Una guida completa ai guasti di sovratensione nelle centrali fotovoltaiche: cause rischi e soluzioni sistematiche

I. Cos'è un guasto di sovratensione della rete?

La sovratensione della rete si riferisce a un fenomeno nei sistemi o circuiti elettrici in cui la tensione supera il range di funzionamento normale.

In generale, con frequenza industriale, se il valore efficace (RMS) della tensione alternata aumenta oltre il 10% del valore nominale e permane per più di 1 minuto, può essere determinato come un guasto di sovratensione della rete.

Ad esempio, nel comune sistema trifase cinese da 380V, se la tensione supera i 418V e persiste per un certo periodo, potrebbe attivare un guasto di sovratensione della rete.

Nelle centrali fotovoltaiche, gli inversori collegati alla rete sono responsabili del monitoraggio in tempo reale della tensione della rete.

Gli inversori sono solitamente dotati di sensori di tensione ad alta precisione per raccogliere segnali di tensione della rete in tempo reale. Questi sensori trasmettono i segnali di tensione raccolti al sistema di controllo dell'inversore, che analizza e processa i segnali per determinare se la tensione della rete è all'interno del range specificato.

Una volta rilevato che la tensione della rete supera il range di sicurezza preimpostato, l'inversore attiverà immediatamente un meccanismo di protezione, si spegnerà e si disconetterà dalla rete per prevenire danni agli apparecchiature dovuti alla sovratensione e garantire la sicurezza sia delle apparecchiature che degli operatori.

Inoltre, in alcune grandi centrali fotovoltaiche, sono installati dispositivi dedicati al monitoraggio della qualità dell'energia per condurre un monitoraggio complessivo e in tempo reale di vari parametri della rete, consentendo la rilevazione tempestiva e la gestione di problemi di qualità dell'energia come la sovratensione.

II. Cause dei guasti di sovratensione

(1) Fattori di linea: Impatto dell'impedenza del cavo

I cavi tra l'inversore e il punto di connessione alla rete svolgono un ruolo chiave nella trasmissione di energia.

Se il cavo è troppo sottile, la sua resistenza aumenta. Secondo la legge di Ohm (U = I×R), con una corrente costante, una resistenza maggiore porta a una maggiore caduta di tensione, che a sua volta eleva la tensione di uscita alternata sul lato dell'inversore.

Cavi eccessivamente lunghi aumentano anche la resistenza, causando problemi simili di elevazione della tensione. Ad esempio, nelle centrali fotovoltaiche in aree remote dove il punto di connessione alla rete è lontano, l'uso di cavi con specifiche inappropriate può facilmente portare a guasti di sovratensione a causa dell'eccessiva impedenza del cavo.

Se i cavi sono intrecciati, la loro induttanza aumenta. Nei circuiti alternati, l'induttanza ostacola il flusso di corrente, ulteriormente disturbando la distribuzione della tensione e potenzialmente attivando la sovratensione.

Errori di cablaggio

Durante l'installazione iniziale di una centrale fotovoltaica, un cablaggio errato dei cavi CA (ad esempio, collegare il terminale neutro al filo vivo) può causare una tensione anomala. Ciò può far sì che l'inversore rilevi una tensione che non corrisponde alla tensione effettiva della rete, attivando quindi il meccanismo di protezione contro la sovratensione.

Dopo un periodo di operatività dell'inversore, connessioni allentate o difettose nei cavi lato rete possono aumentare la resistenza di contatto. Secondo la legge di Joule (Q = I²Rt, dove Q è il calore, I è la corrente, R è la resistenza e t è il tempo), una resistenza di contatto maggiore genera più calore, provocando un aumento locale della temperatura. Questo compromette le prestazioni elettriche della linea, causando un aumento transitorio della tensione nell'inversore e attivando un guasto di sovratensione.

(2) Fattori strutturali e di carico della rete: Conflitto tra capacità della rete e assorbimento del carico

In alcune regioni, specialmente aree rurali remote o aree con infrastrutture di rete poco sviluppate, la capacità di assorbimento del carico della rete è limitata. Quando la capacità installata fotovoltaica nello stesso area di distribuzione è eccessiva, una grande quantità di energia prodotta dai pannelli fotovoltaici viene alimentata nella rete. Se la rete non può assorbire questa energia in modo tempestivo ed efficace, la tensione della rete aumenterà.

Problemi relativi ai trasformatori

I trasformatori svolgono un ruolo cruciale nella conversione della tensione e nella distribuzione dell'energia nella rete:

Se il trasformatore è lontano dal punto di connessione alla rete, la sua tensione di uscita è solitamente aumentata per compensare la perdita di tensione lungo la linea e garantire una tensione normale nelle aree lontane dal trasformatore. Tuttavia, ciò può causare una tensione eccessiva al punto di connessione alla rete vicino al trasformatore.

Impostazioni irrazionali dei rapporti di avvolgimento del trasformatore o guasti operativi (ad esempio, contatti difettosi del cambio di rapporto) possono influire sul rapporto di avvolgimento del trasformatore, causando un innalzamento anomalo della tensione di uscita e attivando un guasto di sovratensione della rete.

(3) Fattori relativi all'inversore: Impostazioni iniziali e guasti operativi

Gli inversori escono di fabbrica con un intervallo di protezione della tensione predefinito. Nelle applicazioni pratiche, se questo intervallo preimpostato non corrisponde alle condizioni effettive locali della rete, possono verificarsi giudizi errati. Ad esempio, se la tensione della rete fluttua all'interno di un range normale ma la soglia di protezione della tensione dell'inversore è impostata troppo bassa, l'inversore segnalerà frequentemente guasti di sovratensione.

Durante l'operatività a lungo termine, gli inversori possono subire guasti hardware (ad esempio, circuiti di campionamento della tensione danneggiati, schede di controllo difettose). Questi guasti causano una rilevazione inaccurata della tensione della rete da parte dell'inversore, portando all'attivazione errata del meccanismo di protezione contro la sovratensione e allo spegnimento dell'inversore.

Problemi di connessione multi-inversore

Nei grandi impianti fotovoltaici, spesso più inversori sono collegati contemporaneamente alla rete. Se più inversori monofase sono concentrati su una singola fase, la corrente su quella fase sarà eccessivamente alta, causando un'instabilità della tensione della rete e innalzando la tensione di quella fase.

III. Pericoli dei guasti di sovratensione per le centrali fotovoltaiche e la rete

(1) Danni alle apparecchiature della centrale fotovoltaica: Aumento del rischio di guasti dell'inversore

Quando la tensione della rete è in sovratensione, i componenti elettronici interni all'inversore sopportano una tensione superiore al valore nominale, accelerando l'invecchiamento dei componenti o addirittura causandone il danno diretto.

Ad esempio, i dispositivi di commutazione di potenza negli inversori (come gli IGBT, Transistor Bipolari a Gate Isolato) subiscono uno stress di tensione maggiore durante l'accensione e lo spegnimento in condizioni di sovratensione, rendendoli propensi a guasti e rendendo l'inversore inutilizzabile.

Inoltre, la sovratensione può causare guasti nel circuito di controllo dell'inversore, compromettendo la sua capacità di controllare con precisione la tensione e la corrente di uscita e riducendo ulteriormente le prestazioni e l'affidabilità dell'inversore.

Riduzione della durata dei moduli fotovoltaici

Una tensione eccessivamente alta della rete può essere riflessa sul lato dei moduli fotovoltaici attraverso l'inversore, aumentando la tensione di funzionamento dei moduli. L'operatività a lungo termine dei moduli fotovoltaici a tensioni elevate può alterare le prestazioni dei materiali semiconduttori interni, causando problemi come punti caldi e microfessurazioni.

(2) Impatto sulla stabilità della rete: Deterioramento della qualità dell'energia

La sovratensione della rete degrada la qualità dell'energia e causa inquinamento armonico. Quando la tensione supera il range normale, i carichi non lineari nel sistema elettrico generano correnti armoniche aggiuntive, che a loro volta perturbano ulteriormente la tensione della rete, creando un circolo vizioso. Gli armonici aumentano la generazione di calore negli apparecchi elettrici, riducono la durata di vita e possono interferire con il normale funzionamento dei sistemi di comunicazione, compromettendo la stabilità complessiva del sistema elettrico.

(3) Perdita di produzione e riduzione dei benefici economici: Spegnimento dell'inversore e funzionamento deratizzato

Quando un inversore rileva una sovratensione della rete, si spegne per protezione o funziona a potenza ridotta per garantire la sicurezza delle apparecchiature. Lo spegnimento dell'inversore fa sì che la centrale fotovoltaica smetta completamente di produrre energia, causando una perdita diretta di produzione.

Aumento dei costi di manutenzione e operatività a lungo termine (O&M)

I danni alle apparecchiature della centrale fotovoltaica (ad esempio, inversori e moduli fotovoltaici) causati da guasti di sovratensione richiedono riparazioni e sostituzioni tempestive. Ciò non solo aumenta i costi di riparazione a breve termine, ma richiede anche sostituzioni più frequenti delle apparecchiature in futuro a causa della riduzione della durata di vita, aumentando i costi di O&M a lungo termine.

IV. Soluzioni efficaci per i guasti di sovratensione

(1) Pianificazione e ottimizzazione progettuale pre-costruzione: Sondaggio e valutazione complessiva della rete

Nella fase pre-costruttiva di una centrale fotovoltaica, deve essere condotto un sondaggio e una valutazione complessiva e dettagliata della rete locale. È necessario comprendere a fondo parametri chiave come la struttura della rete, la capacità, le condizioni di carico e l'intervallo di fluttuazione della tensione. Deve essere utilizzato software di analisi elettrica professionale per simulare e analizzare l'impatto potenziale della centrale fotovoltaica sulla rete dopo la connessione.

Ad esempio, strumenti come PSCAD (Power System Computer-Aided Design) o ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) possono simulare le variazioni della tensione della rete con diverse capacità fotovoltaiche installate, posizioni di connessione e metodi di connessione. Questo aiuta a determinare il piano di costruzione più ragionevole per la centrale fotovoltaica, assicurando una tensione sana al punto di connessione alla rete e riducendo il rischio di guasti di sovratensione alla fonte.

Pianificazione razionale della capacità installata fotovoltaica

In base alla capacità di assorbimento del carico e alla capacità del trasformatore, la capacità installata della centrale fotovoltaica deve essere pianificata in modo razionale. È necessario evitare di concentrare eccessivamente le apparecchiature fotovoltaiche nella stessa area di distribuzione per prevenire l'innalzamento della tensione causato da un'eccessiva quantità di energia fotovoltaica che la rete non può assorbire.

Ottimizzazione dei metodi di connessione degli inversori

Per le centrali fotovoltaiche con più inversori, il metodo di connessione degli inversori deve essere ottimizzato. È necessario evitare di concentrare più inversori monofase su una singola fase, distribuendoli invece in modo equilibrato tra le tre fasi della rete per realizzare una connessione multi-punto. Ciò bilancia la corrente trifase e riduce l'instabilità e l'innalzamento della tensione causati da una corrente monofase eccessiva.

(2) Selezione, installazione e commissionamento delle apparecchiature: Utilizzo di cavi di alta qualità e cablaggio razionale

Nella costruzione di una centrale fotovoltaica, devono essere utilizzati cavi di alta qualità che soddisfano gli standard nazionali. Le specifiche e la sezione del cavo devono essere selezionate in base alla potenza di trasmissione effettiva e alla distanza.

Per la connessione a lunga distanza, è necessaria una sezione del cavo maggiore per ridurre l'impedenza della linea e la caduta di tensione.

Inoltre, il cablaggio deve essere razionale per evitare cavi eccessivamente lunghi, intrecciati o inutilmente piegati. Durante il cablaggio, possono essere utilizzati canali o tubi per proteggere e organizzare i cavi, assicurando il funzionamento sicuro dei cavi.

Ad esempio, in grandi impianti fotovoltaici, può essere adottata la disposizione dei cavi sotterranei, e le rotte dei cavi possono essere pianificate in modo razionale per ridurre la lunghezza e le intersezioni dei cavi, migliorando l'efficienza della trasmissione di energia e riducendo la probabilità di guasti di sovratensione.

Selezione e installazione accurata degli inversori

Nella selezione degli inversori, va data piena considerazione alle condizioni locali della rete. Devono essere scelti inversori con un ampio intervallo di adattamento alla tensione, protezione affidabile contro la sovratensione e alta efficienza di conversione dell'energia.

Durante l'installazione, è necessario assicurare un cablaggio AC corretto dell'inversore per evitare tensioni anomale causate dall'inversione dei fili di fase e neutro.

Configurazione e manutenzione razionale dei trasformatori

Devono essere selezionati trasformatori con buone prestazioni di regolazione della tensione per permettere un'aggiustamento tempestivo quando la tensione della rete fluttua. Inoltre, deve essere rafforzata la manutenzione e il monitoraggio giornaliero dei trasformatori. Parametri come i cambi di rapporto, gli avvolgimenti e i livelli di olio devono essere ispezionati regolarmente per garantire il funzionamento normale del trasformatore.

Per i trasformatori lontani dal punto di connessione alla rete, possono essere utilizzati cambi di rapporto a carico per realizzare un'aggiustamento in tempo reale della tensione di uscita del trasformatore tramite controllo remoto, assicurando che la tensione al punto di connessione alla rete rimanga all'interno del range normale.

(3) Monitoraggio operativo e strategie di regolazione intelligente: Creazione di un sistema di monitoraggio in tempo reale

Deve essere istituito un sistema di monitoraggio in tempo reale completo per la centrale fotovoltaica per monitorare in tempo reale i parametri della rete come tensione, corrente, potenza e frequenza. I sensori installati al punto di connessione alla rete, all'estremità di uscita dell'inversore e sui moduli fotovoltaici trasmettono i dati raccolti al centro di monitoraggio in tempo reale. Piattaforme di analisi dei big data e di cloud computing vengono utilizzate per analizzare e processare i dati di monitoraggio, consentendo la rilevazione tempestiva di anomalie come la sovratensione.

Ad esempio, impostando una soglia di allarme per la sovratensione, il sistema invia automaticamente un avviso quando la tensione della rete monitorata si avvicina o supera la soglia, ricordando al personale di manutenzione di prendere misure tempestive per prevenire i guasti.

Manutenzione regolare e risoluzione dei guasti

Deve essere formulato un piano di manutenzione regolare rigoroso per la centrale fotovoltaica per condurre ispezioni, manutenzioni e cure periodiche delle apparecchiature.

Lo stato operativo delle apparecchiature come inversori, moduli fotovoltaici, cavi e trasformatori deve essere verificato regolarmente per identificare e riparare tempestivamente i rischi di guasto potenziali. Durante la manutenzione, devono essere testati e registrati i parametri delle apparecchiature, e i dati storici devono essere confrontati per analizzare le tendenze operative delle apparecchiature e prevedere in anticipo i guasti potenziali.