راهنمای کامل برای خطای فشار بیش از حد در نیروگاه خورشیدی: دلایل، ریسک‌ها و راه‌حل‌های سیستماتیک

I. چه چیزی باعث خطای بیش از حد ولتاژ شبکه می‌شود؟

بیش از حد ولتاژ شبکه به پدیده‌ای در سیستم‌های قدرت یا مدارهای الکتریکی اشاره دارد که در آن ولتاژ بیش از محدوده عملکرد عادی خود بالا می‌رود.

به طور کلی، در فرکانس تغذیه، اگر مقدار ریشه میانگین مربعات (RMS) ولتاژ متناوب به بیش از ۱۰٪ بالاتر از مقدار اسمی برسد و برای بیش از یک دقیقه ثابت بماند، می‌توان این وضعیت را به عنوان خطای بیش از حد ولتاژ شبکه تشخیص داد.

به عنوان مثال، در سیستم شبکه سه‌فاز ۳۸۰V رایج در چین، اگر ولتاژ بیش از ۴۱۸V شود و برای مدت معینی پایدار بماند، ممکن است خطای بیش از حد ولتاژ شبکه را فعال کند.

در ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک (PV)، وارس‌های شبکه‌ای مسئول نظارت زنده بر ولتاژ شبکه هستند.

وارس‌ها معمولاً با حسگرهای ولتاژ با دقت بالا مجهز شده‌اند که سیگنال‌های ولتاژ زنده را جمع‌آوری می‌کنند. این حسگرها سیگنال‌های ولتاژ جمع‌آوری شده را به سیستم کنترل وارس منتقل می‌کنند که آن‌ها را تحلیل و پردازش می‌کند تا تعیین کند که آیا ولتاژ شبکه در محدوده مشخص شده قرار دارد یا خیر.

هر وقت ولتاژ شبکه بیش از محدوده ایمنی پیش‌فرض شناسایی شود، وارس بلافاصله مکانیسم محافظت را فعال کرده، متوقف می‌شود و از شبکه جدا می‌شود تا از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری کند و ایمنی تجهیزات و اپراتورها را تضمین کند.

علاوه بر این، در برخی از ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک بزرگ، دستگاه‌های مخصوص نظارت بر کیفیت توان نصب شده‌اند که نظارت کامل و زنده بر پارامترهای مختلف شبکه انجام می‌دهند، این امر به شناسایی و مدیریت به موقع مشکلات کیفیت توان مانند بیش از حد ولتاژ کمک می‌کند.

II. دلایل خطاهای بیش از حد ولتاژ

(۱) عوامل خطی: تأثیر امپدانس کابل

کابل‌های بین وارس و نقطه اتصال شبکه نقش کلیدی در انتقال توان دارند.

اگر کابل بسیار نازک باشد، مقاومت آن افزایش می‌یابد. بر اساس قانون اهم (U = I×R)، با جریان ثابت، مقاومت بیشتر منجر به کاهش بیشتر ولتاژ می‌شود که به نوبه خود ولتاژ خروجی AC در طرف وارس را افزایش می‌دهد.

کابل‌های بسیار طولانی نیز مقاومت را افزایش می‌دهند و مشکلات مشابه ولتاژ را ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، در ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک در مناطق دورافتاده که نقطه اتصال شبکه بسیار دور است، استفاده از کابل‌های با مشخصات نامناسب به راحتی می‌تواند به خاطر امپدانس کابل بیش از حد، خطای بیش از حد ولتاژ را ایجاد کند.

اگر کابل‌ها درهم باشند، اندوکتانس آن‌ها افزایش می‌یابد. در مدارهای متناوب، اندوکتانس جریان را مسدود می‌کند و توزیع ولتاژ را اختلال می‌دهد و ممکن است بیش از حد ولتاژ را فعال کند.

خطاهای اتصال

در زمان نصب اولیه ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک، اتصال غلط کابل‌های AC (مثلاً اتصال ترمینال خنثی به سیم فعال) می‌تواند ولتاژ غیرعادی ایجاد کند. این ممکن است باعث شود که وارس ولتاژی را شناسایی کند که با ولتاژ واقعی شبکه همخوانی ندارد و بنابراین مکانیسم محافظت از بیش از حد ولتاژ را فعال کند.

پس از یک دوره عملیاتی وارس، اتصال‌های کم‌کیفیت یا آزاد در کابل‌های طرف شبکه می‌توانند مقاومت تماس را افزایش دهند. بر اساس قانون جول (Q = I²Rt، که Q گرما، I جریان، R مقاومت و t زمان است)، مقاومت تماس بالاتر گرما بیشتری تولید می‌کند که منجر به افزایش محلی دما می‌شود. این امر عملکرد الکتریکی خط را تضعیف می‌کند و باعث افزایش موقت ولتاژ در وارس و فعال کردن خطای بیش از حد ولتاژ می‌شود.

(۲) عوامل ساختار شبکه و بار: تعارض بین ظرفیت شبکه و جذب بار

در برخی مناطق، به ویژه مناطق روستایی دورافتاده یا مناطق با زیرساخت شبکه توسعه نیافته، ظرفیت جذب بار شبکه محدود است. وقتی ظرفیت نصب شده PV در یک منطقه توزیع توان یکسان بسیار زیاد باشد، مقدار زیادی از توان تولید شده توسط PV به شبکه تزریق می‌شود. اگر شبکه نتواند این توان را به صورت به موقع و موثر جذب کند، ولتاژ شبکه افزایش می‌یابد.

مشکلات مربوط به ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها نقش مهمی در تبدیل ولتاژ و توزیع توان در شبکه دارند:

اگر ترانسفورماتور از نقطه اتصال شبکه دور باشد، معمولاً ولتاژ خروجی آن برای جبران کاهش ولتاژ خط و تضمین ولتاژ عادی در مناطق دور از ترانسفورماتور افزایش می‌یابد. با این حال، این ممکن است منجر به ولتاژ بیش از حد در نقطه اتصال شبکه نزدیک ترانسفورماتور شود.

تنظیمات غیرمنطقی تپ ترانسفورماتور یا خرابی‌های عملیاتی (مثلاً تماس ضعیف تپ چنجر) می‌توانند نسبت تعداد دور ترانسفورماتور را تحت تاثیر قرار دهند و منجر به افزایش غیرعادی ولتاژ خروجی و فعال کردن خطای بیش از حد ولتاژ شبکه شوند.

(۳) عوامل مربوط به وارس: تنظیمات اولیه و خرابی‌های عملیاتی

وارس‌ها با محدوده محافظت ولتاژ پیش‌فرض از کارخانه خارج می‌شوند. در کاربردهای عملی، اگر این محدوده پیش‌فرض با شرایط واقعی شبکه محلی همخوانی نداشته باشد، ممکن است اشتباه تشخیص داده شود. به عنوان مثال، اگر ولتاژ شبکه در محدوده نوسان عادی باشد اما آستانه محافظت ولتاژ وارس بسیار پایین تنظیم شده باشد، وارس به طور مکرر خطای بیش از حد ولتاژ را گزارش می‌دهد.

در طول عملیات بلندمدت، وارس‌ها ممکن است خرابی‌های سخت‌افزاری (مثلاً مدارهای نمونه‌برداری ولتاژ خراب، کارت‌های کنترل خراب) داشته باشند. این خرابی‌ها باعث تشخیص نادرست ولتاژ شبکه توسط وارس می‌شود و منجر به فعال شدن اشتباه مکانیسم محافظت از بیش از حد ولتاژ و توقف وارس می‌شود.

مشکلات اتصال چندین وارس

در ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک بزرگ، معمولاً چندین وارس به طور همزمان به شبکه متصل می‌شوند. اگر چندین وارس تک‌فاز بر یک فاز متمرکز شوند، جریان در آن فاز بسیار بالا خواهد بود که باعث عدم تعادل ولتاژ شبکه و افزایش ولتاژ آن فاز می‌شود.

III. خطرات خطای بیش از حد ولتاژ برای ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک و شبکه

(۱) آسیب به تجهیزات ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک: افزایش خطر خرابی‌های وارس

وقتی ولتاژ شبکه بیش از حد باشد، المان‌های الکترونیکی داخل وارس ولتاژی بیش از مقدار اسمی خود تحمل می‌کنند که باعث تسریع در پیری یا حتی آسیب مستقیم می‌شود.

به عنوان مثال، دستگاه‌های تغییر توان در وارس (مانند IGBT، ترانزیستور دوجداره با گیت عایقی) در شرایط بیش از حد ولتاژ، تحت تنش ولتاژ بیشتری در حالت روشن و خاموش قرار می‌گیرند که باعث آسیب‌پذیری و غیرقابل استفاده شدن وارس می‌شود.

علاوه بر این، بیش از حد ولتاژ ممکن است باعث خرابی‌هایی در مدار کنترل وارس شود که توانایی کنترل دقیق ولتاژ و جریان خروجی آن را کاهش می‌دهد و عملکرد و قابلیت اطمینان وارس را کاهش می‌دهد.

کوتاه شدن عمر مودول‌های فتوولتائیک

ولتاژ شبکه بسیار بالا می‌تواند از طریق وارس به طرف مودول‌های فتوولتائیک بازگردانده شود و ولتاژ عملیاتی آن‌ها را افزایش دهد. عملیات بلندمدت مودول‌های فتوولتائیک در ولتاژ بالا می‌تواند عملکرد مواد نیمه‌رسانا درون آن‌ها را تغییر دهد و مشکلاتی مانند نقاط گرم و ترک‌های میکروسکوپی ایجاد کند.

(۲) تأثیر بر پایداری شبکه: تخریب کیفیت توان

بیش از حد ولتاژ شبکه کیفیت توان را کاهش می‌دهد و آلودگی هارمونیک ایجاد می‌کند. وقتی ولتاژ از محدوده عادی خارج شود، بارهای غیرخطی در سیستم قدرت جریان‌های هارمونیک اضافی تولید می‌کنند که به نوبه خود ولتاژ شبکه را بیشتر اختلال می‌دهند و یک چرخه بدی می‌سازند. هارمونیک‌ها گرما تولید شده در تجهیزات الکتریکی را افزایش می‌دهند، عمر آن‌ها را کاهش می‌دهند و ممکن است عملکرد سیستم‌های ارتباطی را اختلال دهند و پایداری کلی سیستم قدرت را کاهش دهند.

(۳) از دست دادن تولید توان و کاهش مزایای اقتصادی: توقف وارس و عملکرد با توان کاهش یافته

وقتی وارس ولتاژ بیش از حد شبکه را شناسایی کند، برای محافظت توقف می‌کند یا با توان کاهش یافته عمل می‌کند تا ایمنی تجهیزات را تضمین کند. توقف وارس باعث توقف کامل تولید توان در ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک می‌شود که منجر به از دست دادن مستقیم تولید توان می‌شود.

افزایش هزینه‌های عملیاتی و نگهداری (O&M) بلندمدت

آسیب به تجهیزات ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک (مانند وارس‌ها و مودول‌های فتوولتائیک) به خاطر خطای بیش از حد ولتاژ نیازمند تعمیر و تعویض به موقع است. این امر نه تنها هزینه‌های تعمیر کوتاهمدت را افزایش می‌دهد بلکه نیاز به تعویض بیشتر تجهیزات در آینده به دلیل کوتاه شدن عمر آن‌ها را نیز افزایش می‌دهد و هزینه‌های O&M بلندمدت را بالا می‌برد.

IV. راه‌حل‌های مؤثر برای خطاهای بیش از حد ولتاژ

(۱) برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی طراحی قبل از ساخت: بررسی و ارزیابی جامع شبکه

در مرحله قبل از ساخت ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک، باید یک بررسی و ارزیابی جامع و دقیق از شبکه محلی انجام شود. پارامترهای کلیدی مانند ساختار شبکه، ظرفیت، شرایط بار و محدوده نوسان ولتاژ باید به طور کامل درک شوند. نرم‌افزارهای تجزیه و تحلیل قدرت حرفه‌ای باید برای شبیه‌سازی و تحلیل تأثیرات بالقوه ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک پس از اتصال به شبکه استفاده شوند.

به عنوان مثال، ابزارهایی مانند PSCAD (Power System Computer-Aided Design) یا ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) می‌توانند تغییرات ولتاژ شبکه را در ظرفیت‌های نصب شده PV مختلف، مکان‌های اتصال و روش‌های اتصال شبیه‌سازی کنند. این امر به تعیین برنامه ساخت ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک منطقی‌تر کمک می‌کند، ولتاژ سالم در نقطه اتصال شبکه را تضمین می‌کند و خطرات خطای بیش از حد ولتاژ را از منبع کاهش می‌دهد.

برنامه‌ریزی منطقی ظرفیت نصب شده PV

بر اساس ظرفیت جذب بار شبکه و ظرفیت ترانسفورماتور، ظرفیت نصب شده ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک باید به طور منطقی برنامه‌ریزی شود. از تمرکز بیش از حد تجهیزات PV در یک منطقه توزیع توان خودداری کنید تا از افزایش ولتاژ ناشی از توان PV بیش از حد که شبکه نمی‌تواند آن را جذب کند جلوگیری شود.

بهینه‌سازی روش‌های اتصال وارس

برای ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک با چندین وارس، روش اتصال وارس باید بهینه‌سازی شود. از تمرکز چندین وارس تک‌فاز بر یک فاز خودداری کنید؛ به جای آن، آن‌ها را به طور مساوی در سه فاز شبکه توزیع کنید تا اتصال چند نقطه‌ای به شبکه ایجاد شود. این امر جریان سه‌فاز را متعادل می‌کند و کاهش ولتاژ ناشی از جریان تک‌فاز بیش از حد را کاهش می‌دهد.

(۲) انتخاب، نصب و راه‌اندازی تجهیزات: استفاده از کابل‌های با کیفیت بالا و اتصال منطقی

در ساخت ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک، باید از کابل‌های با کیفیت بالا که استانداردهای ملی را رعایت می‌کنند استفاده شود. مشخصات و مقطع کابل باید بر اساس توان انتقال ویژه و فاصله انتخاب شوند.

برای اتصال شبکه در فواصل طولانی، نیاز به مقطع کابل بزرگتر است تا مقاومت خط و کاهش ولتاژ کاهش یابد.

در عین حال، اتصال باید منطقی باشد تا از کابل‌های بسیار طولانی، درهم و خم شده اجتناب شود. در زمان اتصال، می‌توان از تراشه‌های کابل یا لوله‌ها برای حفاظت و سازماندهی کابل‌ها استفاده کرد تا عملکرد ایمن کابل‌ها تضمین شود.

به عنوان مثال، در ایستگاه‌های تولید انرژی فتوولتائیک بزرگ، می‌توان از روش کشیدن کابل‌ها زیرزمینی استفاده کرد و مسیرهای کابل را به طور منطقی برنامه‌ریزی کرد تا طول کابل و تقاطع‌های آن کاهش یابد، کارایی انتقال توان افزایش یابد و احتمال خطای بیش از حد ولتاژ کاهش یابد.

انتخاب و نصب دقیق وارس

در زمان انتخاب وارس‌ها، باید به شرایط شبکه محلی کاملاً توجه شود. وارس‌هایی با محدوده تنظیم ولتاژ گسترده، محافظت از بیش از حد ولتاژ قابل اعتماد و کارایی تبدیل توان بالا باید انتخاب شوند.

در زمان نصب، باید اطمینان حاصل شود که اتصال AC وارس صحیح است تا از ولتاژ غیرعادی ناشی از جابجایی سیم‌های فاز و خنثی جلوگیری شود.

پیکربندی و نگهداری منطقی ترانسفورماتور

ترانسفورماتورهایی با عملکرد تنظیم ولتاژ خوب باید انتخاب شوند تا در صورت نوسان ولتاژ شبکه تنظیم به موقع انجام شود. در عین حال، نگهداری و نظارت روزمره بر ترانسفورماتورها باید تقویت شود. پارامترهای ترانسفورماتور مانند تپ چنجر، سیم‌پیچ‌ها و سطح روغن باید به طور منظم چک شوند تا عملکرد عادی ترانسفورماتور تضمین شود.

برای ترانسفورماتورهایی که از نقطه اتصال شبکه دور هستند، می‌توان از تپ چنجرهای باری استفاده کرد تا تنظیم به موقع ولتاژ خروجی ترانسفورماتور از طریق کنترل از راه دور انجام شود و ولتاژ در نقطه اتصال شبکه در محدوده عادی باقی بماند.

(۳) نظارت عملیاتی و استراتژی‌های تنظیم هوشمند: ایجاد سیستم نظارت زنده

باید یک سیستم نظارت زنده جامع برای ایستگاه تولید انرژی فتوولتائیک ایجاد شود تا پارامترهای شبکه مانند ولتاژ، جریان، توان و فرکانس را به طور زنده نظارت کند. حسگرهای نصب شده در نقطه اتصال شبکه، سمت خروجی وارس و مودول‌های فتوولتائیک داده‌های جمع‌آوری شده را به طور زنده به مرکز نظارت منتقل می‌کنند. پلتفرم‌های تحلیل داده‌های بزرگ و محاسبات ابری برای تحلیل و پردازش داده‌های نظارت استفاده می‌شوند تا به طور به موقع ناهماهنگی‌هایی مانند بیش از حد ولتاژ شناسایی شوند.