Een Volledige Gids voor Overspanningsfouten in PV-zonneparken: Oorzaken Risico's en Systematische Oplossingen

I. Wat is een netstroom overvoltage fout?

Netstroom overvoltage verwijst naar een fenomeen in elektriciteitsnetwerken of circuits waarbij de spanning het normale werkbereik te boven gaat.

Over het algemeen, bij netfrequentie, als de effectieve waarde (Root Mean Square) van de wisselspanning meer dan 10% boven de nominale waarde stijgt en dit langer dan 1 minuut aanhoudt, kan dit worden beschouwd als een netstroom overvoltage fout.

Bijvoorbeeld, in China's veelvoorkomend 380V driedefase netwerk, als de spanning 418V overschrijdt en gedurende een bepaalde periode aanhoudt, kan dit een netstroom overvoltage fout veroorzaken.

In fotovoltaïsche (PV) energiecentrales zijn grid-gekoppelde omvormers verantwoordelijk voor de real-time monitoring van de netspanning.

Omvormers zijn meestal uitgerust met hoogwaardige spansors om real-time netspanningsignalen te verzamelen. Deze sensors zenden de verzamelde spansignaal naar het besturingssysteem van de omvormer, dat de signalen analyseert en verwerkt om te bepalen of de netspanning binnen het gespecificeerde bereik ligt.

Zodra de netspanning wordt gedetecteerd boven het ingestelde veiligheidsbereik, activeert de omvormer onmiddellijk een beschermingsmechanisme, sluit af en koppelt zich los van het net om schade aan apparatuur door overvoltage te voorkomen en de veiligheid van zowel apparatuur als bedieners te waarborgen.

Daarnaast worden in sommige grote PV-energiecentrales speciale kwaliteitsmonitoringapparatuur geïnstalleerd om diverse netparameters volledig en in real-time te monitoren, waardoor stroomkwaliteitsproblemen zoals overvoltage op tijd kunnen worden gedetecteerd en afgehandeld.

II. Oorzaken van overvoltage fouten

(1) Leidingfactoren: Invloed van kabelimpedantie

Kabels tussen de omvormer en het aansluitpunt op het net spelen een belangrijke rol in de stroomoverdracht.

Als de kabel te dun is, neemt de weerstand toe. Volgens Ohm's wet (U = I×R), met constante stroom, leidt hogere weerstand tot grotere spanningdaling, wat op zijn beurt de wisselspanning aan de omvormerkant verhoogt.

Te lange kabels vergroten ook de weerstand, wat soortgelijke spanningverhogingen veroorzaakt. Bijvoorbeeld, in PV-energiecentrales in afgelegen gebieden waar het aansluitpunt ver weg is, kan het gebruik van kabels met ongeschikte specificaties gemakkelijk leiden tot overvoltage fouten door te hoge kabelimpedantie.

Als kabels verward raken, neemt hun inductie toe. In wisselstroomcircuits verhindert inductie de stroomtoevoer, wat de spanningverdeling verder verstoort en potentiële overvoltage kan veroorzaken.

Bedradingfouten

Tijdens de initiële installatie van een PV-energiecentrale kan foute bedrading van AC-kabels (bijvoorbeeld, het neutrale terminal aansluiten op de live draad) abnormale spanning veroorzaken. Dit kan ertoe leiden dat de omvormer een spanning detecteert die niet overeenkomt met de echte netspanning, waardoor het overvoltage beschermingsmechanisme wordt geactiveerd.

Na een periode van operatie, kan losse of slechte verbindingen in de netzijde kabels de contactweerstand verhogen. Volgens Joule's wet (Q = I²Rt, waarbij Q hitte is, I stroom, R weerstand en t tijd), produceert hogere contactweerstand meer hitte, wat leidt tot lokale temperatuurstijging. Dit vermindert de elektrische prestaties van de lijn, veroorzaakt een tijdelijke spanningsverhoging in de omvormer en activeert een overvoltage fout.

(2) Netstructuur en belastingsfactoren: Conflict tussen netcapaciteit en belastingsabsorptie

In sommige regio's, vooral in afgelegen landelijke gebieden of gebieden met onderontwikkelde netinfrastructuur, is de belastingsabsorptiecapaciteit van het net beperkt. Wanneer de geïnstalleerde PV-capaciteit in hetzelfde distributiegebied te groot is, wordt er een grote hoeveelheid PV-geneerde stroom in het net ingevoerd. Als het net deze stroom niet op tijd en efficiënt kan absorberen, zal de netspanning stijgen.

Transformergerelateerde problemen

Transformators spelen een cruciale rol in spanningsoverschakeling en stroomdistributie in het net:

Als de transformator ver van het aansluitpunt op het net is, wordt de uitgangsspanning meestal verhoogd om de spanningverlies in de lijn te compenseren en ervoor te zorgen dat de spanning in gebieden ver van de transformator normaal blijft. Dit kan echter leiden tot te hoge spanning op het aansluitpunt dicht bij de transformator.

Onredelijke instellingen van de transformatortap of operationele fouten (bijvoorbeeld, slecht contact van de tapchanger) kunnen de spoelverhouding van de transformator beïnvloeden, wat leidt tot abnormale verhoging van de uitgangsspanning en het activeren van een netstroom overvoltage fout.

(3) Omvormergerelateerde factoren: Initiele instellingen en operationele fouten

Omvormers verlaten de fabriek met een standaardspanningsbeschermingsbereik. In praktische toepassingen, als dit ingestelde bereik niet overeenkomt met de daadwerkelijke lokale netcondities, kan er een misrekening optreden. Bijvoorbeeld, als de netspanning binnen een normaal bereik fluctueert, maar de spanningsbeschermingdrempel van de omvormer te laag is ingesteld, zal de omvormer vaak overvoltage fouten melden.

Tijdens langdurige exploitatie kunnen omvormers hardwarefouten ontwikkelen (bijvoorbeeld, beschadigde spansamplingcircuits, defecte controleborden). Deze fouten veroorzaken onnauwkeurige detectie van de netspanning door de omvormer, wat leidt tot onjuiste activering van het overvoltage beschermingsmechanisme en uitschakeling van de omvormer.

Problemen met multi-omvormeraansluiting

In grote PV-energiecentrales worden vaak meerdere omvormers gelijktijdig aan het net gekoppeld. Als meerdere enkelefase omvormers op één fase worden geconcentreerd, zal de stroom op die fase te hoog zijn, wat leidt tot netspanningsonevenwichtigheid en verhoogt de spanning op die fase.

III. Gevaren van overvoltage fouten voor PV-energiecentrales en het net

(1) Schade aan PV-energiecentrale apparatuur: Verhoogd risico op omvormerfouten

Wanneer de netspanning overvoltage heeft, dragen de elektronische componenten binnen de omvormer spanning boven hun nominale waarde, wat de ouderdom versnelt of zelfs directe schade veroorzaakt.

Bijvoorbeeld, stroomschakelapparatuur in omvormers (zoals IGBT's, Insulated Gate Bipolar Transistors) ervaart verhoogde spanningstress tijdens het inschakelen en uitschakelen onder overvoltage, waardoor ze vatbaar zijn voor doorbraak en de omvormer onbruikbaar maken.

Bovendien kan overvoltage fouten in het besturingssysteem van de omvormer veroorzaken, wat de mogelijkheid om de uitgangsspanning en -stroom nauwkeurig te controleren vermindert en de prestaties en betrouwbaarheid van de omvormer verder reduceert.

Verkorte levensduur van PV-modules

Te hoge netspanning kan via de omvormer teruggevoerd worden naar de PV-module zijde, wat de werkspanning van de modules verhoogt. Langdurige werking van PV-modules onder hoge spanning kan de prestaties van de interne halfgeleidermaterialen wijzigen, wat problemen zoals hotspots en microbarsten veroorzaakt.

(2) Impact op netstabiliteit: Verlaagde stroomkwaliteit

Netspanning overvoltage degradeert de stroomkwaliteit en veroorzaakt harmonische vervuiling. Wanneer de spanning het normale bereik overschrijdt, genereren niet-lineaire belastingen in het elektriciteitsnet extra harmonische stromen, die op hun beurt de netspanning verder verstoren, wat een vicieuze cirkel creëert. Harmonischen verhogen de warmteopwekking in elektrisch materiaal, verlagen de levensduur en kunnen de normale werking van communicatiesystemen verstoren, wat de algehele stabiliteit van het elektriciteitsnet ondermijnt.

(3) Vermindering van stroomproductie en verminderde economische voordelen: Uitschakeling van de omvormer en verminderde werking

Wanneer een omvormer netspanning overvoltage detecteert, schakelt hij uit voor bescherming of werkt hij met verminderde capaciteit om de veiligheid van de apparatuur te waarborgen. De uitschakeling van de omvormer zorgt ervoor dat de PV-energiecentrale helemaal ophoudt met stroom genereren, wat leidt tot directe stroomverlies.

Toegenomen kosten voor langdurige bedrijfsvoering en onderhoud (O&M)

Schade aan PV-energiecentrale apparatuur (bijvoorbeeld, omvormers en PV-modules) veroorzaakt door overvoltage fouten vereist tijdige reparatie en vervanging. Dit verhoogt niet alleen de kortetermijnreparatiekosten, maar vereist ook vaker vervanging van apparatuur in de toekomst vanwege de verkorte levensduur, wat de langetermijn O&M-kosten verhoogt.

IV. Effectieve oplossingen voor overvoltage fouten

(1) Voorbereidend plannen en ontwerpoptimalisatie: Comprehensieve netonderzoek en -evaluatie

In de voorbereidende fase van een PV-energiecentrale moet een grondig en gedetailleerd onderzoek en evaluatie van het lokale net worden uitgevoerd. Belangrijke parameters zoals netstructuur, capaciteit, belastingscondities en spanningfluctuatierange moeten grondig worden begrepen. Professioneel stroomanalyse software moet worden gebruikt om de mogelijke impact van de PV-energiecentrale op het net na aansluiting te simuleren en analyseren.

Bijvoorbeeld, tools zoals PSCAD (Power System Computer-Aided Design) of ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) kunnen netspanningswijzigingen simuleren onder verschillende PV-geïnstalleerde capaciteiten, aansluitlocaties en aansluitmethoden. Dit helpt om het meest redelijke PV-energiecentrale bouwplan te bepalen, gezonde spanning op het aansluitpunt te garanderen en het risico op overvoltage fouten op de bron te verkleinen.

Rationeel plannen van PV-geïnstalleerde capaciteit

Op basis van de belastingsabsorptiecapaciteit en de transformatorcapaciteit moet de geïnstalleerde capaciteit van de PV-energiecentrale rationeel worden gepland. Vermijd het te veel concentreren van PV-apparatuur in hetzelfde distributiegebied om spanningverhoging te voorkomen veroorzaakt door te veel PV-stroom die het net niet kan absorberen.

Optimalisatie van omvormeraansluitmethoden

Voor PV-energiecentrales met meerdere omvormers moet de aansluitmethode van de omvormers worden geoptimaliseerd. Vermijd het concentreren van meerdere enkelefase omvormers op één fase, verdeel ze gelijkmatig over de drie netfasen om multipunt aansluiting te realiseren. Dit evenwicht de driefase stroom en vermindert spanningonevenwichtigheid en verhoging veroorzaakt door te veel enkelefase stroom.

(2) Apparaatselectie, installatie en inbedrijfstellingsspecificaties: Gebruik van hoogwaardige kabels en rationele bedrading

Bij de bouw van PV-energiecentrales moeten hoogwaardige kabels die voldoen aan nationale normen worden gebruikt. Kabelspecificaties en doorsnede moeten worden geselecteerd op basis van de daadwerkelijke transmissiekracht en afstand.

Voor langafstandsnetverbinding is een grotere kabeldoorsnede vereist om de lijnimpedantie en spanningdaling te verkleinen.

Tegelijkertijd moet de bedrading rationeel zijn om te voorkomen dat de kabels te lang, verward of onnodig gebogen zijn. Tijdens de bedrading kunnen kabelbakken of -buizen worden gebruikt om de kabels te beschermen en te organiseren, waardoor veilige kabelaanleg wordt gewaarborgd.

Bijvoorbeeld, in grote PV-energiecentrales kan ondergrondse kabelaanleg worden toegepast, en kabelroutes rationeel worden gepland om de kabellengte en kruisingen te verkleinen, waardoor de transmissieefficiëntie wordt verbeterd en de kans op overvoltage fouten wordt verlaagd.

Accurate selectie en installatie van omvormers

Bij de selectie van omvormers moet rekening worden gehouden met de lokale netcondities. Kies omvormers met een breed spanningaanpassingsbereik, betrouwbare overvoltage bescherming en hoge energieomzettingsrendement.

Tijdens de installatie moet de juiste AC-bedrading van de omvormer worden gegarandeerd om spanningabnormaliteiten te voorkomen door de fase- en neutrale draden te verwisselen.

Rationele configuratie en onderhoud van transformators

Transformators met goede spanningregelingsprestaties moeten worden geselecteerd om tijdige aanpassing mogelijk te maken wanneer de netspanning fluctueert. Tegelijkertijd moet het dagelijkse onderhoud en de monitoring van transformators worden versterkt. Transformatorparameters zoals tapchangers, windingen en oliepeil moeten regelmatig worden gecontroleerd om normale transformatorfunctie te garanderen.

Voor transformators ver van het aansluitpunt op het net kunnen belaste tapchangers worden gebruikt om de uitgangsspanning van de transformator in real-time te regelen via externe bediening, waardoor de spanning op het aansluitpunt binnen het normale bereik blijft.

(3) Operationele monitoring en intelligente regelstrategieën: Opzetten van een real-time monitoringsysteem

Er moet een volledig real-time monitoringsysteem worden opgezet voor de PV-energiecentrale om netparameters zoals spanning, stroom, vermogen en frequentie in real-time te bewaken. Sensoren die op het aansluitpunt, de uitgang van de omvormer en de PV-modules zijn geïnstalleerd, verzenden de verzamelde gegevens in real-time naar het monitoringscentrum. Big data-analyse en cloudcomputing-platforms worden gebruikt om de monitoringsgegevens te analyseren en te verwerken, waardoor anomaliteiten zoals overvoltage tijdig kunnen worden gedetecteerd.

Bijvoorbeeld, door een vroegwaarschuwingdrempel in te stellen voor overvoltage, stuurt het systeem automatisch een waarschuwing wanneer de bewaakte netspanning nadert of de drempel overschrijdt, waarmee O&M-personeel op tijd wordt gewaarschuwd om maatregelen te nemen om fouten te voorkomen.

Regelmatig onderhoud en foutopsporing

Er moet een strikt regelmatig onderhoudsplan worden opgesteld voor de PV-energiecentrale om regelmatig inspecties, onderhoud en onderhoud van apparatuur uit te voeren.

De werking van apparatuur zoals omvormers, PV-modules, kabels en transformators moet regelmatig worden gecontroleerd om potentiële foutenrisico's op tijd te identificeren en te herstellen. Tijdens het onderhoud moeten apparatuurparameters worden getest en vastgelegd, en historische gegevens moeten worden vergeleken om de werkingstrends van apparatuur te analyseren en potentiële fouten vooraf te voorspellen.