Una guía completa sobre el fallo de sobretensión en plantas fotovoltaicas Causas Riesgos y Soluciones Sistematizadas

I. ¿Qué es un fallo de sobretensión de la red?

La sobretensión de la red se refiere a un fenómeno en sistemas de potencia o circuitos donde el voltaje supera el rango de operación normal.

Generalmente, bajo la frecuencia de la corriente alterna, si el valor eficaz (RMS) del voltaje AC aumenta más del 10% por encima del valor nominal y persiste durante más de 1 minuto, se puede determinar como un fallo de sobretensión de la red.

Por ejemplo, en el sistema trifásico común de 380V en China, si el voltaje supera los 418V y persiste durante un cierto período, puede desencadenar un fallo de sobretensión de la red.

En las estaciones de energía fotovoltaica (PV), los inversores conectados a la red son responsables de la monitorización en tiempo real del voltaje de la red.

Los inversores suelen estar equipados con sensores de voltaje de alta precisión para recopilar señales de voltaje de la red en tiempo real. Estos sensores transmiten las señales de voltaje recopiladas al sistema de control del inversor, que analiza y procesa las señales para determinar si el voltaje de la red está dentro del rango especificado.

Una vez que se detecta que el voltaje de la red supera el rango de seguridad preestablecido, el inversor activará inmediatamente un mecanismo de protección, se apagará y se desconectará de la red para evitar que la sobretensión dañe el equipo y garantizar la seguridad tanto del equipo como de los operadores.

Además, en algunas estaciones de energía fotovoltaica de gran escala, se instalan dispositivos dedicados de monitoreo de calidad de potencia para realizar una monitorización integral y en tiempo real de varios parámetros de la red, lo que permite la detección y manejo oportuno de problemas de calidad de potencia, como la sobretensión de voltaje.

II. Causas de los fallos de sobretensión de voltaje

(1) Factores de línea: Impacto de la impedancia del cable

Los cables entre el inversor y el punto de conexión a la red juegan un papel clave en la transmisión de potencia.

Si el cable es demasiado fino, su resistencia aumenta. Según la Ley de Ohm (U = I×R), con una corriente constante, una mayor resistencia lleva a un mayor caída de voltaje, lo que a su vez eleva el voltaje de salida AC en el lado del inversor.

Cables excesivamente largos también aumentan la resistencia, causando problemas similares de elevación de voltaje. Por ejemplo, en plantas de energía fotovoltaica en áreas remotas donde el punto de conexión a la red está lejos, el uso de cables con especificaciones inadecuadas puede llevar fácilmente a fallos de sobretensión debido a la impedancia excesiva del cable.

Si los cables están enredados, su inductancia aumenta. En circuitos de corriente alterna, la inductancia impide el flujo de corriente, perturbando aún más la distribución de voltaje y potencialmente desencadenando sobretensiones.

Errores de cableado

Durante la instalación inicial de una planta de energía fotovoltaica, un cableado incorrecto de los cables AC (por ejemplo, conectar el terminal neutro al vivo) puede causar un voltaje anormal. Esto puede hacer que el inversor detecte un voltaje que no coincide con el voltaje real de la red, desencadenando así el mecanismo de protección contra sobretensiones.

Después de que el inversor ha estado en operación por un período, conexiones sueltas o deficientes en los cables del lado de la red pueden aumentar la resistencia de contacto. Según la Ley de Joule (Q = I²Rt, donde Q es calor, I es corriente, R es resistencia y t es tiempo), una mayor resistencia de contacto genera más calor, provocando un aumento local de la temperatura. Esto deteriora el rendimiento eléctrico de la línea, causando un aumento transitorio del voltaje en el inversor y desencadenando un fallo de sobretensión de voltaje.

(2) Factores de estructura de la red y carga: Conflicto entre la capacidad de la red y la absorción de la carga

En algunas regiones, especialmente en zonas rurales remotas o con infraestructuras de red poco desarrolladas, la capacidad de absorción de la carga de la red es limitada. Cuando la capacidad instalada de PV en la misma área de distribución de potencia es demasiado grande, una gran cantidad de potencia generada por PV se alimenta a la red. Si la red no puede absorber esta potencia de manera oportuna y efectiva, el voltaje de la red aumentará.

Problemas relacionados con transformadores

Los transformadores desempeñan un papel crucial en la conversión de voltaje y la distribución de potencia en la red:

Si el transformador está lejos del punto de conexión a la red, su voltaje de salida suele elevarse para compensar la pérdida de voltaje en la línea y asegurar un voltaje normal en áreas lejanas del transformador. Sin embargo, esto puede causar un voltaje excesivo en el punto de conexión a la red cerca del transformador.

Configuraciones irrazonables de los tomas de los transformadores o fallos operativos (por ejemplo, mal contacto del cambiador de tomas) pueden afectar la relación de vueltas del transformador, llevando a una elevación anormal del voltaje de salida y desencadenando un fallo de sobretensión de la red.

(3) Factores relacionados con el inversor: Configuraciones iniciales y fallos operativos

Los inversores salen de fábrica con un rango de protección de voltaje predeterminado. En aplicaciones prácticas, si este rango predeterminado no coincide con las condiciones reales de la red local, puede ocurrir un mal juicio. Por ejemplo, si el voltaje de la red fluctúa dentro de un rango normal pero el umbral de protección de voltaje del inversor está establecido demasiado bajo, el inversor reportará frecuentemente fallos de sobretensión.

Durante la operación a largo plazo, los inversores pueden experimentar fallos de hardware (por ejemplo, circuitos de muestreo de voltaje dañados, placas de control defectuosas). Estos fallos hacen que la detección del voltaje de la red por parte del inversor sea inexacta, llevando a la activación incorrecta del mecanismo de protección contra sobretensiones y al apagado del inversor.

Problemas de conexión de múltiples inversores

En las plantas de energía fotovoltaica de gran escala, a menudo se conectan múltiples inversores a la red simultáneamente. Si varios inversores monofásicos se concentran en una sola fase, la corriente en esa fase será excesivamente alta, causando un desequilibrio de voltaje de la red y elevando el voltaje de esa fase.

III. Peligros de los fallos de sobretensión de voltaje para las plantas de energía fotovoltaica y la red

(1) Daño al equipo de la planta de energía fotovoltaica: Aumento del riesgo de fallos en el inversor

Cuando el voltaje de la red está en sobretensión, los componentes electrónicos dentro del inversor soportan un voltaje que supera su valor nominal, acelerando el envejecimiento de los componentes o incluso causando daños directos.

Por ejemplo, los dispositivos de conmutación de potencia en los inversores (como los IGBT, Transistores Bipolares de Puerta Aislada) experimentan un mayor estrés de voltaje durante la conmutación en condiciones de sobretensión, lo que los hace propensos a fallar y dejar el inversor inoperativo.

Además, la sobretensión puede causar fallos en el circuito de control del inversor, perjudicando su capacidad para controlar con precisión el voltaje y la corriente de salida, y reduciendo aún más el rendimiento y la confiabilidad del inversor.

Reducción de la vida útil de los módulos fotovoltaicos

Un voltaje de red excesivamente alto puede retroalimentarse al lado de los módulos fotovoltaicos a través del inversor, aumentando el voltaje de operación de los módulos. La operación a largo plazo de los módulos fotovoltaicos a un alto voltaje puede alterar el rendimiento de sus materiales semiconductores internos, llevando a problemas como puntos calientes y microgrietas.

(2) Impacto en la estabilidad de la red: Deterioro de la calidad de la potencia

La sobretensión de la red degradada la calidad de la potencia y causa contaminación armónica. Cuando el voltaje supera el rango normal, las cargas no lineales en el sistema de potencia generan corrientes armónicas adicionales, que a su vez perturban aún más el voltaje de la red, creando un círculo vicioso. Las armónicas aumentan la generación de calor en los equipos eléctricos, reducen su vida útil y pueden interferir con el funcionamiento normal de los sistemas de comunicación, comprometiendo la estabilidad general del sistema de potencia.

(3) Pérdida de generación de potencia y reducción de beneficios económicos: Apagado del inversor y operación a potencia reducida

Cuando el inversor detecta una sobretensión de la red, se apaga para protegerse o opera a una potencia reducida para garantizar la seguridad del equipo. El apagado del inversor hace que la planta de energía fotovoltaica deje de generar electricidad por completo, resultando en una pérdida directa de generación de potencia.

Aumento de los costos de operación y mantenimiento (O&M) a largo plazo

El daño al equipo de la planta de energía fotovoltaica (por ejemplo, inversores y módulos fotovoltaicos) causado por fallos de sobretensión de voltaje requiere reparación y reemplazo oportunos. Esto no solo aumenta los costos de reparación a corto plazo, sino que también requiere un reemplazo más frecuente de equipos en el futuro debido a la reducción de su vida útil, incrementando los costos de O&M a largo plazo.

IV. Soluciones efectivas para los fallos de sobretensión de voltaje

(1) Planificación y optimización del diseño previo a la construcción: Encuesta y evaluación exhaustiva de la red

En la fase previa a la construcción de una planta de energía fotovoltaica, se debe realizar una encuesta y evaluación exhaustiva y detallada de la red local. Se deben comprender a fondo parámetros clave como la estructura de la red, la capacidad, las condiciones de carga y el rango de fluctuación de voltaje. Se debe utilizar software de análisis de potencia profesional para simular y analizar el impacto potencial de la planta de energía fotovoltaica en la red después de la conexión.

Por ejemplo, herramientas como PSCAD (Power System Computer-Aided Design) o ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) pueden simular cambios en el voltaje de la red bajo diferentes capacidades instaladas de PV, ubicaciones de conexión y métodos de conexión. Esto ayuda a determinar el plan de construcción más razonable para la planta de energía fotovoltaica, asegura un voltaje saludable en el punto de conexión a la red y reduce el riesgo de fallos de sobretensión de voltaje en la fuente.

Planificación racional de la capacidad instalada de PV

Basándose en la capacidad de absorción de carga y la capacidad del transformador, la capacidad instalada de la planta de energía fotovoltaica debe planificarse de manera racional. Se debe evitar concentrar en exceso el equipo de PV en la misma área de distribución de potencia para prevenir la elevación de voltaje causada por una potencia de PV excesiva que la red no pueda absorber.

Optimización de los métodos de conexión del inversor

Para las plantas de energía fotovoltaica con múltiples inversores, se debe optimizar el método de conexión del inversor. Se debe evitar concentrar múltiples inversores monofásicos en una sola fase, en su lugar, se deben distribuir uniformemente en las tres fases de la red para lograr una conexión a la red en múltiples puntos. Esto equilibra la corriente trifásica y reduce el desequilibrio y la elevación de voltaje causados por una corriente monofásica excesiva.

(2) Especificaciones de selección, instalación y puesta en marcha del equipo: Uso de cables de alta calidad y cableado racional

En la construcción de la planta de energía fotovoltaica, se deben usar cables de alta calidad que cumplan con los estándares nacionales. Las especificaciones y la sección transversal de los cables deben seleccionarse según la potencia de transmisión real y la distancia.

Para la conexión a la red a larga distancia, se requiere una sección transversal de cable mayor para reducir la impedancia de la línea y la caída de voltaje.

Al mismo tiempo, el cableado debe ser racional para evitar cables excesivamente largos, enredados o innecesariamente doblados. Durante el cableado, se pueden usar bandejas o conductos para proteger y organizar los cables, asegurando una operación segura de los mismos.

Por ejemplo, en las plantas de energía fotovoltaica de gran escala, se puede adoptar la colocación subterránea de cables, y se pueden planificar rutas de cable racionales para reducir la longitud de los cables y los cruces, mejorando la eficiencia de transmisión de potencia y disminuyendo la probabilidad de fallos de sobretensión de voltaje.

Selección y instalación precisa del inversor

Al seleccionar inversores, se debe tener en cuenta plenamente las condiciones de la red local. Se deben elegir inversores con un amplio rango de adaptación de voltaje, protección contra sobretensión confiable y alta eficiencia de conversión de potencia.

Durante la instalación, se debe asegurar un cableado AC correcto del inversor para evitar anomalías de voltaje causadas por el intercambio de cables de fase y neutro.

Configuración y mantenimiento racionales del transformador

Se deben seleccionar transformadores con buen rendimiento de regulación de voltaje para permitir ajustes oportunos cuando el voltaje de la red fluctúa. Al mismo tiempo, se debe fortalecer el mantenimiento y monitoreo diario de los transformadores. Se deben inspeccionar regularmente parámetros de los transformadores, como los cambiadores de tomas, los devanados y los niveles de aceite, para asegurar el funcionamiento normal del transformador.

Para los transformadores lejos del punto de conexión a la red, se pueden usar cambiadores de tomas bajo carga para realizar un ajuste en tiempo real del voltaje de salida del transformador a través de control remoto, asegurando que el voltaje en el punto de conexión a la red permanezca dentro del rango normal.

(3) Monitoreo operativo y estrategias de regulación inteligente: Establecimiento de un sistema de monitoreo en tiempo real

Se debe establecer un sistema de monitoreo en tiempo real integral para la planta de energía fotovoltaica para monitorear parámetros de la red como el voltaje, la corriente, la potencia y la frecuencia en tiempo real. Los sensores instalados en el punto de conexión a la red, en el extremo de salida del inversor y en los módulos fotovoltaicos transmiten los datos recopilados al centro de monitoreo en tiempo real. Se utilizan plataformas de análisis de big data y computación en la nube para analizar y procesar los datos de monitoreo, permitiendo la detección oportuna de anomalías como la sobretensión de voltaje.

Por ejemplo, al establecer un umbral de advertencia anticipada para la sobretensión de voltaje, el sistema envía automáticamente una alerta cuando el voltaje de la red monitoreado se acerca o supera el umbral, recordando al personal de O&M que tome medidas oportunas para prevenir fallos.

Mantenimiento regular y resolución de fallos

Se debe formular un estricto plan de mantenimiento regular para la planta de energía fotovoltaica para realizar inspecciones, mantenimientos y cuidados regulares del equipo.

Se debe verificar regularmente el estado de operación de equipos como inversores, módulos fotovoltaicos, cables y transformadores para identificar y reparar riesgos de fallos potenciales de manera oportuna. Durante el mantenimiento, se deben probar y registrar los parámetros de los equipos, y comparar los datos históricos para analizar las tendencias de operación de los equipos y predecir posibles fallos con anticipación.