Um Guia Completo sobre o Sobretensão em Usinas Fotovoltaicas: Causas Riscos e Soluções Sistêmicas

I. O que é uma Falha de Sobretensão da Rede Elétrica?

Sobretensão da rede elétrica refere-se a um fenômeno em sistemas ou circuitos de energia onde a tensão ultrapassa a faixa de operação normal.

Geralmente, na frequência de linha, se o valor eficaz (RMS) da tensão alternada aumenta mais de 10% acima do valor nominal e persiste por mais de 1 minuto, pode ser determinado como uma falha de sobretensão da rede elétrica.

Por exemplo, no sistema trifásico comum de 380V na China, se a tensão excede 418V e persiste por um certo período, pode desencadear uma falha de sobretensão da rede elétrica.

Em estações de energia fotovoltaica (PV), os inversores conectados à rede são responsáveis pelo monitoramento em tempo real da tensão da rede.

Os inversores geralmente estão equipados com sensores de tensão de alta precisão para coletar sinais de tensão da rede em tempo real. Esses sensores transmitem os sinais de tensão coletados para o sistema de controle do inversor, que analisa e processa os sinais para determinar se a tensão da rede está dentro da faixa especificada.

Uma vez que a tensão da rede é detectada como excedendo a faixa de segurança pré-definida, o inversor ativa imediatamente um mecanismo de proteção, desliga e se desconecta da rede para evitar danos ao equipamento devido à sobretensão e garantir a segurança do equipamento e dos operadores.

Além disso, em algumas grandes estações de energia PV, dispositivos dedicados de monitoramento de qualidade de energia são instalados para realizar um monitoramento abrangente e em tempo real de vários parâmetros da rede, permitindo a detecção e o tratamento oportunos de problemas de qualidade de energia, como sobretensão.

II. Causas das Falhas de Sobretensão

(1) Fatores de Linha: Impacto da Impedância do Cabo

Os cabos entre o inversor e o ponto de conexão à rede desempenham um papel crucial na transmissão de energia.

Se o cabo for muito fino, sua resistência aumenta. De acordo com a Lei de Ohm (U = I×R), com uma corrente constante, uma resistência maior leva a uma queda de tensão maior, o que, por sua vez, eleva a tensão de saída CA do lado do inversor.

Cabos excessivamente longos também aumentam a resistência, causando problemas semelhantes de elevação de tensão. Por exemplo, em usinas PV em áreas remotas onde o ponto de conexão à rede está distante, o uso de cabos com especificações inadequadas pode facilmente levar a falhas de sobretensão devido à impedância excessiva do cabo.

Se os cabos estiverem emaranhados, sua indutância aumenta. Em circuitos CA, a indutância impede o fluxo de corrente, perturbando ainda mais a distribuição de tensão e potencialmente desencadeando sobretensão.

Erros de Conexão

Durante a instalação inicial de uma usina PV, a conexão incorreta de cabos CA (por exemplo, conectar o terminal neutro ao fio fase) pode causar tensão anormal. Isso pode resultar no inversor detectando uma tensão que não corresponde à tensão real da rede, desencadeando o mecanismo de proteção contra sobretensão.

Após o inversor estar em operação por um período, conexões soltas ou ruins nos cabos do lado da rede podem aumentar a resistência de contato. De acordo com a Lei de Joule (Q = I²Rt, onde Q é calor, I é corrente, R é resistência e t é tempo), uma resistência de contato maior gera mais calor, levando a um aumento local da temperatura. Isso prejudica o desempenho elétrico da linha, causando um aumento transitório de tensão no inversor e desencadeando uma falha de sobretensão.

(2) Fatores de Estrutura da Rede e Carga: Conflito entre Capacidade da Rede e Absorção de Carga

Em algumas regiões, especialmente áreas rurais remotas ou áreas com infraestrutura de rede subdesenvolvida, a capacidade de absorção de carga da rede é limitada. Quando a capacidade instalada de PV na mesma área de distribuição de energia é muito grande, uma grande quantidade de energia gerada por PV é alimentada na rede. Se a rede não puder absorver essa energia de forma rápida e eficaz, a tensão da rede aumentará.

Problemas Relacionados a Transformadores

Transformadores desempenham um papel crucial na conversão de tensão e distribuição de energia na rede:

Se o transformador estiver distante do ponto de conexão à rede, sua tensão de saída geralmente é elevada para compensar a perda de tensão na linha e garantir a tensão normal nas áreas distantes do transformador. No entanto, isso pode causar tensão excessiva no ponto de conexão à rede próximo ao transformador.

Configurações irrazoáveis dos níveis de toque do transformador ou falhas operacionais (por exemplo, contato ruim do trocador de toque) podem afetar a razão de enrolamentos do transformador, levando a uma elevação anormal da tensão de saída e desencadeando uma falha de sobretensão da rede.

(3) Fatores Relacionados aos Inversores: Configurações Iniciais e Falhas Operacionais

Os inversores saem de fábrica com uma faixa de proteção de tensão padrão. Nas aplicações práticas, se essa faixa pré-definida não corresponder às condições reais da rede local, podem ocorrer julgamentos errados. Por exemplo, se a tensão da rede flutuar dentro de uma faixa normal, mas o limite de proteção de tensão do inversor estiver definido muito baixo, o inversor relatará frequentemente falhas de sobretensão.

Durante a operação de longo prazo, os inversores podem sofrer falhas de hardware (por exemplo, circuitos de amostragem de tensão danificados, placas de controle com defeito). Essas falhas causam detecção inacurada da tensão da rede pelo inversor, levando à ativação incorreta do mecanismo de proteção contra sobretensão e ao desligamento do inversor.

Problemas de Conexão de Múltiplos Inversores

Em grandes usinas PV, muitos inversores são frequentemente conectados à rede simultaneamente. Se múltiplos inversores monofásicos forem concentrados em uma única fase, a corrente nessa fase será excessivamente alta, causando desequilíbrio de tensão da rede e elevando a tensão dessa fase.

III. Perigos das Falhas de Sobretensão para as Usinas PV e a Rede

(1) Danos ao Equipamento da Usina PV: Aumento do Risco de Falhas no Inversor

Quando a tensão da rede está em sobretensão, os componentes eletrônicos internos do inversor suportam tensão superior ao seu valor nominal, acelerando o envelhecimento dos componentes ou até mesmo causando danos diretos.

Por exemplo, dispositivos de comutação de potência nos inversores (como IGBTs, Transistores Bipolares de Porta Isolada) experimentam maior estresse de tensão durante a ligação e desligação em condições de sobretensão, tornando-os propensos a quebras e tornando o inversor inoperante.

Além disso, a sobretensão pode causar falhas no circuito de controle do inversor, prejudicando sua capacidade de controlar com precisão a tensão e a corrente de saída, reduzindo ainda mais o desempenho e a confiabilidade do inversor.

Redução da Vida Útil dos Módulos PV

Tensão excessivamente alta da rede pode ser alimentada de volta ao lado dos módulos PV através do inversor, aumentando a tensão de operação dos módulos. A operação de longo prazo dos módulos PV em tensão alta pode alterar o desempenho de seus materiais semicondutores internos, levando a problemas como pontos quentes e microfissuras.

(2) Impacto na Estabilidade da Rede: Deterioração da Qualidade de Energia

A sobretensão da rede deteriora a qualidade de energia e causa poluição harmônica. Quando a tensão excede a faixa normal, cargas não lineares no sistema de energia geram correntes harmônicas adicionais, que, por sua vez, perturbam ainda mais a tensão da rede, criando um ciclo vicioso. As harmônicas aumentam a geração de calor no equipamento elétrico, reduzem a vida útil e podem interferir na operação normal dos sistemas de comunicação, comprometendo a estabilidade geral do sistema de energia.

(3) Perda de Geração de Energia e Redução de Benefícios Econômicos: Desligamento do Inversor e Operação Derrotada

Quando o inversor detecta sobretensão da rede, ele desliga para proteção ou opera com potência reduzida para garantir a segurança do equipamento. O desligamento do inversor faz com que a usina PV pare de gerar energia completamente, resultando em perda direta de geração de energia.

Aumento dos Custos de Operação e Manutenção (O&M) de Longo Prazo

Danos ao equipamento da usina PV (por exemplo, inversores e módulos PV) causados por falhas de sobretensão exigem reparo e substituição oportunos. Isso não apenas aumenta os custos de reparo a curto prazo, mas também exige a substituição mais frequente de equipamentos no futuro devido à redução da vida útil, aumentando os custos de O&M de longo prazo.

IV. Soluções Eficazes para Falhas de Sobretensão

(1) Planejamento Pré-Construção e Otimização do Projeto: Avaliação Abrangente da Rede

Na fase pré-construção de uma usina PV, deve ser realizada uma avaliação abrangente e detalhada da rede local. Parâmetros-chave, como estrutura da rede, capacidade, condições de carga e faixa de flutuação de tensão, devem ser compreendidos. Software profissional de análise de energia deve ser usado para simular e analisar o impacto potencial da usina PV na rede após a conexão.

Por exemplo, ferramentas como PSCAD (Power System Computer-Aided Design) ou ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) podem simular mudanças de tensão da rede em diferentes capacidades instaladas de PV, locais de conexão e métodos de conexão. Isso ajuda a determinar o plano de construção mais razoável para a usina PV, garante uma tensão saudável no ponto de conexão à rede e reduz o risco de falhas de sobretensão na fonte.

Planejamento Racional da Capacidade Instalada de PV

Com base na capacidade de absorção de carga da rede e na capacidade do transformador, a capacidade instalada da usina PV deve ser planejada de forma racional. Evite a concentração excessiva de equipamentos PV na mesma área de distribuição de energia para prevenir a elevação de tensão causada por excesso de energia PV que a rede não consegue absorver.

Otimização dos Métodos de Conexão do Inversor

Para usinas PV com múltiplos inversores, o método de conexão do inversor deve ser otimizado. Evite concentrar múltiplos inversores monofásicos em uma única fase; em vez disso, distribua-os uniformemente nas três fases da rede para alcançar a conexão à rede em múltiplos pontos. Isso equilibra a corrente trifásica e reduz o desequilíbrio e a elevação de tensão causados por corrente excessiva em uma única fase.

(2) Seleção, Instalação e Comissionamento de Equipamentos: Uso de Cabos de Alta Qualidade e Conexão Racional

Na construção de usinas PV, devem ser usados cabos de alta qualidade que atendam aos padrões nacionais. As especificações e a seção transversal dos cabos devem ser selecionadas com base na potência de transmissão real e na distância.

Para conexões à rede de longa distância, é necessário uma seção transversal maior do cabo para reduzir a impedância da linha e a queda de tensão.

Além disso, a conexão deve ser racional para evitar cabos excessivamente longos, emaranhados ou desnecessariamente dobrados. Durante a conexão, canaletas ou dutos de cabos podem ser usados para proteger e organizar os cabos, garantindo a operação segura dos mesmos.

Por exemplo, em grandes usinas PV, pode-se adotar o lançamento de cabos subterrâneos e planejar rotas de cabos de forma racional para reduzir o comprimento e as interseções dos cabos, melhorando a eficiência de transmissão de energia e diminuindo a probabilidade de falhas de sobretensão.

Seleção e Instalação Precisas do Inversor

Ao selecionar inversores, deve-se considerar plenamente as condições da rede local. Devem ser escolhidos inversores com ampla faixa de adaptação de tensão, proteção confiável contra sobretensão e alta eficiência de conversão de potência.

Durante a instalação, certifique-se de que a conexão CA do inversor esteja correta para evitar tensões anormais causadas pela troca de fios de fase e neutro.

Configuração e Manutenção Racionais do Transformador

Devem ser selecionados transformadores com bom desempenho de regulação de tensão para permitir ajustes oportunos quando a tensão da rede flutua. Além disso, a manutenção e o monitoramento diários dos transformadores devem ser reforçados. Parâmetros do transformador, como trocadores de toque, enrolamentos e níveis de óleo, devem ser inspecionados regularmente para garantir a operação normal do transformador.

Para transformadores distantes do ponto de conexão à rede, podem ser usados trocadores de toque sob carga para realizar ajustes em tempo real da tensão de saída do transformador através de controle remoto, garantindo que a tensão no ponto de conexão à rede permaneça dentro da faixa normal.

(3) Monitoramento Operacional e Estratégias de Regulação Inteligente: Estabelecimento de um Sistema de Monitoramento em Tempo Real

Deve ser estabelecido um sistema de monitoramento em tempo real abrangente para a usina PV para monitorar parâmetros da rede, como tensão, corrente, potência e frequência, em tempo real. Sensores instalados no ponto de conexão à rede, na extremidade de saída do inversor e nos módulos PV transmitem dados coletados para o centro de monitoramento em tempo real. Plataformas de análise de big data e computação em nuvem são usadas para analisar e processar dados de monitoramento, permitindo a detecção oportuna de anomalias, como sobretensão.

Por exemplo, definindo um limiar de alerta precoce para sobretensão, o sistema envia automaticamente um alerta quando a tensão da rede monitorada se aproxima ou excede o limiar, lembrando a equipe de O&M de tomar medidas oportunas para prevenir falhas.

Manutenção Regular e Resolução de Falhas

Deve ser formulado um plano rigoroso de manutenção regular para a usina PV para realizar inspeções, manutenção e conservação periódicas do equipamento.

O estado operacional de equipamentos, como inversores, módulos PV, cabos e transformadores, deve ser verificado regularmente para identificar e reparar riscos de falhas potenciais de forma oportuna. Durante a manutenção, os parâmetros do equipamento devem ser testados e registrados, e os dados históricos devem ser comparados para analisar as tendências de operação do equipamento e prever falhas potenciais com antecedência.