Potpuni vodič za prenapon u PV elektranama: uzroci rizici i sustavne rješenja

I. Što je greška preopterećenja napona mreže?

Preopterećenje napona mreže odnosi se na pojav u električnim sustavima ili krugovima gdje napon premašuje normalni radni raspon.

Općenito, pod strujnim frekvencijama, ako RMS (Root Mean Square) vrijednost AC napona poraste za više od 10% nad nominalnu vrijednost i traje dulje od 1 minute, može se utvrditi kao greška preopterećenja napona mreže.

Na primjer, u često korištenom trofaznom sustavu napona od 380V u Kini, ako napon premaši 418V i zadrži se tijekom određenog vremenskog perioda, može se aktivirati greška preopterećenja napona mreže.

U fotovoltačkim (PV) elektrani, pretvarači povezani s mrežom su odgovorni za stvarno-vrijeme nadzor napona mreže.

Pretvarači obično imaju precizne senzore napona za prikupljanje stvarnih signala napona mreže. Ovi senzori šalju prikupljene signale napona sustavu upravljanja pretvarača, koji analizira i obrađuje signale kako bi utvrdio nalazi li se napon mreže unutar određenog raspona.

Kada se detektira da napon mreže premašuje predodređeni sigurnosni raspon, pretvarač odmah aktivira zaštitni mechanism, isključuje se i odspaja od mreže kako bi se spriječilo oštećenje opreme preopterećenjem napona i osigurala se sigurnost opreme i operatera.

Dodatno, u nekim velikim PV elektranama instalirane su posebne uređbe za praćenje kvalitete napajanja kako bi se omogućilo kompleksno, stvarno-vrijeme praćenje različitih parametara mreže, što omogućuje pravočasno otkrivanje i rješavanje problema s kvalitetom napajanja, poput preopterećenja napona.

II. Uzroci grešaka preopterećenja napona

(1) Faktori vezani uz linije: Utjecaj impedancije kabela

Kabeli između pretvarača i točke spoja s mrežom igraju ključnu ulogu u prijenosu snage.

Ako je kabel pretanki, njegova otpornost raste. Prema Ohmovom zakonu (U = I×R), s konstantnom strujom, veća otpornost dovodi do veće padne napona, što u turnu povišava AC izlazni napon na strani pretvarača.

Premasni kabeli također povećavaju otpornost, što dovodi do sličnih problema s povišenjem napona. Na primjer, u PV elektaranama u udaljenim područjima gdje je točka spoja s mrežom daleko, korištenje kabela nepravilnih specifikacija lako može dovesti do grešaka preopterećenja napona zbog prevelike impedancije kabela.

Ako su kabeli zamotani, njihova induktivnost raste. U AC krugovima, induktivnost sprečava protok struje, dodatno ruši distribuciju napona i potencijalno pokreće preopterećenje napona.

Greške pri provođenju

Tijekom inicijalne instalacije PV elektrane, netočno provođenje AC kabela (na primjer, spajanje neutralne točke na fazonu) može dovesti do anormalnog napona. To može dovesti do toga da pretvarač detektira napon koji ne odgovara stvarnom naponu mreže, što aktivira zaštitni mechanism preopterećenja napona.

Nakon nekog vremena rada pretvarača, luči ili loši spojevi mrežnih kabela mogu povećati kontakt otpornost. Prema Joulovom zakonu (Q = I²Rt, gdje je Q toplina, I struja, R otpornost, a t vrijeme), veća kontakt otpornost generira više topline, što dovodi do lokalnog porasta temperature. To ometa električne performanse linije, uzrokuje privremeno povišenje napona u pretvaraču i pokreće grešku preopterećenja napona.

(2) Faktori vezani uz strukturu mreže i opterećenje: Konflikt između kapaciteta mreže i apsorpcije opterećenja

U nekim regijama, posebno u udaljenim selima ili područjima s nerazvijenom infrastrukturom mreže, apsorpcijska sposobnost mreže je ograničena. Kada je instalirana kapaciteta PV u istoj distribucijskoj zoni prevelika, velika količina proizvedene PV snage uhvaćena je u mrežu. Ako mreža ne može učinkovito i pravočasno apsorbirati tu snagu, napon mreže će rasti.

Problem s transformatorima

Transformatori igraju ključnu ulogu u pretvorbi napona i distribuciji snage u mreži:

Ako je transformator udaljen od točke spoja s mrežom, njegov izlazni napon obično se povećava kako bi se kompenzirao pad napona na liniji i osigurala se normalna razina napona u područjima udaljenim od transformatora. Međutim, to može dovesti do prekomjernog napona blizu točke spoja s mrežom uz transformator.

Nepravilna postavka stupnjeva transformatora ili operativne greške (na primjer, loš kontakt stupnjeva promjene) mogu utjecati na omjer zavojnica transformatora, što dovodi do anormalnog povišenja izlaznog napona i pokreće grešku preopterećenja napona mreže.

(3) Faktori vezani uz pretvarače: Inicijalne postavke i operativne greške

Pretvarači izlaze iz tvornice s zadanom rasponom zaštite napona. U praktičnoj primjeni, ako ovaj predodređeni raspon ne odgovara stvarnim lokalnim uvjetima mreže, može doći do pogrešnog sudovanja. Na primjer, ako napon mreže fluktuira unutar normalnog raspona, ali prag zaštite napona pretvarača je postavljen prenisko, pretvarač će često prijavljivati greške preopterećenja napona.

Tijekom dugotrajnog rada, pretvarači mogu doživjeti hardverske greške (na primjer, oštećene okruženje uzorkovanja napona, oštećene kontrolne ploče). Ove greške dovode do netočnog detektiranja napona mreže pretvaračem, što dovodi do pogrešnog aktiviranja mechanisma zaštite preopterećenja napona i isključivanja pretvarača.

Problemi s povezivanjem više pretvarača

U velikim PV elektaranama, često se više pretvarača istodobno povezuje s mrežom. Ako se više jednofaznih pretvarača koncentriraju na jednu fazu, struja na toj fazi bit će previsoka, što uzrokuje neravnotežu napona mreže i povišenje napona te faze.

III. Opasnosti grešaka preopterećenja napona za PV elektrane i mrežu

(1) Oštećenje opreme PV elektrane: Povećano riziko grešaka pretvarača

Kada napon mreže premaši normalni nivo, elektronički elementi unutar pretvarača nose napon koji premašuje njihovu nominalnu vrijednost, ubrzavaju staranje elemenata ili ih čak direktno oštećuju.

Na primjer, uređaji za prekid snage u pretvaračima (poput IGBT-a, Izoliranih Bipolarnih Tranzistora sa Insuliranim Ulazom) iskušavaju povećanu naponsku stresu pri upaljivanju i ugasiu u uvjetima preopterećenja napona, što ih čini sklonim kolapsu i čini pretvarač neispravnim.

Dodatno, preopterećenje napona može uzrokovati greške u kontrolnom krugu pretvarača, ometajući njegovu sposobnost preciznog kontrole izlaznog napona i struje, što dalje smanjuje performanse i pouzdanost pretvarača.

Skracivanje vijeka trajanja PV modula

Previsoki napon mreže može se vratiti na stranu PV modula kroz pretvarač, povećavajući radni napon modula. Dugotrajno rad PV modula pod visokim naponom može promijeniti performanse njihovih unutrašnjih poluprovodnih materijala, što dovodi do problema poput točk topline i mikropukotina.

(2) Utjecaj na stabilnost mreže: Zbogorana kvaliteta napajanja

Preopterećenje napona mreže smanjuje kvalitetu napajanja i uzrokuje harmonijsku zagađenje. Kada napon premaši normalni raspon, nelinearna opterećenja u električnom sustavu generiraju dodatne harmonijske struje, koje dalje rušivaju napon mreže, stvarajući vicikalan ciklus. Harmonije povećavaju toplinsku generaciju u električnoj opremi, smanjuju vijek trajanja i mogu ometati normalnu operaciju komunikacijskih sustava, ometajući ukupnu stabilnost električnog sustava.

(3) Gubitak proizvodnje energije i smanjenje ekonomskih koristi: Isključenje pretvarača i rad smanjenom snalom

Kada pretvarač detektira preopterećenje napona mreže, isključuje se radi zaštite ili radi smanjenom snalom kako bi se osigurala sigurnost opreme. Isključenje pretvarača dovodi do potpunog zaustavljanja proizvodnje energije u PV elektrani, što rezultira direktnim gubitkom generirane energije.

Povećanje dugoročnih troškova održavanja i popravaka (O&M)

Oštećenje opreme PV elektrane (na primjer, pretvarača i PV modula) uzrokovanje greškama preopterećenja napona zahtijeva pravočasnu popravku i zamjenu. To ne samo povećava kratkoročne troškove popravke, već i zahtijeva češću zamjenu opreme u budućnosti zbog skraćenog vijeka trajanja, povećavajući dugoročne troškove O&M.

IV. Efikasne rješenja za greške preopterećenja napona

(1) Planiranje i optimizacija dizajna prije gradnje: Kompletna pregled i procjena mreže

U fazi prije gradnje PV elektrane treba provesti kompletnu i detaljnu inspekciju i procjenu lokalne mreže. Treba temeljito razumjeti ključne parametre poput strukture mreže, kapaciteta, stanja opterećenja i raspona fluktuacija napona. Treba koristiti profesionalne softvere za analizu napajanja kako bi se simulirao i analizirao potencijalni utjecaj PV elektrane na mrežu nakon spoja.

Na primjer, alati poput PSCAD (Power System Computer-Aided Design) ili ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) mogu simulirati promjene napona mreže pod različitim kapacitetima PV, lokacijama spoja i metodama spoja. To pomaže u određivanju najrazumnijeg plana izgradnje PV elektrane, osigurava zdrav napon na točki spoja s mrežom i smanjuje rizik od grešaka preopterećenja napona na izvoru.

Racionalno planiranje instalirane kapacitete PV

Temeljeno na apsorpcijskoj sposobnosti opterećenja mreže i kapacitetu transformatora, treba racionalno planirati instaliranu kapacitetu PV elektrane. Treba izbjegavati prekoncentraciju PV opreme u istoj distribucijskoj zoni kako bi se spriječilo povišenje napona uzrokovano prekomjerno PV snage koju mreža ne može apsorbirati.

Optimizacija metoda povezivanja pretvarača

Za PV elektrane s više pretvarača, treba optimizirati metode povezivanja pretvarača. Treba izbjegavati koncentraciju više jednofaznih pretvarača na jednu fazu, umjesto toga treba ih ravnomjerno distribuirati na tri faze mreže kako bi se postiglo više točaka spoja s mrežom. To ravnoteži trofaznu struju i smanjuje neravnotežu i povišenje napona uzrokovano prekomjernom strujom jedne faze.

(2) Odabir, instalacija i komisioniranje opreme: Upotreba kvalitetnih kabela i racionalno provođenje

Pri izgradnji PV elektrane treba koristiti kvalitetne kable koji zadovoljavaju nacionalne standarde. Specifikacije i presjek kabela trebaju se odabrati temeljeno na stvarnoj prijenosnoj snazi i udaljenosti.

Za dalekovinski spoj s mrežom, potreban je veći presjek kabela kako bi se smanjila impedancija i pad napona na liniji.

Uz to, provođenje treba biti racionalno kako bi se izbjegli prekomjerno dugački, zamotani ili nepotrebnije savijeni kabeli. Tijekom provođenja, kable treba zaštititi i organizirati korištenjem kanala za kable ili cevi, osiguravajući siguran rad kabela.

Na primjer, u velikim PV elektranama može se usvojiti podzemno položenje kabela, a rute kabela trebaju se racionalno planirati kako bi se smanjila duljina kabela i presecanja, poboljšavajući učinkovitost prijenosa snage i smanjujući vjerojatnost grešaka preopterećenja napona.

Precizan odabir i instalacija pretvarača

Pri odabiru pretvarača treba potpuno uzeti u obzir lokalne uvjete mreže. Treba odabrati pretvarače s širokim rasponom prilagodbe napona, pouzdano zaštitom od preopterećenja napona i visokom učinkovitosti pretvorbe snage.

Tijekom instalacije, treba osigurati točno AC provođenje pretvarača kako bi se izbjegla anormalnost napona uzrokovana zamjenom fazona i neutralne žice.

Racionalna konfiguracija i održavanje transformatora

Treba odabrati transformatore s dobrom performansom regulacije napona kako bi se omogućila pravočasna prilagodba kada napon mreže fluktuira. Uz to, treba jačati redovito održavanje i nadzor transformatora. Treba redovito provjeravati parametre transformatora, poput stupnjeva promjene, zavojnica i razina ulja, kako bi se osigurala normalna operacija transformatora.

Za transformatore udaljene od točke spoja s mrežom, mogu se koristiti stupnjevi promjene pod opterećenjem kako bi se u realnom vremenu prilagodio izlazni napon transformatora putem daljninskog upravljanja, osiguravajući da napon na točki spoja s mrežom ostaje unutar normalnog raspona.

(3) Operativni nadzor i inteligentne strategije regulacije: Stvaranje sustava stvarnog vremena nadzora

Treba stvoriti kompletan sustav stvarnog vremena nadzora za PV elektranu kako bi se u stvarnom vremenu pratili parametri mreže poput napona, struje, snage i frekvencije. Senzori instalirani na točki spoja s mrežom, izlazu pretvarača i PV modula šalju prikupljene podatke u centar nadzora u stvarnom vremenu. Analiza big data i platforme za cloud računanje koriste se za analizu i obradu podataka nadzora, omogućujući pravočasno otkrivanje anomalija poput preopterećenja napona.

Na primjer, postavljanjem praga ranog upozorenja za preopterećenje napona, sustav automatski šalje upozorenje kada nadgledani napon mreže približi ili premaši taj prag, podsjećajući osoblje za održavanje da pravočasno poduze mušterije kako bi se spriječile greške.

Redovito održavanje i otklanjanje grešaka

Treba formulirati strogi plan redovitog održavanja za PV elektranu kako bi se redovito provodili pregledi, održavanje i povrata opreme.

Redovito treba provjeravati radni status opreme, poput pretvarača, PV modula, kabela i transformatora, kako bi se pravočasno identificirali i popravili potencijalni rizici od grešaka. Tijekom održavanja, treba testirati i bilježiti parametre opreme, te uspoređivati povijesne podatke kako bi se analizirale trendi u radu opreme i predvidjeli potencijalne greške unaprijed.