Unha guía completa sobre o fallo de sobretensión na central eléctrica fotovoltaica Causas riscos e solucións sistemáticas

I. Que é unha fallo de sobretensión na rede eléctrica?

A sobretensión na rede eléctrica refírese a un fenómeno nos sistemas ou circuitos de enerxía onde a tensión supera o rango de funcionamento normal.

Xeralmente, baixo frecuencia de rede, se o valor RMS (Root Mean Square) da tensión AC aumenta máis do 10% por riba do valor nominal e dura máis dun minuto, pode determinarse como un fallo de sobretensión na rede eléctrica.

Por exemplo, no sistema de rede trifásica de 380V común en China, se a tensión excede os 418V e persiste durante un período determinado, pode provocar un fallo de sobretensión na rede eléctrica.

Nas centrais fotovoltaicas (PV), os inversores conectados á rede son responsables do monitoreo en tempo real da tensión da rede.

Os inversores xeralmente están equipados con sensores de tensión de alta precisión para recopilar señais de tensión da rede en tempo real. Estes sensores transmiten as señais de tensión recolectadas ao sistema de control do inversor, que analiza e procesa as señais para determinar se a tensión da rede está dentro do rango especificado.

Unha vez que se detecta que a tensión da rede supera o rango seguro predefinido, o inversor activará inmediatamente un mecanismo de protección, apagarase e desconectarase da rede para evitar que a sobretensión dañe o equipo e asegurar a seguridade do equipo e dos operadores.

Ademais, en algúns grandes parques solares PV, instálanse dispositivos de monitorización de calidade de enerxía dedicados para realizar unha monitorización comprehensiva e en tempo real de varios parámetros da rede, permitindo a detección e manejo oportunos de problemas de calidade de enerxía, como a sobretensión.

II. Causas dos fallos de sobretensión

(1) Factores de liña: Impacto da impedancia do cable

Os cables entre o inversor e o punto de conexión á rede desempeñan un papel clave na transmisión de enerxía.

Se o cable é demasiado fino, a súa resistencia aumenta. Segundo a Lei de Ohm (U = I×R), cunha corrente constante, unha maior resistencia leva a unha maior caída de tensión, que a súa vez eleva a tensión de saída AC no lado do inversor.

Cables demasiado longos tamén aumentan a resistencia, causando problemas semellantes de elevación de tensión. Por exemplo, en centrais solares PV en áreas remotas onde o punto de conexión á rede está lonxe, o uso de cables con especificacións inapropiadas pode facilmente levar a fallos de sobretensión debido á impedancia excesiva do cable.

Se os cables están enredados, a súa inductancia aumenta. En circuitos AC, a inductancia impede o fluxo de corrente, perturbando ademais a distribución de tensión e potencialmente provocando sobretensión.

Erros de conexión

Durante a instalación inicial dunha central solar PV, unha conexión incorrecta do cable AC (por exemplo, conectar o terminal neutro ao vivo) pode causar unha tensión anómala. Isto pode facer que o inversor detecte unha tensión que non coincide coa tensión real da rede, activando así o mecanismo de protección contra sobretensión.

Despois de que o inversor teña estado en funcionamento durante un período, as conexiones floxas ou deficientes nos cables do lado da rede poden aumentar a resistencia de contacto. Segundo a Lei de Joule (Q = I²Rt, onde Q é calor, I é corrente, R é resistencia e t é tempo), unha maior resistencia de contacto xera máis calor, provocando un aumento local da temperatura. Esto perxudica o rendemento eléctrico da liña, causando un aumento transitorio da tensión no inversor e activando un fallo de sobretensión.

(2) Factores de estrutura e carga da rede: Conflito entre a capacidade da rede e a absorción de carga

En algúns rexións, especialmente en áreas rurais remotas ou áreas con infraestruturas de rede subdesenvolvidas, a capacidade de absorción de carga da rede é limitada. Cando a capacidade instalada de PV na mesma área de distribución de enerxía é demasiado grande, unha gran cantidade de enerxía PV xénerase e alimenta á rede. Se a rede non pode absorber esta enerxía de xeito oportuno e eficaz, a tensión da rede aumentará.

Problemas relacionados co transformador

Os transformadores desempeñan un papel crucial na conversión de tensión e na distribución de enerxía na rede:

Se o transformador está lonxe do punto de conexión á rede, a súa tensión de saída xeralmente se eleva para compensar a perda de tensión na liña e asegurar unha tensión normal nas áreas lonxe do transformador. No entanto, isto pode causar unha tensión excesiva no punto de conexión á rede próximo ao transformador.

Configuracións irrazoables das tomas do transformador ou fallos operativos (por exemplo, mal contacto do cambiador de tomas) poden afectar a relación de espiras do transformador, levando a unha elevación anómala da tensión de saída e provocando un fallo de sobretensión na rede.

(3) Factores relacionados co inversor: Configuracións iniciais e fallos operativos

Os inversores salen da fábrica cun rango de protección de tensión predeterminado. Na práctica, se este rango predefinido non coincide cos condicións reais da rede local, pode ocorrer un mal xuízo. Por exemplo, se a tensión da rede fluctúa dentro dun rango normal pero o limiar de protección de tensión do inversor está configurado demasiado baixo, o inversor informará frecuentemente de fallos de sobretensión.

Durante a operación a longo prazo, os inversores poden experimentar fallos de hardware (por exemplo, circuitos de muestreo de tensión danados, placas de control defectuosas). Estes fallos causan unha detección incorrecta da tensión da rede polo inversor, levando a unha activación incorrecta do mecanismo de protección contra sobretensión e o apagado do inversor.

Problemas de conexión de múltiples inversores

En grandes centrais solares PV, múltiples inversores adoitan conectarse á rede simultaneamente. Se múltiples inversores monofásicos están concentrados nunha única fase, a corrente nesta fase será excesivamente alta, causando un desequilibrio de tensión na rede e elevando a tensión desta fase.

III. Perigos dos fallos de sobretensión para as centrais solares PV e a rede

(1) Danos ao equipo da central solar PV: Aumento do risco de fallos no inversor

Cando a tensión da rede está en sobretensión, os componentes electrónicos dentro do inversor soportan unha tensión que supera o seu valor nominal, acelerando o envelecemento dos componentes ou incluso causando un dano directo.

Por exemplo, os dispositivos de conmutación de potencia nos inversores (como IGBTs, Transistores Bipolares de Porta Aislada) experimentan unha maior tensión de estrés durante a conmutación on/off en condicións de sobretensión, facendo que sexan propensos a romperse e deixando o inversor inoperativo.

Ademais, a sobretensión pode causar fallos no circuito de control do inversor, prejudicando a súa capacidade de controlar precisamente a tensión e a corrente de saída, reducindo ademais o rendemento e a fiabilidade do inversor.

Reducción da vida útil dos módulos PV

Unha tensión de rede excesivamente alta pode retroalimentarse aos módulos PV a través do inversor, aumentando a tensión de funcionamento dos módulos. A operación a longo prazo dos módulos PV baixo alta tensión pode alterar o rendemento dos materiais semiconductores internos, levando a problemas como puntos quentes e microfracturas.

(2) Impacto na estabilidade da rede: Deterioro da calidade de enerxía

A sobretensión na rede deteriora a calidade de enerxía e causa contaminación harmónica. Cando a tensión excede o rango normal, as cargas non lineares no sistema de enerxía xeran correntes harmónicas adicionais, que a súa vez perturban ademais a tensión da rede, creando un ciclo vicioso. As harmónicas aumentan a xeración de calor no equipo eléctrico, reducen a vida útil e poden interferir co funcionamento normal dos sistemas de comunicación, comprometendo a estabilidade global do sistema de enerxía.

(3) Pérdida de xeración de enerxía e redución dos beneficios económicos: Apagado do inversor e operación derrotada

Cando o inversor detecta unha sobretensión na rede, apágase para protexerse ou opera a potencia reducida para asegurar a seguridade do equipo. O apagado do inversor fai que a central solar PV pare de xerar enerxía completamente, resultando en unha perda directa de xeración de enerxía.

Aumento dos custos de operación e mantemento (O&M) a longo prazo

Os danos ao equipo da central solar PV (por exemplo, inversores e módulos PV) causados por fallos de sobretensión requiren unha reparación e substitución oportuna. Isto non só aumenta os custos de reparación a curto prazo, senón que tamén require unha substitución máis frecuente do equipo no futuro debido á redución da vida útil, aumentando os custos de O&M a longo prazo.

IV. Solucións efectivas para os fallos de sobretensión

(1) Planificación e optimización de deseño previa á construción: Encuesta e avaliación comprensiva da rede

Na fase previa á construción dunha central solar PV, debe realizarse unha encuesta e avaliación comprensiva e detallada da rede local. Deben entenderse perfectamente parámetros clave como a estrutura da rede, a capacidade, as condicións de carga e o rango de fluctuación da tensión. Debe usarse software de análise de enerxía profesional para simular e analizar o impacto potencial da central solar PV na rede despois da conexión.

Por exemplo, ferramentas como PSCAD (Power System Computer-Aided Design) ou ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) poden simular os cambios de tensión da rede baixo diferentes capacidades instaladas de PV, ubicacións de conexión e métodos de conexión. Isto axuda a determinar o plan de construción máis razoable da central solar PV, asegurando unha tensión sana no punto de conexión á rede e reducindo o risco de fallos de sobretensión na fonte.

Planificación racional da capacidade instalada de PV

Baseándose na capacidade de absorción de carga da rede e na capacidade do transformador, a capacidade instalada da central solar PV debe ser planeada de forma racional. Evite concentrar en excesso o equipo PV na mesma área de distribución de enerxía para prevenir a elevación da tensión causada pola enerxía PV excesiva que a rede non pode absorber.

Optimización dos métodos de conexión do inversor

Para as centrais solares PV con múltiples inversores, o método de conexión do inversor debe ser optimizado. Evite concentrar múltiples inversores monofásicos nunha única fase; en cambio, distribúyalos uniformemente nas tres fases da rede para lograr unha conexión multi-punto á rede. Isto equilibra a corrente trifásica e reduce o desequilibrio e a elevación de tensión causados pola corrente excesiva dunha única fase.

(2) Selección, instalación e especificacións de comisión do equipo: Uso de cables de alta calidade e conexión racional

Na construción de centrais solares PV, deben usarse cables de alta calidade que cumpran coas normas nacionais. As especificacións e a sección transversal dos cables deben seleccionarse en función da potencia de transmisión real e da distancia.

Para a conexión á rede a longa distancia, requirese unha maior sección transversal do cable para reducir a impedancia da liña e a caída de tensión.

Ao mesmo tempo, a conexión debe ser racional para evitar cables demasiado longos, enredados ou innecesariamente dobrados. Durante a conexión, pódense usar bandejas ou conductos de cables para protexer e organizar os cables, asegurando a operación segura dos mesmos.

Por exemplo, en grandes centrais solares PV, pode adoptarse a colocación de cables subterráneos, e pódese planificar racionalmente as rutas de cable para reducir a lonxitude e as interseccións de cables, mellorando a eficiencia de transmisión de enerxía e reducindo a probabilidade de fallos de sobretensión.

Selección e instalación precisa do inversor

Ao seleccionar inversores, debe dar-se plena consideración ás condicións locais da rede. Deben escollerse inversores con un amplio rango de adaptación de tensión, protección confiable contra sobretensión e alta eficiencia de conversión de potencia.

Durante a instalación, asegúrese de que a conexión AC do inversor sexa correcta para evitar tensións anómalas causadas pola troca de fases e neutro.

Configuración e manutención racional do transformador

Debe seleccionarse transformadores con un buen rendemento de regulación de tensión para permitir un ajuste oportuno cando a tensión da rede fluctúa. Ao mesmo tempo, debe fortalecerse a manutención e monitorización diaria dos transformadores. Deben inspeccionarse regularmente parámetros dos transformadores como as tomas, as bobinas e os niveis de aceite para asegurar o funcionamento normal do transformador.

Para transformadores lonxe do punto de conexión á rede, pódense usar cambiadores de tomas sobrecarga para realizar un ajuste en tempo real da tensión de saída do transformador a través de control remoto, asegurando que a tensión no punto de conexión á rede permanezca dentro do rango normal.

(3) Monitorización operativa e estratexias de regulación inteligente: Estabelecemento dun sistema de monitorización en tempo real

Debe establecerse un sistema de monitorización en tempo real comprensivo para a central solar PV para monitorizar parámetros da rede como a tensión, a corrente, a potencia e a frecuencia en tempo real. Sensores instalados no punto de conexión á rede, no extremo de saída do inversor e nos módulos PV transmiten os datos recolectados ao centro de monitorización en tempo real. Plataformas de análise de datos enormes e computación en nube utilizanse para analizar e procesar os datos de monitorización, permitindo a detección oportuna de anomalías como a sobretensión.

Por exemplo, establecendo un limiar de alerta precoz para a sobretensión, o sistema envía automaticamente unha alerta cando a tensión da rede monitorizada se aproxima ou supera o limiar, lembrando ao persoal de O&M que tome medidas oportunas para prevenir fallos.

Manutención regular e resolución de fallos

Debe formularse un plano de manutención regular estrito para a central solar PV para realizar inspeccións, manutención e conservación regulares do equipo.

Debe comprobarse regularmente o estado de funcionamento do equipo como inversores, módulos PV, cables e transformadores para identificar e reparar oportunamente riscos de fallos potenciais. Durante a manutención, deben testarse e rexistrarse os parámetros do equipo, e compararse os datos históricos para analizar as tendencias de funcionamento do equipo e prever potenciais fallos con antelación.