Pełny przewodnik po nadmiarowym napięciu w elektrowni fotowoltaicznej: przyczyny ryzyka i systematyczne rozwiązania

I. Co to jest awaria przepięcia napięcia w sieci?

Przepięcie napięcia w sieci odnosi się do zjawiska w systemach energetycznych lub obwodach, gdzie napięcie przekracza normalny zakres pracy.

Ogólnie, przy częstotliwości sieciowej, jeśli wartość skuteczna (RMS) napięcia przemiennego wzrośnie o więcej niż 10% powyżej wartości nominalnej i utrzyma się przez ponad 1 minutę, można określić to jako awarię przepięcia napięcia w sieci.

Na przykład, w chińskim powszechnym systemie trójfazowym 380V, jeśli napięcie przekroczy 418V i utrzyma się przez pewien czas, może to wywołać awarię przepięcia napięcia w sieci.

W elektrowniach fotowoltaicznych (PV), inwertery gridowe są odpowiedzialne za monitorowanie w czasie rzeczywistym napięcia w sieci.

Inwertery są zwykle wyposażone w wysokiej klasy czujniki napięcia do zbierania sygnałów napięcia w sieci w czasie rzeczywistym. Te czujniki przesyłają zebrane sygnały napięcia do systemu sterowania inwertera, który analizuje i przetwarza sygnały, aby określić, czy napięcie w sieci mieści się w określonym zakresie.

Gdy napięcie w sieci zostanie wykryte jako przekraczające ustawiony bezpieczny zakres, inwerter natychmiast aktywuje mechanizm ochronny, wyłączy się i odłączy od sieci, aby zapobiec uszkodzeniom sprzętu spowodowanym przepięciem napięcia i zapewnić bezpieczeństwo zarówno sprzętu, jak i operatorów.

Dodatkowo, w niektórych dużych elektrowniach PV, montowane są dedykowane urządzenia do monitorowania jakości energii, które umożliwiają kompleksowe i w czasie rzeczywistym monitorowanie różnych parametrów sieci, co pozwala na szybkie wykrywanie i rozwiązywanie problemów z jakością energii, takich jak przepięcie napięcia.

II. Przyczyny awarii przepięcia napięcia

(1) Czynniki związane z liniami: Wpływ impedancji kabla

Kable między inwerterem a punktem połączenia z siecią odgrywają kluczową rolę w transmisji energii.

Jeśli kabel jest zbyt cienki, jego opór wzrasta. Zgodnie z prawem Ohma (U = I×R), przy stałej wartości prądu, wyższy opór prowadzi do większego spadku napięcia, co z kolei zwiększa napięcie wyjściowe AC po stronie inwertera.

Zbyt długie kable również zwiększają opór, powodując podobne problemy z podwyższonym napięciem. Na przykład, w elektrowniach PV w oddalonych rejonach, gdzie punkt połączenia z siecią znajduje się daleko, używanie kabli nieodpowiednich specyfikacji łatwo prowadzi do awarii przepięcia napięcia z powodu zbyt dużej impedancji kabla.

Jeśli kable są splątane, ich indukcyjność zwiększa się. W obwodach AC indukcyjność utrudnia przepływ prądu, dalsze zaburzając dystrybucję napięcia i potencjalnie wywołując przepięcie napięcia.

Błędy w połączeniach

Podczas początkowej instalacji elektrowni PV, błędne połączenie kabli AC (np. połączenie terminalu neutralnego z fazą) może powodować nietypowe napięcie. To może doprowadzić do tego, że inwerter wykrywa napięcie, które nie odpowiada rzeczywistemu napięciu w sieci, co powoduje aktywację mechanizmu ochrony przed przepięciem napięcia.

Po pewnym czasie pracy inwertera, luźne lub słabe połączenia kabli po stronie sieci mogą zwiększyć opór kontaktowy. Zgodnie z prawem Joule'a (Q = I²Rt, gdzie Q to ciepło, I to prąd, R to opór, a t to czas), wyższy opór kontaktowy generuje więcej ciepła, prowadząc do lokalnego wzrostu temperatury. To pogarsza wydajność elektryczną linii, powodując tymczasowe zwiększenie napięcia w inwerterze i wywołując awarię przepięcia napięcia.

(2) Czynniki struktury sieci i obciążenia: Konflikt między pojemnością sieci a pochłanianiem obciążenia

W niektórych regionach, zwłaszcza w oddalonych obszarach wiejskich lub obszarach z niedostatecznie rozwiniętą infrastrukturą sieciową, pojemność pochłaniania obciążenia przez sieć jest ograniczona. Gdy zainstalowana moc PV w tym samym obszarze dystrybucji jest zbyt duża, duża ilość energii produkowanej przez PV jest wprowadzana do sieci. Jeśli sieć nie jest w stanie efektywnie i w czasie pochłonąć tę moc, napięcie w sieci wzrasta.

Problemy związane z transformatorami

Transformatory odgrywają kluczową rolę w konwersji napięcia i dystrybucji mocy w sieci:

Jeśli transformator znajduje się daleko od punktu połączenia z siecią, jego napięcie wyjściowe jest zwykle podnoszone, aby zrekompensować straty napięcia w liniach i zapewnić normalne napięcie w obszarach daleko od transformatora. Jednak to może prowadzić do zbyt wysokiego napięcia w punkcie połączenia z siecią blisko transformatora.

Nierozsądne ustawienia zwarcia transformatora lub awarie operacyjne (np. złe połączenie zwarcia) mogą wpływać na stosunek zwinięć transformatora, prowadząc do nietypowego zwiększenia napięcia wyjściowego i wywołując awarię przepięcia napięcia w sieci.

(3) Czynniki związane z inwerterem: Ustawienia początkowe i awarie operacyjne

Inwertery opuszczają fabrykę z domyślnym zakresem ochrony napięcia. W praktyce, jeśli ten ustawiony zakres nie odpowiada rzeczywistym warunkom lokalnej sieci, może dojść do błędnego osądzania. Na przykład, jeśli napięcie w sieci fluktuuje w normalnym zakresie, ale próg ochrony napięcia inwertera jest ustawiony zbyt nisko, inwerter często zgłasza awarie przepięcia napięcia.

Podczas długotrwałej eksploatacji, inwertery mogą doświadczać awarii sprzętowych (np. uszkodzone obwody próbkujące napięcie, uszkodzone płytki sterujące). Te awarie powodują niepoprawne wykrywanie napięcia w sieci przez inwerter, prowadząc do nieprawidłowego aktywowania mechanizmu ochrony przed przepięciem napięcia i wyłączenia inwertera.

Problemy z połączeniem wielu inwerterów

W dużych elektrowniach PV, często kilka inwerterów jest jednocześnie podłączanych do sieci. Jeśli wiele jednofazowych inwerterów jest skoncentrowanych na jednej fazie, prąd na tej fazie będzie zbyt duży, powodując nierównoważenie napięcia w sieci i zwiększenie napięcia na tej fazie.

III. Szkodliwość awarii przepięcia napięcia dla elektrowni PV i sieci

(1) Uszkodzenie sprzętu w elektrowni PV: Zwiększone ryzyko awarii inwerterów

Gdy napięcie w sieci jest przepięte, komponenty elektroniczne wewnątrz inwertera są narażone na napięcie przekraczające ich wartość nominalną, co przyspiesza ich starzenie lub nawet prowadzi do bezpośredniego uszkodzenia.

Na przykład, elementy przełączające mocy w inwerterach (takie jak IGBT, Bipolarne Tranzystory z Izolowaną Bramką) doświadczają zwiększonego napięcia podczas włączania i wyłączania w warunkach przepięcia, co sprawia, że są one bardziej narażone na przepalone i unieruchamianie inwertera.

Dodatkowo, przepięcie napięcia może powodować awarie w obwodzie sterującym inwertera, pogarszając jego zdolność do precyzyjnego sterowania napięciem i prądem wyjściowym, co dalej obniża wydajność i niezawodność inwertera.

Skracanie żywotności modułów PV

Zbyt wysokie napięcie w sieci może być przekazywane do modułów PV przez inwerter, zwiększając napięcie robocze modułów. Długotrwała eksploatacja modułów PV pod wysokim napięciem może zmieniać właściwości ich półprzewodników wewnętrznych, prowadząc do problemów takich jak gorące punkty i mikropęknięcia.

(2) Wpływ na stabilność sieci: Z pogorszeniem jakości energii

Przepięcie napięcia w sieci pogarsza jakość energii i powoduje zanieczyszczenie harmonik. Gdy napięcie przekracza normalny zakres, nieliniowe obciążenia w systemie energetycznym generują dodatkowe prądy harmoniczne, które z kolei dalsze zaburzają napięcie w sieci, tworząc szkodliwy cykl. Harmoniki zwiększają generowanie ciepła w urządzeniach elektrycznych, skracają ich żywotność i mogą zakłócać normalne działanie systemów komunikacyjnych, podważając ogólną stabilność systemu energetycznego.

(3) Straty w generowaniu energii i obniżone korzyści ekonomiczne: Wyłączenie inwertera i obniżona moc

Gdy inwerter wykryje przepięcie napięcia w sieci, wyłączy się dla ochrony lub będzie działał z obniżoną mocą, aby zapewnić bezpieczeństwo sprzętu. Wyłączenie inwertera powoduje całkowite zatrzymanie generowania energii przez elektrownię PV, co prowadzi do bezpośrednich strat w generowaniu energii.

Zwiększone koszty długoterminowego działania i konserwacji (O&M)

Uszkodzenie sprzętu w elektrowni PV (np. inwerterów i modułów PV) spowodowane awarią przepięcia napięcia wymaga szybkiego naprawienia i wymiany. To nie tylko zwiększa krótkoterminowe koszty napraw, ale również wymaga częstszej wymiany sprzętu w przyszłości z powodu skróconego okresu użytkowania, co zwiększa długoterminowe koszty O&M.

IV. Efektywne rozwiązania dla awarii przepięcia napięcia

(1) Planowanie i optymalizacja projektu przed budową: Kompleksowe badanie i ocena sieci

W fazie przedbudowlanej elektrowni PV powinno być przeprowadzone kompleksowe i szczegółowe badanie oraz ocena lokalnej sieci. Kluczowe parametry, takie jak struktura sieci, pojemność, warunki obciążenia i zakres fluktuacji napięcia, powinny być dokładnie zrozumiane. Powinno się używać profesjonalnych programów do analizy mocy, aby symulować i analizować potencjalny wpływ elektrowni PV na sieć po jej podłączeniu.

Na przykład, narzędzia takie jak PSCAD (Power System Computer-Aided Design) lub ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) mogą symulować zmiany napięcia w sieci przy różnych mocach zainstalowanych PV, lokalizacjach podłączenia i metodach podłączenia. Pomaga to określić najbardziej rozsądny plan budowy elektrowni PV, zapewniając zdrowe napięcie w punkcie połączenia z siecią i redukując ryzyko awarii przepięcia napięcia u źródła.

Rozsądne planowanie mocy zainstalowanej PV

Na podstawie pojemności pochłaniania obciążenia przez sieć i pojemności transformatora, moc zainstalowana elektrowni PV powinna być rozsądnie zaplanowana. Należy unikać nadmiernego skupienia sprzętu PV w tym samym obszarze dystrybucji, aby zapobiec podwyższeniu napięcia spowodowanemu zbyt dużą mocą PV, której sieć nie jest w stanie pochłonąć.

Optymalizacja metod podłączenia inwerterów

Dla elektrowni PV z wieloma inwerterami, metoda podłączenia inwerterów powinna być optymalizowana. Należy unikać skupienia wielu jednofazowych inwerterów na jednej fazie, a zamiast tego równomiernie rozłożyć je na trzech fazach sieci, aby osiągnąć wielopunktowe podłączenie do sieci. To równoważy prąd trójfazowy i redukuje nierównoważenie i podwyższenie napięcia spowodowane nadmiernym prądem jednej fazy.

(2) Wybór, instalacja i uruchomienie sprzętu: Używanie wysokiej jakości kabli i rozsądne połączenia

W budowie elektrowni PV powinny być używane wysokiej jakości kab