Eine vollständige Anleitung zu Überspannungsschäden in PV-Anlagen: Ursachen, Risiken und systematische Lösungen

I. Was ist ein Netzspannung-Überspannungsschaden?

Netzspannung-Überspannung bezieht sich auf ein Phänomen in Stromsystemen oder Schaltkreisen, bei dem die Spannung den normalen Betriebsbereich überschreitet.

Allgemein gilt, dass unter Netzfrequenz, wenn der effektive (Effektivwert) Wert der Wechselspannung mehr als 10 % über den Nennwert steigt und länger als 1 Minute anhält, von einem Netzspannung-Überspannungsschaden ausgegangen werden kann.

Beispielsweise im chinesischen gängigen 380V-Dreiphasen-Netzsystem, wenn die Spannung 418V übersteigt und für eine bestimmte Dauer anhält, kann dies einen Netzspannung-Überspannungsschaden auslösen.

In Photovoltaik (PV)-Kraftwerken sind Netzverbund-Inverter für die Echtzeitüberwachung der Netzspannung verantwortlich.

Inverter sind in der Regel mit hochpräzisen Spannungssensoren ausgestattet, um Echtzeit-Signale der Netzspannung zu erfassen. Diese Sensoren senden die erfassten Spannungssignale an das Steuerungssystem des Inverters, das die Signale analysiert und verarbeitet, um festzustellen, ob die Netzspannung innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.

Sobald die Netzspannung den vordefinierten Sicherheitsbereich überschreitet, aktiviert der Inverter sofort einen Schutzmechanismus, schaltet ab und trennt sich vom Netz, um eine Überbelastung durch Überspannung zu verhindern und die Sicherheit der Ausrüstung und der Bediener zu gewährleisten.

Darüber hinaus werden in einigen großen PV-Kraftwerken spezielle Geräte zur Überwachung der Netzqualität installiert, um verschiedene Netzparameter umfassend und in Echtzeit zu überwachen, um Probleme wie Überspannung zeitgerecht zu erkennen und zu behandeln.

II. Ursachen von Überspannungsschäden

(1) Leitungsfaktoren: Auswirkungen des Kabelimpedanzes

Die Kabel zwischen dem Inverter und dem Netzanschlusspunkt spielen eine Schlüsselrolle bei der Stromübertragung.

Wenn das Kabel zu dünn ist, erhöht sich sein Widerstand. Gemäß Ohmschem Gesetz (U = I×R) führt bei konstantem Strom ein höherer Widerstand zu einem größeren Spannungsabfall, was wiederum die AC-Ausgangsspannung auf der Seite des Inverters erhöht.

Zu lange Kabel erhöhen ebenfalls den Widerstand und führen zu ähnlichen Spannungserhöhungen. Zum Beispiel in PV-Kraftwerken in entlegenen Gebieten, wo der Netzanschlusspunkt weit entfernt ist, können Kabel mit unangemessenen Spezifikationen leicht zu Überspannungsschäden durch zu hohe Kabelimpedanz führen.

Wenn Kabel verheddert sind, erhöht sich ihre Induktivität. In Wechselstromschaltungen behindert Induktivität den Stromfluss, stört weiterhin die Spannungsverteilung und kann potenziell Überspannung auslösen.

Verkabelungsfehler

Während der Anfangsinstallation eines PV-Kraftwerks kann falsche Verkabelung von AC-Kabeln (z.B. das Anschließen des Neutralleiters an die Phase) zu einer abnormalen Spannung führen. Dies kann dazu führen, dass der Inverter eine Spannung erkennt, die nicht mit der tatsächlichen Netzspannung übereinstimmt, wodurch der Überspannungsschutzmechanismus ausgelöst wird.

Nachdem der Inverter für eine gewisse Zeit in Betrieb war, können lockere oder schlechte Verbindungen in Netzseitenkabeln den Kontaktwiderstand erhöhen. Gemäß Jouleschem Gesetz (Q = I²Rt, wobei Q Wärme, I Strom, R Widerstand und t Zeit ist), führt ein höherer Kontaktwiderstand zu mehr Wärme, was zu einer lokalen Temperaturerhöhung führt. Dies beeinträchtigt die elektrische Leistung der Leitung, führt zu einer vorübergehenden Spannungserhöhung im Inverter und löst einen Überspannungsschaden aus.

(2) Netzstruktur- und Lastfaktoren: Konflikt zwischen Netzkapazität und Lastaufnahme

In einigen Regionen, insbesondere in entlegenen ländlichen Gebieten oder Gebieten mit unterentwickelter Netzinfrastruktur, ist die Lastaufnahmefähigkeit des Netzes begrenzt. Wenn die installierte PV-Leistung in demselben Verteilnetzbereich zu groß ist, wird eine große Menge an PV-generierter Energie in das Netz eingespeist. Wenn das Netz diese Energie nicht zeitnah und effektiv aufnehmen kann, steigt die Netzspannung.

Transformatorbezogene Probleme

Transformator spielt eine entscheidende Rolle bei der Spannungsumwandlung und -verteilung im Netz:

Wenn der Transformator weit vom Netzanschlusspunkt entfernt ist, wird seine Ausgangsspannung in der Regel erhöht, um den Spannungsverlust in der Leitung auszugleichen und eine normale Spannung in Bereichen weit vom Transformator entfernt zu gewährleisten. Dies kann jedoch zu einer zu hohen Spannung am Netzanschlusspunkt in der Nähe des Transformators führen.

Unvernünftige Transformator-Schaltstelleneinstellungen oder Betriebsstörungen (z.B. schlechter Kontakt des Schaltstellenschalters) können das Verhältnis der Wicklungen des Transformators beeinflussen, was zu einer abnormen Erhöhung der Ausgangsspannung und zum Auslösen eines Netzspannung-Überspannungsschadens führt.

(3) Inverter-bezogene Faktoren: Anfängliche Einstellungen und Betriebsstörungen

Inverter verlassen die Fabrik mit einem Standard-Spannungsschutzbereich. In der Praxis kann es zu Fehleinschätzungen kommen, wenn dieser vordefinierte Bereich nicht zu den tatsächlichen lokalen Netzbedingungen passt. Zum Beispiel, wenn die Netzspannung innerhalb eines normalen Bereichs schwankt, aber der Spannungsschwellenwert des Inverters zu niedrig eingestellt ist, meldet der Inverter häufig Überspannungsschäden.

Während des langfristigen Betriebs können Inverter Hardwarefehler erleiden (z.B. beschädigte Spannungsmessschaltungen, defekte Steuerplatten). Diese Fehler führen zu ungenauen Messungen der Netzspannung durch den Inverter, was zu einer falschen Aktivierung des Überspannungsschutzmechanismus und zum Abschalten des Inverters führt.

Mehrere Inverter-Verbindungsschwierigkeiten

In großen PV-Kraftwerken werden oft mehrere Inverter gleichzeitig ans Netz angeschlossen. Wenn mehrere Einphasen-Inverter auf einer Phase konzentriert sind, wird der Strom auf dieser Phase zu hoch, was zu einem Ungleichgewicht der Netzspannung und einer Erhöhung der Spannung auf dieser Phase führt.

III. Gefahren von Netzspannung-Überspannungsschäden für PV-Kraftwerke und das Netz

(1) Beschädigung der PV-Kraftwerkausrüstung: Erhöhte Risiken für Inverter-Fehler

Wenn die Netzspannung über der Norm liegt, belasten elektronische Bauteile im Inverter Spannungen, die über ihren Nennwert liegen, was die Alterung der Bauteile beschleunigt oder sogar zu direkten Schäden führt.

Zum Beispiel erfahren Leistungsschaltbauteile in Inverter (wie IGBTs, Isolierter Gate Bipolartransistor) bei Einschalten und Ausschalten unter Überspannung erhöhten Spannungsschub, was sie anfällig für Durchbrüche macht und den Inverter unbrauchbar macht.

Darüber hinaus kann Überspannung Störungen in der Steuerschaltung des Inverters verursachen, was dessen Fähigkeit, die Ausgangsspannung und den Strom präzise zu steuern, beeinträchtigt und die Leistung und Zuverlässigkeit des Inverters weiter reduziert.

Verkürzte Lebensdauer von PV-Modulen

Eine zu hohe Netzspannung kann über den Inverter zurück auf die Seite der PV-Module geführt werden, was die Betriebsspannung der Module erhöht. Langfristiger Betrieb von PV-Modulen unter hoher Spannung kann die Leistung ihrer internen Halbleitermaterialien verändern, was zu Problemen wie Heißstellen und Mikrorissen führt.

(2) Auswirkungen auf die Netzstabilität: Verschlechterte Netzqualität