სრული განცხადება ფოტოვოლტური ელექტროსადგურის შეზღუდული ძაბვის შეცდომის შესახებ: მიზეზები რისკები და სისტემური გადარჩენის სისტემები
I. რას ნიშნავს ქსელის დაბლოკირების ზედმეტი ძაბვა?
ქსელის ძაბვის ზედმეტი ძაბვა ხდება ელექტრო სისტემებში ან ცირკუიტებში, როდესაც ძაბვა გადააჭარბებს ნორმალურ დამუშავების დიაპაზონს.
ზოგადად, სართული სიხშირით, თუ AC ძაბვის RMS (Root Mean Square) მნიშვნელობა ამაღლდება რეიტინგული მნიშვნელობის 10% ზე და ეს მდგომარეობა გრძელდება მეტი ვარაუდ 1 წუთის, ამით შეიძლება დაფიქსირდეს ქსელის ძაბვის ზედმეტი ძაბვის დაბლოკირება.
მაგალითად, ჩინეთში ხშირად გამოყენებულ 380V სამფაზიან ქსელის სისტემაში, თუ ძაბვა აღემატება 418V-ს და ეს მდგომარეობა გრძელდება რაღაც პერიოდის განმავლობაში, შეიძლება დაინიშნოს ქსელის ძაბვის ზედმეტი ძაბვის დაბლოკირება.
ფოტოვოლტაიურ (PV) საერთაშორისო სადგურებში, ქსელში ჩასაშვები ინვერტორები უზრუნველყოფენ ქსელის ძაბვის რეალურ დროში მონიტორინგს.
ინვერტორები ჩვეულებრივ შეუთავსებენ მაღალი სიზუსტის ძაბვის სენსორებს რეალური დროში ქსელის ძაბვის სიგნალების შესაძლებლობის შესაძლებლობით. ეს სენსორები შეგიძლიათ გადაცენდეს შეკრებილი ძაბვის სიგნალები ინვერტორის კონტროლის სისტემას, რომელიც ანალიზირებს და დამუშავებს ეს სიგნალები, რათა დადგომა ქსელის ძაბვა შესაბამის დიაპაზონში არის თუ არა.
როდესაც ქსელის ძაბვა დაინიშნება გადააჭარბებს პრედეფინირებულ უსაფრთხო დიაპაზონს, ინვერტორი ただちに保護メカニズムを起動し、電網から切断して停止します。これにより、過電圧による設備の損傷を防ぎ、設備とオペレータの安全を確保します。
また、一部の大規模なPV発電所では、専用の電力品質監視装置が設置されており、様々な電網パラメータの包括的かつリアルタイムの監視を行うことができます。これにより、電圧の過電圧などの電力品質問題を時宜に適した検出と対処が可能です。
II. 過電圧障害の原因
(1) ライン要因：ケーブルインピーダンスの影響
インバーターと電網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、抵抗値が高くなります。オームの法則（U = I×R）によれば、一定の電流において、抵抗値が高いほど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上昇させます。
長すぎるケーブルも同様に抵抗値を増加させ、類似の電圧上昇問題を引き起こします。例えば、遠隔地のPV発電所で、電網接続点が遠くにある場合、不適切な仕様のケーブルを使用すると、ケーブルインピーダンスが大きすぎて、電圧の過電圧障害を引き起こしやすいです。
ケーブルが絡まると、インダクタンスが増加します。交流回路において、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、電圧の過電圧を引き起こす可能性があります。
配線誤り
PV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（例えば、中性線をライブワイヤーに接続するなど）、異常な電圧が発生します。これは、インバータが実際の電網電圧とは異なる電圧を検出し、過電圧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、電網側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、回路の電気性能を損ない、一時的にインバータの電圧を上昇させ、電圧の過電圧障害を引き起こします。
(2) 電網構造および負荷要因：電網容量と負荷吸収の矛盾
特に遠隔農村地域や電網インフラが未発達な地域では、電網の負荷吸収能力が制限されています。同じ配電区域内に設置されたPV容量が大きすぎる場合、大量のPV発電電力を電網に供給します。電網がこの電力をタイムリーかつ効率的に吸収できない場合、電網電圧が上昇します。
トランスフォーマ関連の問題
トランスフォーマは、電網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：
トランスフォーマが電網接続点から遠い場合、その出力電圧は通常、線路での電圧降下を補うために上げられます。これにより、トランスフォーマから遠い地域での正常な電圧を確保できますが、トランスフォーマ近くの電網接続点での過電圧を引き起こす可能性があります。
不適切なトランスフォーマのタップ設定や運転上の故障（例えば、タップチェンジャーの接触不良など）は、トランスフォーマの巻線比に影響を与え、出力電圧の異常な上昇を引き起こし、電網電圧の過電圧障害を引き起こします。
(3) インバータ関連の要因：初期設定と運転上の故障
インバータは、工場出荷時にデフォルトの電圧保護範囲を持っています。実際の応用において、このプリセット範囲が現地の電網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、電網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すぎると、インバータは頻繁に過電圧障害を報告します。
長期運用中に、インバータはハードウェアの故障（例えば、電圧サンプリング回路の破損、制御基板の故障など）を経験することがあります。これらの故障により、インバータは電網電圧を正確に検出できず、過電圧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。
複数のインバータ接続の問題
大規模なPV発電所では、多くの場合、複数のインバータが同時に電網に接続されます。単相インバータが一つのフェーズに集中すると、そのフェーズの電流が過剰になり、電網電圧のアンバランスを引き起こし、そのフェーズの電圧が上昇します。
III. 過電圧障害がPV発電所と電網に及ぼす危害
(1) PV発電所設備への損害：インバータ障害のリスク増大
電網電圧が過電圧になると、インバータ内部の電子部品は定格値を超える電圧を受けることになり、部品の劣化を加速させたり、直接的な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、Insulated Gate Bipolar Transistorsなど）は、過電圧条件下でのオン・オフ時に電圧ストレスが増加し、ブレイクダウンしやすく、インバータが動作不能になる可能性があります。
また、過電圧はインバータの制御回路に障害を引き起こし、出力電圧と電流を精密に制御する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る可能性があります。
PVモジュールの寿命短縮
過度に高い電網電圧は、インバータを通じてPVモジュール側にフィードバックされ、モジュールの動作電圧が上がります。長期にわたって高電圧下で動作すると、モジュール内部の半導体材料の性能が変化し、ホットスポットや微小クラックなどの問題が発生する可能性があります。
(2) 電網安定性への影響：電力品質の悪化
電網電圧の過電圧は、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、これにより電網電圧がさらに乱れ、悪循環が生じます。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出力制限運転
インバータが電網電圧の過電圧を検出した場合、保護のために停止したり、出力を制限して動作したりします。インバータの停止により、PV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
過電圧障害によってPV発電所の設備（インバータやPVモジュールなど）が損傷した場合は、時宜に修理や交換が必要です。これにより短期的な修理コストだけでなく、将来の設備の寿命が短くなるため、より頻繁な設備の交換が必要となり、長期的なO&Mコストが増加します。
IV. 過電圧障害に対する有効な解決策
(1) 建設前の計画と設計最適化：電網の総合的な調査と評価
PV発電所の建設前段階では、現地の電網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。電網構造、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、専門的な電力分析ソフトウェアを使用して、接続後のPV発電所が電網に与える潜在的な影響をシミュレーションと分析します。
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PV設置容量、接続位置、接続方法における電網電圧の変化をシミュレーションすることができます。これにより、最も合理的なPV発電所建設計画を決定し、電網接続点での健全な電圧を確保し、過電圧障害のリスクを源から低減することができます。
PV設置容量の合理的な計画
電網の負荷吸収能力とトランスフォーマ容量に基づいて、PV発電所の設置容量を合理的に計画する必要があります。同一配電区域内にPV設備を過度に集中させることなく、電網が吸収できない過剰なPV発電電力によって引き起こされる電圧上昇を防止します。
インバータ接続方法の最適化
複数のインバータを持つPV発電所では、インバータの接続方法を最適化する必要があります。単一のフェーズに複数の単相インバータを集中させず、三相の電網フェーズに均等に分散させて多点接続を実現することで、三相電流のバランスを保ち、単一のフェーズ電流による電圧アンバランスと上昇を低減します。
(2) 設備選択、設置、および試運転規格：高品質ケーブルの使用と合理的な配線
PV発電所の建設において、国際基準に適合する高品質のケーブルを使用する必要があります。ケーブルの仕様と断面積は、実際の送電電力と距離に基づいて選択する必要があります。
長距離の電網接続には、線路インピーダンスと電圧降下を低減するために、大きな断面積のケーブルが必要です。
同時に、配線は合理的に行われ、長すぎたり、絡まったり、不必要に曲がったケーブルを避ける必要があります。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、ケーブルの安全な動作を確保します。
例えば、大規模なPV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的に計画することで、ケーブルの長さと交差を減らし、送電効率を向上させ、過電圧障害の確率を低減することができます。
正確なインバータ選択と設置
インバータを選択する際には、現地の電網条件を十分に考慮する必要があります。広い電圧適用範囲、信頼性の高い過電圧保護、および高効率の電力変換機能を持つインバータを選択する必要があります。
設置時には、インバータのAC配線が正しく行われるよう注意し、中性線とライン線の取り違えによる電圧異常を避ける必要があります。
トランスフォーマの合理的な構成と保守
良好な電圧調整性能を持つトランスフォーマを選択し、電網電圧の変動時に即座に対応できるようにする必要があります。同時に、トランスフォーマの日常的な保守と監視を強化し、タップチェンジャー、巻線、油レベルなどのトランスフォーマパラメータを定期的に点検して、トランスフォーマの正常な動作を確保する必要があります。
電網接続点から遠いトランスフォーマに対しては、オンロードタップチェンジャーを使用して、リモートコントロールを通じてトランスフォーマ出力電圧をリアルタイムで調整し、電網接続点での電圧が正常範囲内に保たれるようにすることができます。
(3) 運用監視と知的制御戦略：リアルタイム監視システムの構築
PV発電所には、電圧、電流、電力、周波数などの電網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する必要があります。電網接続点、インバータ出力端子、およびPVモジュー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。ビッグデータ分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、過電圧などの異常をタイムリーに検出することができます。
例えば、過電圧の早期警戒閾値を設定することで、監視中の電網電圧が閾値に近づいたり超えたりしたときに、システムは自動的にアラートを送信し、O&M担当者がタイムリーに対策を講じて障害を防止することを思い出させることができます。
定期的な保守と故障トラブルシューティング
PV発電所には、定期的な保守計画を厳格に策定し、設備の定期的な点検、保守、メンテナンスを行う必要があります。
インバータ、PVモジュール、ケーブル、トランスフォーマなどの設備の動作状態を定期的に確認し、潜在的な故障リスクをタイムリーに特定し、修復する必要があります。保守中に設備のパラメータをテストし記録し、過去のデータと比較して設備の動作傾向を分析し、事前に潜在的な故障を予測することができます。
