a zajistil bezpečnost jak zařízení, tak obsluhy.

Kromě toho jsou v některých velkých PV elektrárnách instalovány speciální zařízení pro sledování kvality energie, která umožňují komplexní a průběžné monitorování různých parametrů sítě, což umožňuje včasné zjištění a řešení problémů s kvalitou energie, jako je přetížení napětí.

II. Příčiny přetížení napětí

(1) Faktory související s vedením: Vliv impedancí kabelů

Kabely mezi invertorem a bodem připojení k síti hrají klíčovou roli v přenosu energie.

Pokud je kabel příliš tenký, jeho odpor se zvýší. Podle Ohmova zákona (U = I×R), při konstantním proudu vedoucí k vyššímu odporu k většímu pádu napětí, což opět zvyšuje střídavé výstupní napětí na straně invertertu.

Příliš dlouhé kabely také zvyšují odpor, což způsobuje podobné problémy s napětím. Například v PV elektrárnách v odlehlých oblastech, kde je bod připojení k síti daleko, použití kabelů nesprávného typu snadno může vést k přetížení napětí kvůli příliš vysoké impedanci kabelů.

Pokud jsou kabely zapletené, jejich induktance se zvýší. V střídavých obvodech induktance brání proudění, což dále narušuje distribuci napětí a může vyvolat přetížení napětí.

Chyby při převodu

Během počáteční instalace PV elektrárny mohou chyby v převodu AC kabelů (např. připojení neutrálního terminálu k fázovému vodiči) způsobit neobvyklé napětí. To může vést k tomu, že inverter detekuje napětí, které neodpovídá skutečnému síťovému napětí, což aktivuje ochranný mechanismus přetížení napětí.

Po delší době provozu mohou uvolněné nebo špatné spojení kabelů na straně sítě zvýšit kontaktní odpor. Podle Jouleova zákona (Q = I²Rt, kde Q je teplo, I je proud, R je odpor a t je čas) vyšší kontaktní odpor produkují více tepla, což způsobuje lokální teplotní vzestup. To narušuje elektrotechnické vlastnosti vedení, způsobuje dočasné zvýšení napětí v invertertu a vyvolává přetížení napětí.

(2) Strukturální a zátěžové faktory sítě: Konflikt mezi kapacitou sítě a absorpcí zátěže

V některých oblastech, zejména v odlehlých venkovských oblastech nebo oblastech s nedostatečnou infrastrukturou sítě, je absorpční kapacita sítě omezená. Pokud je v téže distribuční oblasti nainstalována příliš velká kapacita PV, velké množství PV generované energie je přivedeno do sítě. Pokud síť nemůže tuto energii včas a efektivně absorbovat, napětí v síti se zvýší.

Problémy související s transformátory

Transformátory hrají klíčovou roli v převodu napětí a distribuci energie v síti:

Pokud je transformátor daleko od bodu připojení k síti, jeho výstupní napětí je obvykle zvýšeno, aby kompenzovalo pád napětí v vedení a zajistilo normální napětí v oblastech daleko od transformátoru. Toto může však způsobit přetížení napětí v blízkosti transformátoru.

Neracionální nastavení klepet transformátoru nebo provozní poruchy (např. špatný kontakt klepet) mohou ovlivnit poměr cívek transformátoru, což vedou k neobvyklému zvýšení výstupního napětí a vyvolávají přetížení napětí v síti.

(3) Faktory související s invertertem: Počáteční nastavení a provozní poruchy

Inverterty jsou dodávány s výchozím rozsahem ochrany napětí. V praktických aplikacích, pokud tento přednastavený rozsah neodpovídá skutečným místním podmínkám sítě, může dojít k nesprávnému posouzení. Například, pokud se síťové napětí pohybuje v normálním rozsahu, ale prah ochrany napětí invertertu je nastaven příliš nízko, inverter bude často hlásit přetížení napětí.

Během dlouhodobého provozu mohou inverterty zažít hardwarové poruchy (např. poškozené obvody pro vzorkování napětí, vadné řídicí desky). Tyto poruchy vedou k nepřesnému detekování síťového napětí invertertem, což způsobuje nesprávné aktivování ochranného mechanismu přetížení napětí a vypnutí invertertu.

Problémy s připojením více invertertů

V velkých PV elektrárnách jsou často současně připojeny k síti více invertertů. Pokud jsou na jedné fázi soustředěny více jednofázových invertertů, proud na této fázi bude příliš vysoký, což způsobí nerovnováhu síťového napětí a zvýší napětí této fáze.

III. Rizika přetížení napětí pro PV elektrárny a síť

(1) Poškození zařízení PV elektrárny: Zvýšené riziko poruch invertertů

Když je síťové napětí přetíženo, elektronické součástky uvnitř invertertu jsou vystaveny napětí, které překračuje jejich nominální hodnotu, což urychluje stárnutí součástek nebo dokonce způsobuje jejich přímé poškození.

Například přepínací prvky v invertertech (jako IGBT, Izolované bránové bipolární tranzistory) za přetížení napětí zažívají zvýšený napěťový stres během zapínání a vypínání, což je způsobí poruchy a inverter se stane nefunkčním.

Kromě toho může přetížení napětí způsobit poruchy v řídicím obvodu invertertu, což narušuje jeho schopnost přesně ovládat výstupní napětí a proud a dále snižuje výkon a spolehlivost invertertu.

Zkrácení životnosti PV modulů

Příliš vysoké síťové napětí může být přivedeno zpět na stranu PV modulů přes inverter, což zvyšuje provozní napětí modulů. Dlouhodobý provoz PV modulů při vysokém napětí může změnit vlastnosti jejich interních polovodičových materiálů, což vede k problémům, jako jsou horké body a mikrotrhliny.

(2) Vliv na stabilitu sítě: Zhoršení kvality energie

Přetížení napětí v síti zhoršuje kvalitu energie a způsobuje harmonické znečištění. Když napětí překročí normální rozsah, nelineární zátěže v elektrickém systému generují dodatečné harmonické proudy, což dále narušuje síťové napětí a vytváří závratný kruh. Harmonické zvýšené tepelné vydání v elektrických zařízeních, snižují životnost a mohou rušit normální fungování komunikačních systémů, což oslabuje celkovou stabilitu elektrického systému.

(3) Ztráta výroby energie a snížené ekonomické výhody: Vypnutí invertertu a snížená výkon

Když inverter detekuje přetížení napětí v síti, vypne se pro ochranu nebo bude fungovat s nižším výkonem, aby zajistil bezpečnost zařízení. Vypnutí invertertu způsobí, že PV elektrárna zcela přestane vyrábět energii, což vede k přímé ztrátě výroby energie.

Zvýšené náklady na dlouhodobou provozu a údržbu (O&M)

Poškození zařízení PV elektrárny (např. inverterty a PV moduly) způsobené přetížením napětí vyžaduje včasné opravy a náhrady. To nejen zvyšuje krátkodobé náklady na opravy, ale také nutí k častější náhradě zařízení v budoucnu kvůli zkrácené životnosti, což zvyšuje dlouhodobé náklady na O&M.

IV. Efektivní řešení přetížení napětí

(1) Plánování a optimalizace před výstavbou: Komplexní průzkum a hodnocení sítě

V předvýstavbě PV elektrárny by měl být proveden komplexní a detailní průzkum a hodnocení místní sítě. Je třeba důkladně pochopit klíčové parametry, jako je struktura sítě, kapacita, zátěžové podmínky a rozsah fluktuace napětí. Měla by být použita profesionální software pro analýzu elektrické energie k simulaci a analýze potenciálního dopadu PV elektrárny na síť po připojení.

Například nástroje, jako je PSCAD (Power System Computer-Aided Design) nebo ETAP (Electrical Transient Analyzer Program), mohou simulovat změny síťového napětí za různých kapacit PV, míst připojení a metod připojení. To pomáhá určit nejvhodnější plán výstavby PV elektrárny, zajistit zdravé napětí v bodu připojení k síti a snížit riziko přetížení napětí v sítí u zdroje.

Racionální plánování kapacity PV

Na základě absorpční kapacity sítě a kapacity transformátoru by měla být kapacita PV elektrárny racionálně plánována. Je třeba se vyhnout přílišné koncentraci PV zařízení v jedné distribuční oblasti, aby se zabránilo zvýšení napětí způsobeného příliš vysokou produkční kapacitou PV, kterou síť nemůže absorbovat.

Optimalizace metod připojení invertertů

Pro PV elektrárny s více inverterty by měla být optimalizována metoda připojení invertertů. Je třeba se vyhnout koncentraci více jednofázových invertertů na jedné fázi; místo toho by měly být rovnoměrně rozděleny mezi třemi fázemi sítě, aby bylo dosaženo vícekrokového připojení k síti. To vyvažuje třífázový proud a snižuje nerovnováhu a zvýšení napětí způsobené příliš vysokým jednofázovým proudem.

(2) Výběr, instalace a kalibrace zařízení: Použití vysokokvalitních kabelů a racionální převod

Při výstavbě PV elektrárny by měly být použity vysokokvalitní kabely splňující národní standardy. Specifikace a průřez kabelů by měly být vybrány na základě skutečného přenosu energie a vzdálenosti.

Pro připojení na vzdálené sítě je třeba větší průřez kabelu, aby se snížil odpor vedení a pád napětí.

Současně by měl být převod racionální, aby se vyhnulo příliš dlouhým, zapleteným nebo zbytečně ohnutým kabelům. Během převodu lze použít kabelové mosty nebo kanály k ochraně a organizaci kabelů, aby byl zajištěn bezpečný provoz kabelů.

Například v velkých PV elektrárnách lze použít podzemní položení kabelů a racionálně plánovat trasy kabelů, aby se snížila délka kabelů a křížení, což zlepší efektivitu přenosu energie a sníží pravděpodobnost přetížení napětí v síti.

Přesný výběr a instalace invertertů

Při výběru invertertů je třeba plně zohlednit místní podmínky sítě. Měly by být vybrány inverterty s širokým rozsahem adaptace napětí, spolehlivou ochranou před přetížením napětí a vysokou účinností převodu energie.

Během instalace je třeba zajistit správný převod AC kabelů invertertu, aby se zabránilo neobvyklému napětí způsobenému zaměněním fázového a neutrálního vodiče.

Racionální konfigurace a údržba transformátorů

Měly by být vybrány transformátory s dobrými vlastnostmi regulace napětí, aby bylo možné včasné přizpůsobení při fluktuacích síťového napětí. Současně by měla být zesílena běžná údržba a monitorování transformátorů. Parametry transformátorů, jako jsou klepetové čidlo, cívky a hladina oleje, by měly být pravidelně kontrolovány, aby bylo zajištěno normální fungování transformátoru.

Pro transformátory vzdálené od bodu připojení k síti lze použít klepetové čidlo s přípojkou pod zátěží, které umožňuje v reálném čase upravovat výstupní napětí transformátoru prostřednictvím dálkového ovládání, aby bylo zajištěno, že napětí v bodu připojení k síti zůstane v normálním rozsahu.

(3) Operační monitorování a inteligentní regulační strategie: Vytvoření systému pro průběžné monitorování

Měl by být vytvořen komplexní systém pro průběžné monitorování PV elektrárny, který bude v reálném čase sledovat síťové parametry, jako jsou napětí, proud, výkon a frekvence. Senzory umístěné v bodu připojení k síti, na výstupu invertertu a na PV modulech budou v reálném čase předávat shromážděná data do centra monitorování. Velká data a cloudové platformy budou sloužit k analýze a zpracování dat z monitoringu, což umožní včasné zjištění anomálií, jako je přetížení napětí.

Například nastavením hranice varování pro přetížení napětí může systém automaticky odeslat upozornění, když sledované síťové napětí přiblíží nebo překročí tuto hranici, což připomene personál O&M, aby včas podnikl opatření k prevenci poruch.

Pravidelná údržba a odstraňování poruch

Pro PV elektrárnu by měl být formulován přísný plán pravidelné údržby, který zahrnuje pravidelné inspekce, údržbu a revizi zařízení.

Stav zařízení, jako jsou inverterty, PV moduly, kabely a transformátory, by měl být pravidelně kontrolován, aby bylo včas identifikováno a odstraněno potenciální riziko poruch. Během údržby by měly být testovány a zaznamenány parametry zařízení a historická data by měla být porovnána, aby bylo možné analyzovat trendy fungování zařízení a předpovědět potenciální poruchy v předstihu.