Kattava opas ylijännitevian PV-tehoasemassa: Syyt riskit ja järjestelmälliset ratkaisut

I. Mikä on verkon jänniteylikuormitus?

Verkon jänniteylikuormitus viittaa siihen ilmiöön, jossa jännite ylittää normaalin toimintavaihtelun sähköverkossa tai piirissä.

Yleensä, jos vaihtojännitteen RMS-arvo (Root Mean Square) nousee yli 10 prosentin verran suuremmaksi kuin nominoidtu arvo ja tämä tila kestää yli minuutin, voidaan se määrittää verkon jänniteylikuormituksena.

Esimerkiksi Kiinassa yleisessä 380V kolmivaiheisessa verkossa, jos jännite ylittää 418V:n ja tämä tila kestää jonkin aikaa, se voi aiheuttaa verkon jänniteylikuormituksen.

Auringonenergiatiloissa (PV-tiloissa), verkko-kytkettyjen kääntömuuntimien tehtävänä on reaaliaikainen verkon jännitteen valvonta.

Kääntömuuntimet on yleensä varustettu tarkoilla jännitesensoriaineistoilla, jotka keräävät reaaliaikaista jännitettiedetta. Nämä sensorit välittävät kerätyt jännitettiedot muuntimen ohjausjärjestelmälle, joka analysoi ja käsittelee näitä tietoja määrittääkseen, onko jännite annetun rajan sisällä.

Kun verkon jännite havaitaan ylittävän asetetun turvallisen rajan, kääntömuuntin aktivoi välittömästi suojausmekanismi, sammuttaa itsensä ja katkaisee yhteyden verkkoon estääkseen ylikuormituksen aiheuttaman laitteen vaurioitumisen ja varmistamaan sekä laitteiden että operaattoreiden turvallisuuden.

Lisäksi joissakin suurissa PV-tiloissa on asennettu erityisiä sähkölaadun valvontalaitteita, jotka suorittavat monipuolisen, reaaliaikaisen valvonnan erilaisia verkon parametreja, mikä mahdollistaa sähkölaatuongelmien, kuten jänniteylikuormituksen, ajoissa havaitsemisen ja käsittelyn.

II. Jänniteylikuormitusten syistä

(1) Johtosyinit: Kabelihaitariston vaikutukset

Kääntömuuntimen ja verkon yhdistyspisteen väliset kaapelit ovat avainasemassa sähkövirran siirtämisessä.

Jos kaapeli on liian ohue, sen vastus kasvaa. Ohmin lain (U = I×R) mukaan vakiona pysyvällä sähkövirralla korkeamman vastuksen myötä jännitetten pudotus kasvaa, mikä puolestaan nostaa kääntömuuntimen puolen vaihtojännitettä.

Liian pitkät kaapelit lisäävät vastusta, mikä taas aiheuttaa samankaltaisia jännitekorotuskysymyksiä. Esimerkiksi kaukaisissa alueilla, missä verkon yhdistyspiste on kaukana, epäasianmukaisen spesifikaation kaapelin käyttö voi helposti johtaa jänniteylikuormitukseen kabelihaitarin vuoksi.

Jos kaapelit ovat sekaisin, niiden induktiivinen vastus kasvaa. Vaihtovirtapiireissä induktiivinen vastus estää sähkövirran virtaamista, mikä edelleen häiritsee jännitetten jakautumista ja voi aiheuttaa jänniteylikuormituksen.

Johtokuviovirheet

PV-tilan asennuksen alkuvaiheessa väärä AC-kaapelien kytkentä (esim. neutraali-terminaalin kytkeminen phaasiin) voi aiheuttaa epänormaalia jännitettä. Tämä voi saada kääntömuuntimen havaitsemaan jännitettä, joka ei vastaa oikeaa verkkojännitettä, mikä aktivoi jänniteylikuormitus-suojausmekanismia.

Kääntömuuntimen käytön jälkeen tietyksi aikaksi verkkopuolen kaapeliteiden lönnöttävyys tai huono yhteys voi lisätä yhteyden vastusta. Joulen lain (Q = I²Rt, jossa Q on lämpö, I on sähkövirta, R on vastus ja t on aika) mukaan korkeampi yhteyden vastus tuottaa enemmän lämpöä, mikä aiheuttaa paikallisen lämpötilan nousun. Tämä heikentää linjan sähköominaisuuksia, mikä aiheuttaa kääntömuuntimen tilapäisen jännitenkorotuksen ja aktivoi jänniteylikuormitus-virhetilanteen.

(2) Verkon rakenne ja kuormitusfaktorit: Konflikti verkoston kapasiteetin ja kuormituksen ottamisen välillä

Joissakin alueissa, erityisesti kaukaisissa maaseutualueissa tai alueilla, joilla on heikko verkon infrastruktuuri, verkon kyky ottaa kuormituksen on rajoitettu. Kun samaan sähköjakelualueeseen asennettu PV-kapasiteetti on liian suuri, paljon auringonenergiaa tuotetaan ja syötetään verkkoon. Jos verko ei pysty ottamaan tätä energiaa ajallisesti ja tehokkaasti, verkon jännite nousee.

Muunninaiheiset ongelmat

Muunnin on keskeinen rooli verkon jännitteen muuntamisessa ja sähkövirran jakelussa:

Jos muunnin on kaukana verkon yhdistyspisteestä, sen ulostulovoltti nousee usein kompensoimaan johtolinjan volttipudotusta ja varmistaakseen normaalin jännitteen muunnin kaukaisilla alueilla. Tämä voi kuitenkin aiheuttaa liian korkean jännitteen lähellä muunninta olevassa verkon yhdistyspisteessä.

Epäasianmukaiset muunninvaihtokohdat tai toiminnalliset virheet (esim. huono yhteys vaihtokohdassa) voivat vaikuttaa muunnin pyöröiden suhteeseen, mikä johtaa poikkeavaan jännitteen korotukseen ja aktivoi verkon jänniteylikuormitus-virhetilanteen.

(3) Kääntömuuntimen aiheet: Alkuasetukset ja toiminnalliset virheet

Kääntömuuntimet lähtevät tehtaasta oletusarvoisella jännitesuojauksen rajalla. Käytännössä, jos tämä ennakkotaso ei vastaa todellisia paikallisten verkkoehtojen, virheluokittelua voi tapahtua. Esimerkiksi, jos verkon jännite vaihtelee normaalissa rajassa, mutta kääntömuuntimen jännitesuojauksen kynnysarvo on asetettu liian alhaiseksi, kääntömuuntin raportoi usein jänniteylikuormitus-virheitä.

Pitkäaikaisessa toiminnassa kääntömuuntimissa voi ilmetä laitteistovirheitä (esim. vaurioituneet jännitesampailijat, vikaiset ohjauslaitteet). Nämä virheet aiheuttavat epätarkkaa verkon jännitteen havaitsemista kääntömuuntimessa, mikä johtaa väärään jännitesuojauksen aktivointiin ja kääntömuuntimen sammuttamiseen.

Monien kääntömuuntimien yhdistämisongelmat

Suuremmissa PV-tiloissa usein yhdistetään useita kääntömuuntimia verkkoon samanaikaisesti. Jos useat yksivaiheiset kääntömuuntimet keskittyvät yhteen vaiheeseen, kyseisen vaiheen sähkövirta tulee liian suureksi, mikä aiheuttaa verkon jännitteen epätasapainon ja kyseisen vaiheen jännitteen korotuksen.

III. Jänniteylikuormitusten vaarat PV-tiloille ja verkolle

(1) Vauriot PV-tilan laitteisiin: Lisääntyvä riski kääntömuuntimen vikoille

Kun verkon jännite on ylikuormitettu, kääntömuuntimen sisäiset sähkökomponentit kantavat jännitettä, joka ylittää niiden nominoidun arvon, mikä nopeuttaa komponenttien ikääntymistä tai jopa aiheuttaa suoraan vaurioitumista.

Esimerkiksi kääntömuuntimissa käytetyt vahvakomponeitit (kuten IGBT:t, eristetty porttibipolaaritransistorit) kohtaavat lisääntyvän jännitepainetta ylikuormituksen aikana, mikä tekee niistä alttiimpia romahdukseen ja tekemään kääntömuuntimen toimettomaksi.

Lisäksi ylikuormitus voi aiheuttaa vikoja kääntömuuntimen ohjauspiirissä, mikä heikentää sen kykyä tarkasti hallita ulostulovolttia ja sähkövirrantähdettä, mikä edelleen vähentää kääntömuuntimen suorituskykyä ja luotettavuutta.

Lyhyennetty solmujen elinkaari

Liian korkea verkon jännite voi palautua auringonenergiasolmujen puolelle kääntömuuntimen kautta, mikä nostaa solmujen toimintajännitettä. Solmujen pitkäaikainen toiminta korkeassa jännitteessä voi muuttaa niiden sisäisten polttoainekeskusten materiaalien ominaisuuksia, mikä johtaa ongelmiin kuten kuumapisteisiin ja mikrorakenteisiin.

(2) Vaikutus verkon vakautukseen: Heikentyneen sähkölaadun