Полное руководство по перенапряжению на солнечных электростанциях: причины риски и системные решения

I. Что такое перенапряжение в сети?

Перенапряжение в сети относится к явлению в электрических системах или цепях, при котором напряжение превышает нормальный рабочий диапазон.

Обычно, при частоте питания, если среднеквадратическое (RMS) значение переменного напряжения повышается более чем на 10% выше номинального значения и сохраняется более одной минуты, это можно определить как перенапряжение в сети.

Например, в распространенной в Китае трехфазной сетевой системе с напряжением 380В, если напряжение превышает 418В и сохраняется в течение определенного периода, это может вызвать перенапряжение в сети.

На солнечных электростанциях (PV), сетевые инверторы отвечают за мониторинг напряжения в сети в реальном времени.

Инверторы обычно оснащены высокоточными датчиками напряжения для сбора данных о сетевом напряжении в реальном времени. Эти датчики передают собранные данные о напряжении в систему управления инвертора, которая анализирует и обрабатывает сигналы, чтобы определить, находится ли сетевое напряжение в пределах заданного диапазона.

Как только сетевое напряжение превышает предустановленный безопасный диапазон, инвертор немедленно активирует защитный механизм, отключается и разъединяет соединение с сетью, чтобы предотвратить повреждение оборудования из-за перенапряжения и обеспечить безопасность оборудования и операторов.

Кроме того, на некоторых крупных солнечных электростанциях устанавливаются специальные устройства для мониторинга качества электроэнергии, которые проводят комплексный и оперативный мониторинг различных параметров сети, что позволяет своевременно выявлять и устранять проблемы качества электроэнергии, такие как перенапряжение.

II. Причины перенапряжения в сети

(1) Факторы линии: влияние импеданса кабеля

Кабели между инвертором и точкой подключения к сети играют ключевую роль в передаче электроэнергии.

Если кабель слишком тонкий, его сопротивление увеличивается. Согласно закону Ома (U = I×R), при постоянном токе, большее сопротивление приводит к большему падению напряжения, что, в свою очередь, повышает переменное выходное напряжение на стороне инвертора.

Чрезмерно длинные кабели также увеличивают сопротивление, вызывая аналогичные проблемы с повышением напряжения. Например, на солнечных электростанциях в удаленных районах, где точка подключения к сети находится далеко, использование кабелей с неподходящими характеристиками может легко привести к перенапряжению из-за чрезмерного импеданса кабеля.

Если кабели запутаны, их индуктивность увеличивается. В переменных цепях индуктивность препятствует потоку тока, что еще больше нарушает распределение напряжения и может вызвать перенапряжение.

Ошибки в прокладке кабелей

При первоначальной установке солнечной электростанции, неправильная прокладка кабелей переменного тока (например, подключение нейтрального вывода к фазному) может вызвать аномальное напряжение. Это может привести к тому, что инвертор будет обнаруживать напряжение, не соответствующее фактическому сетевому напряжению, что, в свою очередь, активирует механизм защиты от перенапряжения.

После некоторого периода работы инвертора, ослабленные или некачественные соединения на стороне сети могут увеличить контактное сопротивление. Согласно закону Джоуля (Q = I²Rt, где Q — тепло, I — ток, R — сопротивление, t — время), большее контактное сопротивление генерирует больше тепла, что приводит к местному повышению температуры. Это ухудшает электрические характеристики линии, вызывая кратковременное повышение напряжения в инверторе и активацию механизма защиты от перенапряжения.

(2) Факторы структуры сети и нагрузки: конфликт между мощностью сети и способностью поглощения нагрузки

В некоторых регионах, особенно в удаленных сельских районах или районах с недостаточно развитой сетевой инфраструктурой, способность сети поглощать нагрузку ограничена. Когда установленная мощность солнечных электростанций в одном и том же распределительном районе слишком велика, большое количество электроэнергии, выработанной солнечными панелями, поступает в сеть. Если сеть не может своевременно и эффективно поглощать эту энергию, напряжение в сети повышается.

Проблемы, связанные с трансформаторами

Трансформаторы играют важную роль в преобразовании напряжения и распределении электроэнергии в сети:

Если трансформатор находится далеко от точки подключения к сети, его выходное напряжение обычно повышается, чтобы компенсировать потери напряжения на линии и обеспечить нормальное напряжение в удаленных от трансформатора областях. Однако это может привести к чрезмерному напряжению в точке подключения к сети, близкой к трансформатору.

Нерациональные настройки выводов трансформатора или эксплуатационные неисправности (например, плохой контакт переключателя выводов) могут влиять на коэффициент трансформации, что приводит к аномальному повышению выходного напряжения и активации механизма защиты от перенапряжения в сети.

(3) Факторы, связанные с инвертором: начальные настройки и эксплуатационные неисправности

Инверторы поставляются с заводскими настройками диапазона защиты напряжения. В практическом применении, если этот предустановленный диапазон не соответствует фактическим условиям местной сети, возможны ошибки. Например, если сетевое напряжение колеблется в нормальном диапазоне, но порог защиты напряжения инвертора установлен слишком низко, инвертор будет часто сообщать о перенапряжении.

В ходе длительной эксплуатации инверторы могут испытывать аппаратные неисправности (например, повреждение цепей измерения напряжения, неисправности плат управления). Эти неисправности приводят к неточному обнаружению сетевого напряжения инвертором, что вызывает неправильную активацию механизма защиты от перенапряжения и отключение инвертора.

Проблемы, связанные с подключением нескольких инверторов

На крупных солнечных электростанциях часто одновременно подключаются несколько инверторов к сети. Если несколько однофазных инверторов сосредоточены на одной фазе, ток на этой фазе будет слишком велик, что вызовет дисбаланс напряжения в сети и повышение напряжения на этой фазе.

III. Вред, причиняемый перенапряжением в сети солнечным электростанциям и сети

(1) Повреждение оборудования солнечных электростанций: увеличение риска неисправностей инверторов

При перенапряжении в сети электронные компоненты внутри инвертора подвергаются напряжению, превышающему их номинальное значение, что ускоряет их старение или даже приводит к прямому повреждению.

Например, силовые коммутирующие устройства в инверторах (такие как IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors) испытывают увеличенное напряжение во время включения и выключения при перенапряжении, что делает их склонными к пробою и делает инвертор неработоспособным.

Кроме того, перенапряжение может вызвать неисправности в цепи управления инвертора, нарушая его способность точно контролировать выходное напряжение и ток, что еще больше снижает производительность и надежность инвертора.

Сокращение срока службы солнечных модулей

Чрезмерно высокое сетевое напряжение может быть передано обратно на сторону солнечных модулей через инвертор, увеличивая рабочее напряжение модулей. Долгосрочная работа солнечных модулей при высоком напряжении может изменить характеристики их внутренних полупроводниковых материалов, вызывая проблемы, такие как горячие точки и микротрещины.

(2) Влияние на стабильность сети: ухудшение качества электроэнергии

Перенапряжение в сети ухудшает качество электроэнергии и вызывает гармонические помехи. Когда напряжение превышает нормальный диапазон, нелинейные нагрузки в электрической системе генерируют дополнительные гармонические токи, которые, в свою очередь, еще больше нарушают сетевое напряжение, создавая замкнутый круг. Гармоники увеличивают тепловыделение в электрическом оборудовании, уменьшают срок службы и могут нарушать нормальную работу систем связи, подрывая общую стабильность электрической системы.

(3) Потери в выработке электроэнергии и снижение экономической эффективности: отключение инвертора и работа на пониженной мощности

Когда инвертор обнаруживает перенапряжение в сети, он отключается для защиты или работает на пониженной мощности, чтобы обеспечить безопасность оборудования. Отключение инвертора приводит к полной остановке выработки электроэнергии солнечной электростанцией, что приводит к прямым потерям в выработке электроэнергии.

Увеличение долгосрочных затрат на эксплуатацию и обслуживание (O&M)

Повреждение оборудования солнечных электростанций (например, инверторов и солнечных модулей) из-за перенапряжения требует своевременного ремонта и замены. Это не только увеличивает краткосрочные затраты на ремонт, но и требует более частой замены оборудования в будущем из-за сокращения срока службы, что увеличивает долгосрочные затраты на эксплуатацию и обслуживание.

IV. Эффективные решения для перенапряжения в сети

(1) Планирование и оптимизация проектирования до строительства: всестороннее обследование и оценка сети

На этапе предварительного строительства солнечной электростанции следует провести всестороннее и детальное обследование и оценку местной сети. Необходимо тщательно изучить ключевые параметры, такие как структура сети, мощность, условия нагрузки и диапазон колебаний напряжения. Должны использоваться профессиональные программные средства для анализа и моделирования потенциального влияния солнечной электростанции на сеть после подключения.

Например, инструменты, такие как PSCAD (Power System Computer-Aided Design) или ETAP (Electrical Transient Analyzer Program), могут моделировать изменения сетевого напряжения при различных установленных мощностях солнечных электростанций, местах подключения и методах подключения. Это помогает определить наиболее рациональный план строительства солнечной электростанции, обеспечивает здоровое напряжение в точке подключения к сети и снижает риск перенапряжения в сети на источнике.

Рациональное планирование установленной мощности солнечных электростанций

На основе способности сети поглощать нагрузку и мощности трансформатора должна быть рационально спланирована установленная мощность солнечной электростанции. Необходимо избегать чрезмерной концентрации солнечного оборудования в одном распределительном районе, чтобы предотвратить повышение напряжения, вызванное избыточной мощностью, которую сеть не может поглотить.

Оптимизация методов подключения инверторов

Для солнечных электростанций с несколькими инверторами следует оптимизировать методы их подключения. Необходимо избегать концентрации нескольких однофазных инверторов на одной фазе, а вместо этого равномерно распределить их по трем фазам сети, чтобы достичь многоточечного подключения к сети. Это сбалансирует трехфазный ток и снизит дисбаланс и повышение напряжения, вызванные избыточным однофазным током.

(2) Выбор, установка и настройка оборудования: использование качественных кабелей и рациональная прокладка

При строительстве солнечной электростанции следует использовать качественные кабели, соответствующие национальным стандартам. Характеристики и сечение кабелей должны выбираться на основе фактической мощности передачи и расстояния.

Для подключения на большие расстояния требуется большее сечение кабеля, чтобы снизить линейное сопротивление и падение напряжения.

Кроме того, прокладка кабелей должна быть рациональной, чтобы избежать чрезмерно длинных, запутанных или ненужно изогнутых кабелей. При прокладке кабелей можно использовать кабельные лотки или короба, чтобы защитить и организовать кабели, обеспечивая их безопасную работу.

Например, на крупных солнечных электростанциях можно использовать подземную прокладку кабелей, а маршруты кабелей можно рационально планировать, чтобы снизить длину и пересечения кабелей, улучшив эффективность передачи электроэнергии и снизив вероятность перенапряжения в сети.

Точный выбор и установка инверторов

При выборе инверторов следует учитывать местные условия сети. Должны выбираться инверторы с широким диапазоном адаптации напряжения, надежной защитой от перенапряжения и высокой эффективностью преобразования мощности.

При установке необходимо обеспечить правильное подключение AC-кабелей инвертора, чтобы избежать аномалий напряжения, вызванных перепутыванием фазного и нейтрального проводов.

Рациональная конфигурация и обслуживание трансформаторов

Должны выбираться трансформаторы с хорошими характеристиками регулирования напряжения, чтобы обеспечить своевременную корректировку при колебаниях сетевого напряжения. Кроме того, необходимо усилить ежедневное обслуживание и мониторинг трансформаторов. Регулярно следует проверять параметры трансформаторов, такие как переключатели выводов, обмотки и уровень масла, чтобы обеспечить нормальную работу трансформаторов.

Для трансформаторов, находящихся далеко от точки подключения к сети, можно использовать переключатели выводов под нагрузкой, чтобы осуществлять реальное управление выходным напряжением трансформатора через дистанционное управление, обеспечивая, чтобы напряжение в точке подключения к сети оставалось в нормальном диапазоне.

(3) Мониторинг и интеллектуальные стратегии регулирования: создание системы реального времени

Должна быть создана комплексная система мониторинга в реальном времени для солнечной электростанции, чтобы постоянно отслеживать параметры сети, такие как напряжение, ток, мощность и частота. Датчики, установленные в точке подключения к сети, на выходе инвертора и на солнечных модулях, передают собранные данные в центр мониторинга в реальном времени. Используются большие данные и облачные вычисления для анализа и обработки данных мониторинга, что позволяет своевременно выявлять аномалии, такие как перенапряжение.

Например, путем установки порогового значения предупреждения о перенапряжении, система автоматически отправляет оповещение, когда отслеживаемое сетевое напряжение приближается или превышает порог, напоминая персоналу O&M о необходимости принятия своевременных мер для предотвращения неисправностей.

Регулярное обслуживание и устранение неисправностей

Должен быть разработан строгий план регулярного обслуживания для солнечной электростанции, чтобы проводить регулярные проверки, обслуживание и поддержку оборудования.

Необходимо регулярно проверять состояние оборудования, такого как инверторы, солнечные модули, кабели и трансформаторы, чтобы своевременно выявлять и устранять потенциальные риски неисправностей. Во время обслуживания следует тестировать и записывать параметры оборудования, сравнивать исторические данные для анализа тенденций работы оборудования и предсказания потенциальных неисправностей заранее.