Un Guide Complet sur les Défauts de Surintensité dans les Centrales Photovoltaïques : Causes Risques et Solutions Systématiques
I. Qu'est-ce qu'une panne de surtension du réseau électrique ?
La surtension du réseau électrique fait référence à un phénomène dans les systèmes ou circuits électriques où la tension dépasse la plage de fonctionnement normale.
Généralement, sous la fréquence nominale, si la valeur efficace (RMS) de la tension alternative augmente de plus de 10 % par rapport à la valeur nominale et persiste pendant plus d'une minute, on peut déterminer qu'il s'agit d'une panne de surtension du réseau électrique.
Par exemple, dans le système triphasé de 380V couramment utilisé en Chine, si la tension dépasse 418V et persiste pendant une certaine période, cela peut déclencher une panne de surtension du réseau électrique.
Dans les centrales photovoltaïques (PV), les onduleurs connectés au réseau sont responsables de la surveillance en temps réel de la tension du réseau.
Les onduleurs sont généralement équipés de capteurs de tension de haute précision pour collecter les signaux de tension du réseau en temps réel. Ces capteurs transmettent les signaux de tension collectés au système de contrôle de l'onduleur, qui analyse et traite ces signaux pour déterminer si la tension du réseau est dans la plage spécifiée.
Une fois que la tension du réseau est détectée comme dépassant la plage de sécurité préétablie, l'onduleur active immédiatement un mécanisme de protection, se coupe et se déconnecte du réseau pour éviter que la surtension n'endommage l'équipement et assurer la sécurité des équipements et des opérateurs.
De plus, dans certaines grandes centrales PV, des dispositifs de surveillance de qualité de l'énergie dédiés sont installés pour effectuer une surveillance globale et en temps réel de divers paramètres du réseau, permettant ainsi une détection et une gestion opportunes des problèmes de qualité de l'énergie tels que la surtension de la tension.
II. Causes des pannes de surtension de la tension
(1) Facteurs de ligne : Impact de l'impédance du câble
Les câbles entre l'onduleur et le point de connexion au réseau jouent un rôle clé dans la transmission de l'énergie.
Si le câble est trop fin, sa résistance augmente. Selon la loi d'Ohm (U = I×R), avec un courant constant, une résistance plus élevée entraîne une chute de tension plus grande, ce qui à son tour augmente la tension de sortie alternatif côté onduleur.
Des câbles excessivement longs augmentent également la résistance, provoquant des problèmes similaires d'élévation de la tension. Par exemple, dans les centrales PV situées dans des zones éloignées où le point de connexion au réseau est loin, l'utilisation de câbles de spécifications inappropriées peut facilement conduire à des pannes de surtension de la tension en raison de l'impédance excessive du câble.
Si les câbles sont emmêlés, leur inductance augmente. Dans les circuits alternatifs, l'inductance freine le flux du courant, perturbant davantage la distribution de la tension et pouvant potentiellement déclencher une surtension de la tension.
Erreurs de câblage
Lors de l'installation initiale d'une centrale PV, un câblage incorrect des câbles alternatifs (par exemple, connecter le terminal neutre au fil actif) peut causer une tension anormale. Cela peut entraîner que l'onduleur détecte une tension qui ne correspond pas à la tension réelle du réseau, déclenchant ainsi le mécanisme de protection contre la surtension.
Après un certain temps de fonctionnement de l'onduleur, des connexions lâches ou de mauvaise qualité dans les câbles côté réseau peuvent augmenter la résistance de contact. Selon la loi de Joule (Q = I²Rt, où Q est la chaleur, I est le courant, R est la résistance et t est le temps), une résistance de contact plus élevée génère plus de chaleur, entraînant une élévation locale de la température. Cela altère les performances électriques de la ligne, provoquant une augmentation transitoire de la tension de l'onduleur et déclenchant une panne de surtension de la tension.
(2) Facteurs de structure du réseau et de charge : Conflit entre la capacité du réseau et l'absorption de la charge
Dans certaines régions, en particulier les zones rurales éloignées ou les zones avec une infrastructure de réseau peu développée, la capacité d'absorption de la charge du réseau est limitée. Lorsque la capacité installée PV dans la même zone de distribution est trop importante, une grande quantité d'énergie PV est injectée dans le réseau. Si le réseau ne peut pas absorber cette énergie de manière opportune et efficace, la tension du réseau augmentera.
Problèmes liés aux transformateurs
Les transformateurs jouent un rôle crucial dans la conversion de tension et la distribution de l'énergie dans le réseau :
Si le transformateur est éloigné du point de connexion au réseau, sa tension de sortie est généralement augmentée pour compenser la perte de tension de ligne et garantir une tension normale dans les zones éloignées du transformateur. Cependant, cela peut entraîner une tension excessive au point de connexion au réseau près du transformateur.
Des réglages de prise de terre non raisonnables du transformateur ou des défauts de fonctionnement (par exemple, un contact de commutateur de prises de terre défectueux) peuvent affecter le rapport de transformation du transformateur, entraînant une élévation anormale de la tension de sortie et déclenchant une panne de surtension de la tension du réseau.
(3) Facteurs liés à l'onduleur : Paramétrages initiaux et défauts de fonctionnement
Les onduleurs sortent d'usine avec une plage de protection de tension par défaut. Dans les applications pratiques, si cette plage prédéfinie ne correspond pas aux conditions locales du réseau, des erreurs de jugement peuvent survenir. Par exemple, si la tension du réseau fluctue dans une plage normale mais que le seuil de protection de tension de l'onduleur est défini trop bas, l'onduleur signalera fréquemment des pannes de surtension.
Au cours d'un fonctionnement à long terme, les onduleurs peuvent subir des pannes matérielles (par exemple, des circuits d'échantillonnage de tension endommagés, des cartes de contrôle défectueuses). Ces pannes entraînent une détection inexacte de la tension du réseau par l'onduleur, conduisant à une activation incorrecte du mécanisme de protection contre la surtension et à l'arrêt de l'onduleur.
Problèmes de connexion de plusieurs onduleurs
Dans les grandes centrales PV, plusieurs onduleurs sont souvent connectés au réseau simultanément. Si plusieurs onduleurs monophasés sont concentrés sur une phase, le courant sur cette phase sera excessivement élevé, provoquant un déséquilibre de la tension du réseau et une élévation de la tension de cette phase.
III. Dangers des pannes de surtension de la tension pour les centrales PV et le réseau
(1) Dommages aux équipements de la centrale PV : Risque accru de pannes de l'onduleur
Lorsque la tension du réseau est en surtension, les composants électroniques à l'intérieur de l'onduleur subissent une tension supérieure à leur valeur nominale, accélérant le vieillissement des composants ou même causant des dommages directs.
Par exemple, les dispositifs de commutation de puissance dans les onduleurs (comme les IGBT, Transistors Bipolaires à Grille Isolée) subissent un stress de tension accru lors de l'ouverture et de la fermeture sous conditions de surtension, les rendant susceptibles de se rompre et rendant l'onduleur inopérant.
De plus, la surtension peut causer des pannes dans le circuit de commande de l'onduleur, compromettant sa capacité à contrôler précisément la tension et le courant de sortie, réduisant ainsi les performances et la fiabilité de l'onduleur.
Réduction de la durée de vie des modules PV
Une tension du réseau excessivement élevée peut être rétro-alimentée vers les modules PV via l'onduleur, augmentant la tension de fonctionnement des modules. Une opération à long terme des modules PV sous une tension élevée peut modifier les performances de leurs matériaux semi-conducteurs internes, entraînant des problèmes tels que des points chauds et des microfissures.
(2) Impact sur la stabilité du réseau : Dégradation de la qualité de l'énergie
La surtension de la tension du réseau dégrade la qualité de l'énergie et cause une pollution harmonique. Lorsque la tension dépasse la plage normale, les charges non linéaires du système électrique génèrent des courants harmoniques supplémentaires, qui à leur tour perturbent davantage la tension du réseau, créant un cycle vicieux. Les harmoniques augmentent la production de chaleur dans les équipements électriques, réduisent leur durée de vie et peuvent interférer avec le fonctionnement normal des systèmes de communication, compromettant la stabilité globale du système électrique.
(3) Perte de production d'énergie et réduction des bénéfices économiques : Arrêt de l'onduleur et fonctionnement dégradé
Lorsqu'un onduleur détecte une surtension de la tension du réseau, il s'arrête pour se protéger ou fonctionne à une puissance réduite pour assurer la sécurité de l'équipement. L'arrêt de l'onduleur cause l'arrêt total de la production d'énergie de la centrale PV, entraînant une perte directe de production d'énergie.
Augmentation des coûts de maintenance et d'exploitation (O&M) à long terme
Les dommages aux équipements de la centrale PV (par exemple, les onduleurs et les modules PV) causés par les pannes de surtension de la tension nécessitent des réparations et des remplacements opportuns. Cela n'augmente pas seulement les coûts de réparation à court terme, mais nécessite également des remplacements plus fréquents des équipements à l'avenir en raison de la réduction de leur durée de vie, augmentant ainsi les coûts de maintenance et d'exploitation à long terme.
IV. Solutions efficaces aux pannes de surtension de la tension
(1) Planification avant construction et optimisation de la conception : Enquête et évaluation complète du réseau
Dans la phase pré-construction d'une centrale PV, une enquête et une évaluation complètes et détaillées du réseau local doivent être menées. Les paramètres clés tels que la structure du réseau, la capacité, les conditions de charge et la plage de fluctuation de la tension doivent être bien compris. Un logiciel professionnel d'analyse de puissance doit être utilisé pour simuler et analyser l'impact potentiel de la centrale PV sur le réseau après sa connexion.
Par exemple, des outils comme PSCAD (Power System Computer-Aided Design) ou ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) peuvent simuler les changements de tension du réseau sous différentes capacités PV installées, lieux de connexion et méthodes de connexion. Cela aide à déterminer le plan de construction le plus raisonnable pour la centrale PV, assure une tension saine au point de connexion au réseau et réduit le risque de pannes de surtension de la tension à la source.
Planification rationnelle de la capacité PV installée
Sur la base de la capacité d'absorption de la charge du réseau et de la capacité du transformateur, la capacité installée de la centrale PV doit être planifiée de manière rationnelle. Évitez de concentrer excessivement les équipements PV dans la même zone de distribution pour prévenir l'élévation de la tension due à une quantité excessive d'énergie PV que le réseau ne peut pas absorber.
Optimisation des méthodes de connexion des onduleurs
Pour les centrales PV avec plusieurs onduleurs, la méthode de connexion des onduleurs doit être optimisée. Évitez de concentrer plusieurs onduleurs monophasés sur une seule phase ; répartissez-les uniformément sur les trois phases du réseau pour réaliser une connexion multi-points. Cela équilibre le courant triphasé et réduit les déséquilibres et les élévations de tension causés par un courant monophasé excessif.
(2) Sélection, installation et spécifications de mise en service des équipements : Utilisation de câbles de haute qualité et câblage rationnel
Dans la construction de la centrale PV, des câbles de haute qualité conformes aux normes nationales doivent être utilisés. Les spécifications et la section des câbles doivent être choisies en fonction de la puissance de transmission réelle et de la distance.
Pour les connexions de réseau à longue distance, une section de câble plus grande est requise pour réduire l'impédance de ligne et la chute de tension.
En outre, le câblage doit être rationnel pour éviter des câbles excessivement longs, emmêlés ou inutilement tordus. Pendant le câblage, des chemins de câbles ou des gaines peuvent être utilisés pour protéger et organiser les câbles, assurant un fonctionnement sûr des câbles.
Par exemple, dans les grandes centrales PV, un câblage souterrain peut être adopté, et les itinéraires de câbles peuvent être planifiés de manière rationnelle pour réduire la longueur et les croisements des câbles, améliorant ainsi l'efficacité de la transmission de l'énergie et réduisant la probabilité de pannes de surtension de la tension.
Sélection et installation précises des onduleurs
Lors de la sélection des onduleurs, une considération complète doit être accordée aux conditions locales du réseau. Des onduleurs avec une large plage d'adaptation de tension, une protection fiable contre la surtension et une haute efficacité de conversion de puissance doivent être choisis.
Pendant l'installation, assurez-vous que le câblage alternatif de l'onduleur est correct pour éviter des tensions anormales dues à l'inversion des fils de phase et neutre.
Configuration et maintenance rationnelle des transformateurs
Des transformateurs avec de bonnes performances de régulation de tension doivent être sélectionnés pour permettre des ajustements opportuns lorsque la tension du réseau fluctue. De plus, le maintien et la surveillance quotidiens des transformateurs doivent être renforcés. Les paramètres des transformateurs tels que les changeurs de prises, les bobinages et les niveaux d'huile doivent être inspectés régulièrement pour assurer un fonctionnement normal du transformateur.
Pour les transformateurs éloignés du point de connexion au réseau, des changeurs de prises sous charge peuvent être utilisés pour réaliser un ajustement en temps réel de la tension de sortie du transformateur par télécommande, assurant que la tension au point de connexion au réseau reste dans la plage normale.
(3) Surveillance opérationnelle et stratégies de régulation intelligente : Établissement d'un système de surveillance en temps réel
Un système de surveillance en temps réel complet doit être établi pour la centrale PV afin de surveiller en temps réel les paramètres du réseau tels que la tension, le courant, la puissance et la fréquence. Les capteurs installés au point de connexion au réseau, à l'extrémité de sortie de l'onduleur et sur les modules PV transmettent les données collectées en temps réel au centre de surveillance. Des plateformes d'analyse de big data et de cloud computing sont utilisées pour analyser et traiter les données de surveillance, permettant une détection opportune des anomalies telles que la surtension de la tension.
Par exemple, en définissant un seuil d'alerte précoce pour la surtension de la tension, le système envoie automatiquement une alerte lorsque la tension du réseau surveillée approche ou dépasse le seuil, rappelant au personnel de maintenance de prendre des mesures opportunes pour prévenir les pannes.
Maintenance régulière et dépannage des pannes
Un plan de maintenance régulière strict doit être formulé pour la centrale PV pour effectuer des inspections, des maintenances et des entretiens réguliers de l'équipement.
Le statut de fonctionnement de l'équipement, tels que les onduleurs, les modules PV, les câbles et les transformateurs, doit être vérifié régulièrement pour identifier et réparer les risques de pannes potentiels en temps opportun. Pendant la maintenance, les paramètres de l'équipement doivent être testés et enregistrés, et les données historiques doivent être comparées pour analyser les tendances de fonctionnement de l'équipement et prédire les pannes potentielles à l'avance.
