En Komplet Guide til Overspændingsfejl i FV-anlæg: Årsager, Risici og Systematiske Løsninger

I. Hvad er en spændingsfejl med overspænding i nettet?

Overspænding i nettet refererer til et fænomen i strømsystemer eller kredsløb, hvor spændingen overstiger det normale driftsområde.

Generelt set, under netfrekvens, hvis den effektive værdi (Root Mean Square, RMS) af den alternativspænding stiger mere end 10% over den nominelle værdi og dette varer i mere end 1 minut, kan det anses for at være en spændingsfejl med overspænding i nettet.

For eksempel, i Kinas almindelige 380V tre-fase netværksystem, hvis spændingen overstiger 418V og vedbliver i en bestemt periode, kan det udløse en spændingsfejl med overspænding i nettet.

I solcelleanlæg er netinvagtere ansvarlige for realtidsovervågning af netspændingen.

Invagtere er normalt udstyret med højpræcisions spændingssensorer til indsamling af reelle netspændingssignaler. Disse sensorer transmitterer de indsamlede spændingssignaler til invagterens styresystem, som analyserer og behandler signalerne for at fastslå, om netspændingen ligger inden for det angivne område.

Når netspændingen bliver registreret som overstigende den forudindstillede sikkerhedsgrænse, aktiverer invagteren umiddelbart en beskyttelsesmekanisme, lukker ned og frakobler fra nettet for at undgå, at overspændingen skader udstyr og sikre sikkerheden for både udstyr og operatører.

Desuden er der i nogle store solcelleanlæg installeret dedikerede kvalitetsovervågningsenheder, der foretager omfattende, realtidsovervågning af forskellige netparametre, hvilket gør det muligt at opdage og håndtere strømkvalitetsproblemer som f.eks. spændingsoverskridelse på tid.

II. Årsager til spændingsfejl med overspænding

(1) Ledningsfaktorer: Indflydelse af kabellimpedans

Kabler mellem invagteren og netforbindelsen spiller en nøglerolle i strømtransmission.

Hvis kablet er for tyndt, øges dets resistens. Ifølge Ohms lov (U = I×R), med en konstant strøm, fører højere resistens til en større spændingsnedgang, hvilket i sin tur øger den alternativspænding på invagtersiden.

For lange kabler øger også resistensen, hvilket forårsager lignende spændingsøgninger. For eksempel, i solcelleanlæg i fjerne områder, hvor netforbindelsen er langt væk, kan brug af kabler med uopassende specifikationer let føre til spændingsfejl med overspænding på grund af for stor kabellimpedans.

Hvis kabler er viklet, øges deres induktans. I AC-kredsløb hæmmer induktans strømstrømmen, hvilket yderligere forstyrrer spændingsfordelingen og potentielt udløser spændingsfejl med overspænding.

Forkerte ledningsforbindelser

Under den initielle installation af et solcelleanlæg, kan forkert AC-kabelledning (f.eks. forbinding af neutralterminalen til faseledningen) forårsage abnorm spænding. Dette kan føre til, at invagteren registrerer en spænding, der ikke passer til den faktiske netspænding, og udløser dermed beskyttelsesmekanismen mod overspænding.

Efter, at invagteren har været i drift i en periode, kan løse eller dårlige forbindelser i net-side kabler øge kontaktresistens. Ifølge Joules lov (Q = I²Rt, hvor Q er varme, I er strøm, R er resistens, og t er tid), genererer højere kontaktresistens mere varme, hvilket fører til lokal temperaturstigning. Dette forringede elektriske præstationen af linjen, hvilket forårsager en midlertidig spændingsstigning i invagteren og udløser en spændingsfejl med overspænding.

(2) Netstruktur og belastningsfaktorer: Konflikt mellem netkapacitet og belastningsabsorption

I nogle regioner, især fjerne landlige områder eller områder med underudviklet netinfrastruktur, er nettetets evne til at absorber belastning begrænset. Når den installerede PV-kapacitet i samme strømforsyningsområde er for stor, sendes en stor mængde PV-produceret strøm ind i nettet. Hvis nettet ikke kan absorbere denne strøm på en tidlig og effektiv måde, vil netspændingen stige.

Transformer-relaterede problemer

Transformatorer spiller en afgørende rolle i spændingskonvertering og strømdistribution i nettet:

Hvis transformatoren er langt fra netforbindelsen, er dens udgangsspænding normalt hævet for at kompensere for linjespændingsnedgang og sikre normal spænding i områder langt fra transformatoren. Dette kan dog forårsage for høj spænding ved netforbindelsen nær transformatoren.

Urimelige transformatortap-indstillinger eller driftsfejl (f.eks. dårlig kontakt i tapchangeren) kan påvirke transformatorens vindingsforhold, hvilket fører til en abnorm stigning i udgangsspændingen og udløser en spændingsfejl med overspænding i nettet.

(3) Invagterrelaterede faktorer: Initiale indstillinger og driftsfejl

Invagtere leveres fra fabrikken med en standardbeskyttelsesinterval for spænding. I praktiske anvendelser, hvis dette forudindstillede interval ikke passer til de faktiske lokale netforhold, kan misforståelser opstå. For eksempel, hvis netspændingen fluktuere inden for et normalt interval, men invagterens spændingsbeskyttelsesgrænse er sat for lavt, vil invagteren ofte rapportere spændingsfejl med overspænding.

Under langvarig drift kan invagtere opleve hardwarefejl (f.eks. ødelagt spændingssamplingssirkuit, defekt styrekort). Disse fejl forårsager upræcis netspændingsdetektion af invagteren, hvilket fører til forkert aktivering af beskyttelsesmekanismen mod overspænding og invagterens nedlukning.

Flere invagtere forbindelsesproblemer

I store solcelleanlæg er ofte flere invagtere forbundet til nettet samtidigt. Hvis flere enefase-invagtere er koncentreret på en fase, vil strømmen på den fase være for høj, hvilket forårsager netspændingsubalance og øger spændingen på den fase.

III. Fare ved spændingsfejl med overspænding for solcelleanlæg og nettet

(1) Skade på solcelleanlægsudstyr: Øget risiko for invagterfejl

Når netspændingen er for høj, udsættes elektroniske komponenter i invagteren for spændinger, der overstiger deres nominelle værdi, hvilket accelererer komponenternes aldring eller endda forårsager direkte skade.

For eksempel oplever strømstyringsenheder i invagteren (som IGBT'er, Isoleret Gat Bipolar Transistor) øget spændingsstress under tænding og slukning under overspændingsforhold, hvilket gør dem sårbar over for nedbrud og gør invagteren udefunktionsdygtig.

Desuden kan overspænding forårsage fejl i invagterens kontrolsirkuit, hvilket forringede dens evne til præcis at kontrollere udgangsspænding og strøm, og yderligere reducerer invagterens ydeevne og pålidelighed.

Forkortet levetid for solceller

For høj netspænding kan blive reflekteret tilbage til solcellersiden gennem invagteren, hvilket øger driftsspændingen for cellerne. Langvarig drift af solceller under høj spænding kan ændre præstationen af deres interne halvledermaterialer, hvilket fører til problemer som f.eks. hothuller og mikrosprækker.

(2) Indvirkning på nets stabilitet: Forringet strømkvalitet

Spændingsfejl med overspænding forringede strømkvaliteten og forårsager harmonisk forurening. Når spændingen overstiger det normale interval, genererer ikkelinære belastninger i strømsystemet yderligere harmoniske strømme, hvilket i sin tur forstyrre netspændingen yderligere, og skaber en ond cirkel. Harmoniske øger varmegenerering i elektriske enheder, reducerer servicelevetid, og kan forstyrre den normale drift af kommunikationssystemer, hvilket underminerer den samlede stabilitet af strømsystemet.

(3) Strømproduktionstab og reducerede økonomiske fordele: Invagternedlukning og nedskalering af drift

Når en invagter registrerer netspændingsfejl med overspænding, lukkes den ned for beskyttelse eller drifter med reduceret effekt for at sikre udstyrs sikkerhed. Invagternedlukning får solcelleanlæget til helt at stoppe med at producere strøm, hvilket resulterer i direkte strømproduktionstab.

Øget længerevarende drift og vedligeholdelseskost (O&M)

Skade på solcelleanlægsudstyr (f.eks. invagtere og solceller) forårsaget af spændingsfejl med overspænding kræver hurtig reparation og udskiftning. Dette øger ikke kun kortfristede reparationomkostninger, men indebærer også mere hyppig udstyrsskifte i fremtiden på grund af forkortet servicelevetid, hvilket øger længerevarende O&M-omkostninger.

IV. Effektive løsninger på spændingsfejl med overspænding

(1) Planlægning og designoptimering før bygning: Komplet netundersøgelse og vurdering

I forbygningfasen af et solcelleanlæg bør der gennemføres en komplet og detaljeret undersøgelse og vurdering af det lokale net. Nøgleparametre som netstruktur, kapacitet, belastningsforhold og spændingsfluktuationer skal grundigt forstås. Professionel strømanalyse software bør anvendes til at simulere og analysere det potentielle indflydelse af solcelleanlæget på nettet efter forbindelse.

For eksempel kan værktøjer som PSCAD (Power System Computer-Aided Design) eller ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) simulere netspændingsændringer under forskellige PV-installerede kapaciteter, forbindelsessteder og forbindelsesmetoder. Dette hjælper med at fastlægge den mest rimelige solcelleanlægsbygningsplan, sikrer sund spænding ved netforbindelsen, og reducerer risikoen for spændingsfejl med overspænding i kilde.

Rimelig planlægning af PV-installerede kapaciteter

Baseret på nettets belastningsabsorptionskapacitet og transformatorkapacitet, bør installerede kapaciteter for solcelleanlæget planlægges rimeligt. Undgå at koncentrere for mange PV-enheder i samme strømforsyningsområde for at undgå spændingsstigning forårsaget af for meget PV-produceret strøm, som nettet ikke kan absorbere.

Optimering af invagterforbindelsesmetoder

For solcelleanlæg med flere invagtere, bør invagterforbindelsesmetoden optimeres. Undgå at koncentrere flere enefase-invagtere på en fase, men fordeler dem jævnt over de tre netfaser for at opnå flerpunkt-forbindelse. Dette balancerer tre-fase strøm og reducerer spændingsubalance og stigning forårsaget af for høj enefase-strøm.

(2) Udstyrsvælgning, installation og indstillingsspecifikationer: Brug af højkvalitets kabler og rimelig ledning

I solcelleanlægsbygning, bør højkvalitets kabler, der opfylder nationale standarder, anvendes. Kablerspecifikationer og tværsnit bør vælges baseret på faktisk transmissionsstrøm og afstand.

For langdistances-netforbindelse, kræves et større kabeltværsnit for at reducere linjeimpedans og spændingsnedgang.

Samtidig bør ledning være rimelig for at undgå for lange, viklede eller unødvendigt bøjet kabler. Under ledning, kan kabelfod og -kanaler anvendes til at beskytte og organisere kabler, og sikre sikker drift af kabler.

For eksempel, i store solcelleanlæg, kan underjordisk kabelføringsmetode anvendes, og kableruter kan planlægges rimeligt for at reducere kabellængde og krydsninger, forbedre strømtransmissionseffektivitet og mindske sandsynligheden for spændingsfejl med overspænding.

Præcis invagtervælgning og installation

Ved invagtervælgning, bør fuld hensyntagen til lokale netforhold. Invagtere med bred spændingsadaptionsinterval, pålidelig beskyttelse mod overspænding, og høj effektomregningseffektivitet bør vælges.

Under installation, sikre korrekt AC-ledning af invagteren for at undgå spændingsabnormaliteter forårsaget af bytte af fase og neutralledning.

Rimelig transformatorkonfiguration og vedligeholdelse

Transformatorer med god spændingsreguleringspræstation bør vælges for at gøre det muligt at justere hurtigt, når netspændingen fluktuere. Samtidig bør daglig vedligeholdelse og overvågning af transformatorer styrkes. Transformatorparametre som tapchanger, vindinger og olie niveauer bør inspiceres regelmæssigt for at sikre normal drift af transformatorer.

For transformatorer langt fra netforbindelsen, kan lastbærende tapchanger anvendes til at realisere realtidjustering af transformatorudgangsspænding gennem fjernkontrol, og sikre, at spændingen ved netforbindelsen befinder sig inden for det normale interval.

(3) Drifts-overvågning og intelligente reguleringstrategier: Opbygning af et realtidsovervågningssystem

Et komplet realtidsovervågningssystem bør opbygges for solcelleanlæget for at overvåge netparametre som spænding, strøm, effekt og frekvens i realtid. Sensorer installeret ved netforbindelsen, invagterudgangsende, og solceller transmitterer indsamlede data til overvågningscenter i realtid. Big data analyse og cloud computing platforme bruges til at analysere og behandle overvågningsdata, gør det muligt at opdage anomalier som spændingsfejl med overspænding på tid.

For eksempel, ved at sætte en tidlig advarselstærskel for spændingsfejl med overspænding, sender systemet automatisk en alarm, når den overvågede netspænding nærmer sig eller overstiger tærsklen, minder O&M-personale om at træffe tidsbegrænsede foranstaltninger for at forhindre fejl.

Regelmæssig vedligeholdelse og fejlfinding

En streng, regelmæssig vedligeholdelsesplan bør formuleres for solcelleanlæget for at udføre regelmæssige inspektioner, vedligeholdelse og opretholdelse af udstyr.

Driftstatus for udstyr som invagtere, solceller, kabler og transformatorer bør kontrolleres regelmæssigt for at identificere og reparere potentielle fejlrisici på tid. Under vedligeholdelse, bør udstyrparametre testes og registreres, og historiske data sammenlignes for at analysere udstyr driftstrender og forudsige potentielle fejl i forhånd.