Panduan Lengkap untuk Kegagalan Overvoltage di Pembangkit Listrik Tenaga Surya: Penyebab Risiko dan Solusi Sistematis

I. Apa itu Gangguan Overvoltage Tegangan Jaringan?

Overvoltage tegangan jaringan merujuk pada fenomena dalam sistem atau sirkuit listrik di mana tegangan melebihi rentang operasi normal.

Secara umum, pada frekuensi daya, jika nilai RMS (Root Mean Square) dari tegangan AC meningkat lebih dari 10% di atas nilai nominal dan berlangsung lebih dari 1 menit, dapat ditentukan sebagai gangguan overvoltage tegangan jaringan.

Sebagai contoh, dalam sistem jaringan tiga fasa 380V yang umum di Cina, jika tegangan melebihi 418V dan bertahan untuk periode tertentu, mungkin memicu gangguan overvoltage tegangan jaringan.

Dalam pembangkit listrik fotovoltaik (PV), inverter terhubung ke jaringan bertanggung jawab untuk pemantauan real-time tegangan jaringan.

Inverter biasanya dilengkapi dengan sensor tegangan presisi tinggi untuk mengumpulkan sinyal tegangan jaringan secara real-time. Sensor-sensor ini mentransmisikan sinyal tegangan yang dikumpulkan ke sistem kontrol inverter, yang menganalisis dan memproses sinyal tersebut untuk menentukan apakah tegangan jaringan berada dalam rentang yang ditentukan.

Segera setelah tegangan jaringan dideteksi melebihi rentang aman yang dipreset, inverter akan segera mengaktifkan mekanisme perlindungan, mematikan, dan memutus koneksi dari jaringan untuk mencegah kerusakan peralatan akibat overvoltage dan memastikan keselamatan peralatan dan operator.

Selain itu, di beberapa pembangkit listrik PV skala besar, perangkat pemantauan kualitas daya khusus dipasang untuk melakukan pemantauan komprehensif dan real-time terhadap berbagai parameter jaringan, memungkinkan deteksi dan penanganan tepat waktu masalah kualitas daya seperti overvoltage tegangan.

II. Penyebab Gangguan Overvoltage Tegangan

(1) Faktor Jalur: Dampak Impedansi Kabel

Kabel antara inverter dan titik koneksi jaringan memainkan peran kunci dalam transmisi daya.

Jika kabel terlalu tipis, hambatannya meningkat. Menurut Hukum Ohm (U = I×R), dengan arus tetap, hambatan yang lebih tinggi menyebabkan penurunan tegangan yang lebih besar, yang pada gilirannya meningkatkan tegangan output AC di sisi inverter.

Kabel yang terlalu panjang juga meningkatkan hambatan, menyebabkan masalah kenaikan tegangan serupa. Misalnya, di pembangkit listrik PV di daerah terpencil di mana titik koneksi jaringan jauh, penggunaan kabel dengan spesifikasi yang tidak tepat dapat dengan mudah menyebabkan gangguan overvoltage tegangan karena impedansi kabel yang berlebihan.

Jika kabel terjerat, induksinya meningkat. Dalam sirkuit AC, induksi menghambat aliran arus, lebih lanjut mengganggu distribusi tegangan dan potensial memicu overvoltage tegangan.

Kesalahan Pemasangan

Selama pemasangan awal pembangkit listrik PV, pemasangan kabel AC yang salah (misalnya, menghubungkan terminal netral ke kawat fase) dapat menyebabkan tegangan abnormal. Ini mungkin menyebabkan inverter mendeteksi tegangan yang tidak sesuai dengan tegangan jaringan sebenarnya, sehingga memicu mekanisme perlindungan overvoltage.

Setelah inverter beroperasi selama periode tertentu, koneksi kabel sisi jaringan yang longgar atau buruk dapat meningkatkan hambatan kontak. Menurut Hukum Joule (Q = I²Rt, di mana Q adalah panas, I adalah arus, R adalah hambatan, dan t adalah waktu), hambatan kontak yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak panas, menyebabkan kenaikan suhu lokal. Hal ini merusak kinerja listrik jalur, menyebabkan kenaikan tegangan sementara di inverter dan memicu gangguan overvoltage tegangan.

(2) Faktor Struktur Jaringan dan Beban: Konflik antara Kapasitas Jaringan dan Penyerapan Beban

Di beberapa wilayah, terutama daerah pedesaan terpencil atau daerah dengan infrastruktur jaringan yang kurang berkembang, kapasitas penyerapan beban jaringan terbatas. Ketika kapasitas PV yang terpasang di area distribusi yang sama terlalu besar, sejumlah besar daya yang dihasilkan PV disalurkan ke jaringan. Jika jaringan tidak dapat menyerap daya ini secara tepat waktu dan efektif, tegangan jaringan akan naik.

Masalah Terkait Trafo

Trafo memainkan peran penting dalam konversi tegangan dan distribusi daya di jaringan:

Jika trafo jauh dari titik koneksi jaringan, tegangan outputnya biasanya ditingkatkan untuk mengkompensasi penurunan tegangan jalur dan memastikan tegangan normal di area jauh dari trafo. Namun, hal ini mungkin menyebabkan tegangan berlebih di titik koneksi jaringan dekat trafo.

Pengaturan tap trafo yang tidak rasional atau kerusakan operasional (misalnya, kontak tap changer yang buruk) dapat mempengaruhi rasio putaran trafo, menyebabkan kenaikan abnormal tegangan output dan memicu gangguan overvoltage tegangan jaringan.

(3) Faktor Terkait Inverter: Pengaturan Awal dan Kerusakan Operasional

Inverter keluar pabrik dengan rentang perlindungan tegangan default. Dalam aplikasi praktis, jika rentang preset ini tidak sesuai dengan kondisi jaringan lokal sebenarnya, mungkin terjadi kesalahan penilaian. Sebagai contoh, jika fluktuasi tegangan jaringan berada dalam rentang normal tetapi ambang batas perlindungan tegangan inverter ditetapkan terlalu rendah, inverter akan sering melaporkan gangguan overvoltage.

Selama operasi jangka panjang, inverter mungkin mengalami kerusakan perangkat keras (misalnya, sirkuit sampling tegangan rusak, papan kontrol rusak). Kerusakan-kerusakan ini menyebabkan deteksi tegangan jaringan oleh inverter menjadi tidak akurat, menyebabkan aktivasi tidak benar mekanisme perlindungan overvoltage dan shutdown inverter.

Masalah Koneksi Multi-Inverter

Dalam pembangkit listrik PV skala besar, sering kali beberapa inverter terhubung ke jaringan secara bersamaan. Jika inverter tunggal fasa terkonsentrasi pada satu fasa, arus pada fasa tersebut akan sangat tinggi, menyebabkan ketidakseimbangan tegangan jaringan dan meningkatkan tegangan fasa tersebut.

III. Bahaya Gangguan Overvoltage Tegangan bagi Pembangkit Listrik PV dan Jaringan

(1) Kerusakan Peralatan Pembangkit Listrik PV: Meningkatnya Risiko Gangguan Inverter

Ketika tegangan jaringan overvoltage, komponen elektronik di dalam inverter menanggung tegangan yang melebihi nilai nominalnya, mempercepat penuaan komponen atau bahkan menyebabkan kerusakan langsung.

Sebagai contoh, perangkat beralih daya dalam inverter (seperti IGBT, Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi) mengalami stres tegangan yang lebih tinggi saat hidup dan mati di bawah kondisi overvoltage, membuatnya rentan terhadap kerusakan dan menyebabkan inverter tidak berfungsi.

Selain itu, overvoltage mungkin menyebabkan gangguan pada sirkuit kendali inverter, mengganggu kemampuannya untuk mengontrol secara presisi tegangan dan arus output, dan lebih lanjut mengurangi kinerja dan keandalan inverter.

Penurunan Umur Modul PV

Tegangan jaringan yang terlalu tinggi dapat diteruskan ke sisi modul PV melalui inverter, meningkatkan tegangan operasi modul. Operasi jangka panjang modul PV di bawah tegangan tinggi dapat mengubah kinerja material semikonduktor internalnya, menyebabkan masalah seperti hot spot dan mikroretakan.

(2) Dampak pada Stabilitas Jaringan: Menurunnya Kualitas Daya

Overvoltage tegangan jaringan menurunkan kualitas daya dan menyebabkan polusi harmonisa. Ketika tegangan melebihi rentang normal, beban nonlinier dalam sistem daya menghasilkan arus harmonis tambahan, yang pada gilirannya lebih lanjut mengganggu tegangan jaringan, menciptakan siklus buruk. Harmonisa meningkatkan panas pada peralatan listrik, mengurangi umur layanan, dan mungkin mengganggu operasi normal sistem komunikasi, mengurangi stabilitas keseluruhan sistem daya.

(3) Kerugian Pembangkitan Daya dan Penurunan Manfaat Ekonomi: Shutdown Inverter dan Operasi Dengan Daya Terbatas

Ketika inverter mendeteksi overvoltage tegangan jaringan, ia melakukan shutdown untuk perlindungan atau beroperasi dengan daya terbatas untuk memastikan keselamatan peralatan. Shutdown inverter menyebabkan pembangkit listrik PV berhenti menghasilkan listrik sepenuhnya, mengakibatkan kerugian pembangkitan daya langsung.

Biaya Operasional dan Pemeliharaan (O&M) Jangka Panjang yang Meningkat

Kerusakan peralatan pembangkit listrik PV (misalnya, inverter dan modul PV) akibat gangguan overvoltage tegangan memerlukan perbaikan dan penggantian yang tepat waktu. Ini tidak hanya meningkatkan biaya perbaikan jangka pendek tetapi juga memerlukan penggantian peralatan yang lebih sering di masa depan karena umur layanan yang lebih pendek, meningkatkan biaya O&M jangka panjang.

IV. Solusi Efektif untuk Gangguan Overvoltage Tegangan

(1) Perencanaan Pra-Konstruksi dan Optimalisasi Desain: Survei dan Penilaian Jaringan Komprehensif

Dalam tahap pra-konstruksi pembangkit listrik PV, survei dan penilaian komprehensif dan detail terhadap jaringan lokal harus dilakukan. Parameter kunci seperti struktur jaringan, kapasitas, kondisi beban, dan rentang fluktuasi tegangan harus dipahami secara mendalam. Gunakan perangkat lunak analisis daya profesional untuk mensimulasikan dan menganalisis dampak potensial pembangkit listrik PV terhadap jaringan setelah terhubung.

Sebagai contoh, alat seperti PSCAD (Power System Computer-Aided Design) atau ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) dapat mensimulasikan perubahan tegangan jaringan di bawah berbagai kapasitas PV yang terpasang, lokasi koneksi, dan metode koneksi. Ini membantu menentukan rencana konstruksi pembangkit listrik PV yang paling rasional, memastikan tegangan sehat di titik koneksi jaringan, dan mengurangi risiko gangguan overvoltage tegangan pada sumbernya.

Perencanaan Rasional Kapasitas PV Terpasang

Berdasarkan kapasitas penyerapan beban jaringan dan kapasitas trafo, kapasitas terpasang pembangkit listrik PV harus direncanakan secara rasional. Hindari terlalu banyak konsentrasi peralatan PV di area distribusi yang sama untuk mencegah kenaikan tegangan yang disebabkan oleh daya PV yang berlebihan yang tidak dapat diserap jaringan.

Optimalisasi Metode Koneksi Inverter

Untuk pembangkit listrik PV dengan beberapa inverter, metode koneksi inverter harus dioptimalkan. Hindari konsentrasi inverter tunggal fasa pada satu fasa; sebaliknya, distribusikan secara merata di tiga fasa jaringan untuk mencapai koneksi jaringan multi-titik. Ini seimbangkan arus tiga fasa dan mengurangi ketidakseimbangan dan kenaikan tegangan yang disebabkan oleh arus fasa tunggal yang berlebihan.

(2) Pemilihan, Pemasangan, dan Spesifikasi Komisi Peralatan: Penggunaan Kabel Berkualitas Tinggi dan Pemasangan Rasional

Dalam konstruksi pembangkit listrik PV, gunakan kabel berkualitas tinggi yang memenuhi standar nasional. Spesifikasi dan luas penampang kabel harus dipilih berdasarkan daya transmisi aktual dan jarak.

Untuk koneksi jaringan jarak jauh, dibutuhkan luas penampang kabel yang lebih besar untuk mengurangi impedansi jalur dan penurunan tegangan.

Sementara itu, pemasangan harus rasional untuk menghindari kabel yang terlalu panjang, terjerat, atau tidak perlu melengkung. Selama pemasangan, gunakan tray atau duct kabel untuk melindungi dan mengorganisir kabel, memastikan operasi kabel yang aman.

Sebagai contoh, dalam pembangkit listrik PV skala besar, pemasangan kabel bawah tanah dapat diadopsi, dan rute kabel dapat direncanakan secara rasional untuk mengurangi panjang dan persimpangan kabel, meningkatkan efisiensi transmisi daya, dan mengurangi probabilitas gangguan overvoltage tegangan.

Pemilihan dan Pemasangan Inverter yang Akurat

Saat memilih inverter, pertimbangkan sepenuhnya kondisi jaringan lokal. Pilih inverter dengan rentang adaptasi tegangan yang luas, perlindungan overvoltage yang andal, dan efisiensi konversi daya yang tinggi.

Selama pemasangan, pastikan pemasangan AC inverter yang benar untuk menghindari tegangan abnormal yang disebabkan oleh pertukaran kawat fase dan netral.

Konfigurasi dan Pemeliharaan Trafo yang Rasional

Pilih trafo dengan kinerja regulasi tegangan yang baik untuk memungkinkan penyesuaian tepat waktu ketika tegangan jaringan fluktuatif. Sementara itu, perkuat pemeliharaan dan pemantauan harian trafo. Inspeksi parameter trafo seperti tap changer, winding, dan level minyak secara rutin untuk memastikan operasi trafo yang normal.

Untuk trafo yang jauh dari titik koneksi jaringan, gunakan on-load tap changer untuk melakukan penyesuaian real-time tegangan output trafo melalui kontrol jarak jauh, memastikan bahwa tegangan di titik koneksi jaringan tetap dalam rentang normal.

(3) Pemantauan Operasional dan Strategi Regulasi Cerdas: Pembentukan Sistem Pemantauan Real-Time

Sistem pemantauan real-time komprehensif harus dibentuk untuk pembangkit listrik PV untuk memantau parameter jaringan seperti tegangan, arus, daya, dan frekuensi secara real-time. Sensor yang dipasang di titik koneksi jaringan, ujung output inverter, dan modul PV mentransmisikan data yang dikumpulkan ke pusat pemantauan secara real-time. Platform analisis big data dan komputasi awan digunakan untuk menganalisis dan memproses data pemantauan, memungkinkan deteksi tepat waktu anomali seperti overvoltage tegangan.

Sebagai contoh, dengan menetapkan ambang batas peringatan awal untuk overvoltage tegangan, sistem secara otomatis mengirim peringatan ketika tegangan jaringan yang dimonitor mendekati atau melebihi ambang batas, mengingatkan personel O&M untuk mengambil tindakan tepat waktu untuk mencegah gangguan.

Pemeliharaan Rutin dan Penyelesaian Gangguan

Formulasikan rencana pemeliharaan rutin yang ketat untuk pembangkit listrik PV untuk melakukan inspeksi, pemeliharaan, dan perawatan peralatan secara rutin.

Status operasional peralatan seperti inverter, modul PV, kabel, dan trafo harus diperiksa secara rutin untuk mengidentifikasi dan memperbaiki risiko gangguan potensial secara tepat waktu. Selama pemeliharaan, parameter peralatan harus diuji dan dicatat, dan data historis harus dibandingkan untuk menganalisis tren operasional peralatan dan memprediksi potensi gangguan di muka.