太陽光発電所の過電圧障害に関する完全ガイド：原因、リスク、およびシステム的な解決策

I. グリッド電圧オーバーボルト障害とは何か？

グリッド電圧オーバーボルトとは、電力システムまたは回路で電圧が通常の動作範囲を超える現象を指します。

一般的に、商用周波数下で交流電圧の有効値が定格値の10%以上上昇し、その状態が1分以上続く場合、グリッド電圧オーバーボルト障害と判断されます。

例えば、中国の一般的な380V三相グリッドシステムでは、電圧が418Vを超えて一定期間続くと、グリッド電圧オーバーボルト障害が発生する可能性があります。

太陽光発電所では、並網インバータがグリッド電圧のリアルタイム監視を担当しています。

インバータは通常、高精度の電圧センサーを装備して、リアルタイムのグリッド電圧信号を収集します。これらのセンサーは収集した電圧信号をインバータの制御システムに送信し、信号を分析・処理してグリッド電圧が指定された範囲内にあるかどうかを判定します。

グリッド電圧が設定された安全範囲を超えたことが検出されると、インバータはすぐに保護メカニズムを起動し、停止してグリッドから切断することで、過電圧による設備の損傷を防ぎ、設備と作業者の安全性を確保します。

また、一部の大規模な太陽光発電所では、専用の電力品質監視装置が設置されており、様々なグリッドパラメータを包括的かつリアルタイムに監視し、電圧オーバーボルトなどの電力品質問題を早期に検出し対処することができます。

II. 電圧オーバーボルト障害の原因

(1) 線路要因：ケーブルインピーダンスの影響

インバータとグリッド接続点間のケーブルは、電力伝送において重要な役割を果たします。

ケーブルが細すぎると抵抗が増加します。オームの法則（U = I×R）によれば、電流が一定の場合、抵抗が高くなると電圧降下が大きくなり、これがインバータ側の交流出力電圧を引き上げます。

長すぎるケーブルも抵抗を増加させ、同様の電圧上昇問題を引き起こします。例えば、遠隔地の太陽光発電所でグリッド接続点が遠い場合、適切な規格のケーブルを使用しないと、ケーブルインピーダンスが大きすぎて電圧オーバーボルト障害を引き起こす可能性があります。

ケーブルが絡まった場合、インダクタンスが増加します。交流回路では、インダクタンスは電流の流れを妨げ、さらに電圧分布を乱し、電圧オーバーボルトを引き起こす可能性があります。

配線エラー

太陽光発電所の初期設置時に、ACケーブルの配線が間違っている場合（例：中性線をホットワイヤーに接続）、異常な電圧が発生します。これにより、インバータが実際のグリッド電圧と一致しない電圧を検出し、オーバーボルト保護メカニズムをトリガーする可能性があります。

インバータが一定期間動作した後、グリッド側のケーブルの接続が緩んだり不良になったりすると接触抵抗が増加します。ジュールの法則（Q = I²Rt、ここでQは熱、Iは電流、Rは抵抗、tは時間）によれば、接触抵抗が高いほど熱が発生し、局所的な温度上昇を引き起こします。これは線路の電気性能を損なう結果となり、インバータでの一時的な電圧上昇を引き起こし、電圧オーバーボルト障害をトリガーします。

(2) グリッド構造と負荷要因：グリッド容量と負荷吸収の衝突

特に遠隔農村地域やグリッドインフラが未発達な地域では、グリッドの負荷吸収能力が限られています。同じ供給区域内で設置された太陽光発電容量が大きすぎる場合、大量の太陽光発電電力がグリッドに供給されます。グリッドがこの電力を適切かつ迅速に吸収できない場合、グリッド電圧が上昇します。

変圧器関連の問題

変圧器は、グリッドにおける電圧変換と電力分配において重要な役割を果たします：

変圧器がグリッド接続点から遠い場合、線路電圧損失を補償し、変圧器から遠い地域でも正常な電圧を確保するために、出力電圧が通常上昇させられます。しかし、これにより変圧器近くのグリッド接続点で電圧が過剰になることがあります。

不適切な変圧器タップ設定や操作上の故障（例：タップチェンジャーの接触不良）は、変圧器の巻き比に影響を与え、出力電圧が異常に上昇し、グリッド電圧オーバーボルト障害を引き起こす可能性があります。

(3) インバータ関連の要因：初期設定と操作上の故障

インバータは、デフォルトの電圧保護範囲で出荷されます。実際の応用では、このプリセット範囲が実際のローカルグリッド条件と一致しない場合、誤判定が発生する可能性があります。例えば、グリッド電圧が正常範囲内で変動しているにもかかわらず、インバータの電圧保護しきい値が低く設定されている場合、インバータは頻繁にオーバーボルト障害を報告します。

長期運用中に、インバータはハードウェア故障（例：電圧サンプリング回路の損傷、制御ボードの故障）を経験することがあります。これらの故障により、インバータはグリッド電圧を正確に検出できず、オーバーボルト保護メカニズムが誤って起動し、インバータが停止します。

多インバータ接続の問題

大規模な太陽光発電所では、複数のインバータが同時にグリッドに接続されることが多いです。複数の単相インバータが一つの相に集中すると、その相の電流が過剰になり、グリッド電圧のバランスが崩れ、その相の電圧が上昇します。

III. 電圧オーバーボルト障害が太陽光発電所とグリッドに及ぼす危害

(1) 太陽光発電所設備への損傷：インバータ故障のリスク増加

グリッド電圧がオーバーボルトになると、インバータ内の電子部品は定格値を超える電圧を受けることになり、部品の劣化を加速したり、直接損傷を引き起こす可能性があります。

例えば、インバータ内のパワー切り替えデバイス（IGBTなど）は、オーバーボルト条件下でオン・オフ時の電圧ストレスが増加し、破壊されやすくなります。これにより、インバータが動作不能になります。

さらに、オーバーボルトはインバータの制御回路に故障を引き起こし、出力電圧と電流の精密な制御能力を損なう可能性があり、インバータの性能と信頼性をさらに低下させます。

太陽光パネル寿命の短縮

非常に高いグリッド電圧は、インバータを通じて太陽光パネル側にフィードバックされ、パネルの動作電圧を引き上げます。長期間にわたる高電圧下での太陽光パネルの動作は、内部半導体材料の性能を変化させ、ホットスポットや微小亀裂などの問題を引き起こす可能性があります。

(2) グリッド安定性への影響：電力品質の悪化

グリッド電圧オーバーボルトは電力品質を悪化させ、高調波汚染を引き起こします。電圧が正常範囲を超えると、電力システム内の非線形負荷が追加の高調波電流を生成し、これがさらにグリッド電圧を乱し、悪循環を作ります。高調波は電気設備の発熱を増加させ、寿命を短縮し、通信システムの正常な動作を妨げる可能性があり、電力システム全体の安定性を損ないます。

(3) 発電量の損失と経済的利益の減少：インバータの停止と減額運転

インバータがグリッド電圧オーバーボルトを検出した場合、保護のために停止するか、減額運転して設備の安全性を確保します。インバータの停止により、太陽光発電所は完全に発電を停止し、直接的な発電量の損失が発生します。

長期的な運用保守（O&M）コストの増加

電圧オーバーボルト障害によって太陽光発電所の設備（インバータや太陽光パネルなど）が損傷した場合、適切な修理と交換が必要です。これにより、短期的な修理コストが増加し、また、寿命が短縮されたため将来的にはより頻繁な設備交換が必要となり、長期的なO&Mコストが増加します。

IV. 電圧オーバーボルト障害に対する効果的な解決策

(1) 建設前の計画と設計最適化：グリッドの総合的な調査と評価

太陽光発電所の建設前段階では、現地のグリッドについて総合的かつ詳細な調査と評価を行う必要があります。グリッド構造、容量、負荷状況、電圧変動範囲などの主要パラメータを十分に理解し、専門的な電力解析ソフトウェアを使用して、接続後の太陽光発電所がグリッドに与える潜在的な影響をシミュレーションおよび分析します。

例えば、PSCAD（Power System Computer-Aided Design）やETAP（Electrical Transient Analyzer Program）などのツールを使用して、異なる太陽光発電容量、接続場所、接続方法でのグリッド電圧の変化をシミュレーションできます。これにより、最も合理的な太陽光発電所建設計画を決定し、グリッド接続点での健全な電圧を確保し、電圧オーバーボルト障害のリスクを根本的に低減することができます。

太陽光発電容量の合理的な計画

グリッドの負荷吸収能力と変圧器容量に基づいて、太陽光発電所の設置容量を合理的に計画します。同じ供給区域内で太陽光設備が過度に集中しないようにすることで、グリッドが吸収できない過剰な太陽光発電電力による電圧上昇を防ぎます。

インバータ接続方法の最適化

複数のインバータを持つ太陽光発電所では、インバータの接続方法を最適化します。単相インバータを一つの相に集中させず、三相のグリッドに均等に分散させて、多点接続を実現します。これにより、三相電流のバランスを保ち、過剰な単相電流による電圧の不平衡と上昇を減らします。

(2) 設備選定、設置、調整仕様：高品質ケーブルの使用と合理的な配線

太陽光発電所の建設では、国際標準を満たす高品質のケーブルを使用します。ケーブルの規格と断面積は、実際の伝送電力と距離に基づいて選択します。

長距離のグリッド接続では、線路インピーダンスと電圧降下を減らすために、より大きなケーブル断面積が必要です。

また、配線は合理化して、長すぎる、絡まった、または不要に曲がったケーブルを避けるべきです。配線時にはケーブルトレイやダクトを使用してケーブルを保護し整理し、ケーブルの安全な運用を確保します。

例えば、大規模な太陽光発電所では、地下ケーブル敷設を採用し、ケーブルルートを合理化することで、ケーブル長と交差を減らし、電力伝送効率を向上させ、電圧オーバーボルト障害の確率を下げることができます。

正確なインバータの選定と設置

インバータを選定する際には、現地のグリッド条件を十分に考慮する必要があります。広い電圧適応範囲、信頼性のあるオーバーボルト保護機能、および高効率の電力変換機能を持つインバータを選択します。

設置時には、インバータのAC配線が正しく行われていることを確認し、中性線とホットワイヤーを入れ替えるなどの電圧異常を防ぎます。

合理的な変圧器の構成とメンテナンス

良好な電圧調整性能を持つ変圧器を選択し、グリッド電圧が変動したときに適時調整できるようにします。また、日常的な変圧器のメンテナンスとモニタリングを強化します。タップチェンジャー、巻線、油レベルなどの変圧器パラメータを定期的に点検し、変圧器の正常な動作を確保します。

グリッド接続点から遠い変圧器では、オンロードタップチェンジャーを使用して、リモート制御により変圧器の出力電圧をリアルタイムで調整し、グリッド接続点での電圧が正常範囲内に保たれるようにします。

(3) 運用監視と知能制御戦略：リアルタイム監視システムの構築

太陽光発電所には、電圧、電流、電力、周波数などのグリッドパラメータをリアルタイムで監視する包括的なリアルタイム監視システムを構築します。グリッド接続点、インバータ出力端子、太陽光パネルに設置されたセンサーは、収集したデータをリアルタイムで監視センターに送信します。ビッグデータ解析とクラウドコンピューティングプラットフォームを使用して監視データを分析・処理し、電圧オーバーボルトなどの異常をタイムリーに検出します。

例えば、電圧オーバーボルトの早期警告閾値を設定し、監視中のグリッド電圧が閾値に近づいたり超えたりすると、システムが自動的にアラートを送信し、O&Mスタッフがタイムリーに対処して障害を防止することを促します。

定期的なメンテナンスと故障トラブルシューティング

太陽光発電所に対して厳格な定期的なメンテナンス計画を策定し、設備の定期的な点検、メンテナンス、保守を行います。

インバータ、太陽光パネル、ケーブル、変圧器などの設備の動作状態を定期的にチェックし、潜在的な故障リスクをタイムリーに特定し修理します。メンテナンス時には、設備のパラメータをテストし記録し、履歴データを比較して設備の動作傾向を分析し、潜在的な故障を事前に予測します。