Popolna vodila za prekomerno napetost v fotovoltaični elektrarni: Uzroki tveganja in sistematične rešitve

I. Kaj je napetostni preklop v omrežju?

Napetostni preklop v omrežju se nanaša na pojav v električnih sistemih ali vezjih, kjer napetost preseže običajno delovno območje.

Splošno, pri frekvenci strme struje, če RMS (Root Mean Square) vrednost izmenične napetosti naraste za več kot 10% nad imenovano vrednostjo in traja več kot 1 minuto, lahko to določimo kot napetostni preklop v omrežju.

Na primer, v pogostem kitajskem sistem s tremi fazi z napetostjo 380V, če napetost preseže 418V in obstaja za določen čas, lahko to sproži napetostni preklop v omrežju.

V fotovoltačnih (PV) elektrarnah so omrežne inverterje odgovorni za stvarnočasno spremljanje omrežne napetosti.

Inverterji so običajno opremljeni z visokonatančnimi senzorji napetosti, ki zbirajo stvarnočasne signale omrežne napetosti. Ti senzorji posredujejo zbrane signale napetosti kontrolnemu sistemu inverterja, ki jih analizira in obdeluje, da bi določil, ali je omrežna napetost znotraj določenega območja.

Ko je omrežna napetost zaznana, da presega prednastavljeno varno območje, inverter takoj aktivira mehanizem za zaščito, ustavi in se odstrani iz omrežja, da prepreči, da bi prekomerna napetost poškodovala opremo in zagotovila varnost opreme in operatorjev.

Dodatno, v nekaterih velikih PV elektrnahh, so nameščeni posebni naprave za spremljanje kakovosti struje, ki omogočajo celovito, stvarnočasno spremljanje različnih parametrov omrežja, kar omogoča temeljito in pravočasno zaznavanje in obravnavanje težav z kakovostjo struje, kot je prekomerna napetost.

II. Vzroki za napetostni preklop

(1) Faktori vezja: Vpliv upornosti kabelov

Kabli med inverterjem in točko povezave z omrežjem igrajo ključno vlogo pri prenosu energije.

Če je kabel pretenk, njegova upornost raste. Po Ohmovem zakonu (U = I×R), z nespremenjeno tokom, višja upornost vodi do večjega padca napetosti, kar na svoji strani poviša izmenično izhodno napetost na strani inverterja.

Prekomerno dolgi kabli tudi povečajo upornost, kar povzroča podobne probleme z povišanjem napetosti. Na primer, v oddaljenih območjih, kjer je točka povezave z omrežjem daleč, uporaba kablov z neprimerenimi specifikacijami lahko lako vodi do napetostnega preklopa zaradi prekomerne upornosti kabla.

Če so kabli zapleteni, se poveča njihova induktivnost. V izmeničnih vezjih induktivnost ovira pretok toka, dodatno moti porazdelitev napetosti in lahko sproži napetostni preklop.

Napake pri vezanju

Med prvotno namestitvijo PV elektrarne, napačno vezanje AC kabla (npr. povezava neutralnega terminala na žive žice) lahko povzroči nenormalno napetost. To lahko vodi do tega, da inverter zazna napetost, ki se ne ujema z dejansko omrežno napetostjo, kar sproži mehanizem za zaščito pred prekomerno napetostjo.

Po nekaj časa delovanja inverterja, slabi ali ločeni stiki v kablih na strani omrežja lahko povečajo stikovno upornost. Po Jouleovem zakonu (Q = I²Rt, kjer je Q toplota, I tok, R upornost in t čas), višja stikovna upornost generira več toplote, kar vodi do lokalnega povečanja temperature. To poškoduje električne lastnosti vezja, kar povzroča prečasno povišanje napetosti v inverterju in sproži napetostni preklop.

(2) Faktori strukture in opterečenosti omrežja: Spoprijem med kapaciteto omrežja in absorpcijo opterečenosti

V nekaterih regijah, še posebej v oddaljenih podeželskih območjih ali območjih z nerazvitim omrežnim infrastrukturo, je opterečenost omrežja omejena. Ko je nameščena PV kapaciteta v istem distribucijskem območju prevelika, veliko PV-generirane energije se vnaša v omrežje. Če omrežje ne more tempestivno in učinkovito absorbirati te energije, bo omrežna napetost narasla.

Povezane težave transformatorjev

Transformatorji igrajo ključno vlogo pri pretvorbi napetosti in distribuciji energije v omrežju:

Če je transformator oddaljen od točke povezave z omrežjem, je njegov izhodni napetost običajno povišan, da kompenzira padec napetosti v vezju in zagotovi normalno napetost v območjih oddaljenih od transformatorja. Vendar to lahko povzroči prekomerno napetost blizu točke povezave z omrežjem pri transformatorju.

Nerazumno nastavitev koraka transformatorja ali operativne težave (npr. slabi stik v koraknem spremeniku) lahko vplivajo na razmerje viti transformatorja, kar vodi do nenormalnega povišanja izhodne napetosti in sproži napetostni preklop v omrežju.

(3) Faktori povezani s inverterji: Začetna nastavitve in operativne težave

Inverterji zapustijo tovarniško z privzetim obsegom zaščite napetosti. V praktični uporabi, če ta prednastavljen obseg ne ustreza dejanskim lokalnim omrežnim pogojiom, se lahko pojavi napačna ocena. Na primer, če se omrežna napetost giblje znotraj normalnega obsega, a je mejna vrednost zaščite napetosti inverterja nastavljena prenizko, inverter bo pogosto poročal o napetostnem preklopu.

Med dolgoročnim delovanjem, inverterji lahko doživijo strokovne težave (npr. pokvarjeni vzorčevalni okvir napetosti, pokvarjene nadzorne plošče). Te težave povzročijo natančno zaznavanje omrežne napetosti inverterjem, kar vodi do napačnega aktiviranja mehanizma za zaščito pred prekomerno napetostjo in ustavitvijo inverterja.

Težave pri povezavi več inverterjev

V velikih PV elektrnahh, je pogosto več inverterjev hkrati povezanih z omrežjem. Če je več enofaznih inverterjev koncentriranih na eno fazo, bo tok na tej fazi prekomerno visok, kar bo povzročilo neravnovesje omrežne napetosti in povišalo napetost te faze.

III. Škode zaradi napetostnega preklopa PV elektrnahm in omrežju

(1) Škoda opreme PV elektrnar: Povečana tveganja za težave inverterjev

Ko je omrežna napetost prekomerna, elektronski komponenti znotraj inverterja nosijo napetost, ki presega njihovo imenovano vrednost, kar pospešuje staranje komponent ali celo neposredno poškoduje.

Na primer, naprave za preklop moči v inverterjih (npr. IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors) izkušajo povečan stres napetosti med vklopom in izklopom v pogojih prekomerne napetosti, kar jih naredi bolj občutljive na propad in omogoča, da inverter postane neuporaben.

Dodatno, prekomerna napetost lahko povzroči težave v nadzornem vezju inverterja, ki utrjuje njegovo zmogljivost za natančno nadzor izhodne napetosti in toka, kar dodatno zmanjša zmogljivost in pouzdanost inverterja.

Kratši življenjski čas modulov PV

Prekomerno visoka omrežna napetost se lahko vrne na stran modulov PV skozi inverter, kar poviša delovno napetost modulov. Dolgoročno delovanje modulov PV pri visoki napetosti lahko spremeni zmogljivost njihovih notranjih polprevodniških materialov, kar vodi do problemov, kot so točke toplote in mikroprekidi.

(2) Vpliv na stabilnost omrežja: Zmanjšana kakovost energije

Napetostni preklop v omrežju zmanjša kakovost energije in povzroča harmonično onesnaženje. Ko napetost preseže normalno območje, nelinearni opterečenosti v električnem sistemu generirajo dodatne harmonične tokove, ki dodatno motijo omrežno napetost, kar ustvarja zgolj negativen cikel. Harmonični tokovi povečajo toplotno proizvodnjo v električni opremi, zmanjšajo življenjski čas in lahko motijo normalno delovanje komunikacijskih sistemov, kar ogroža celotno stabilnost sistema za proizvodnjo energije.

(3) Izguba proizvodnje energije in zmanjšani ekonomski učinki: Ustavitve inverterjev in delovanje z nižjo močjo

Ko inverter zazna prekomerno omrežno napetost, se ustavi za zaščito ali deluje z nižjo močjo, da zagotovi varnost opreme. Ustavitve inverterja povzročijo, da PV elektrarna popolnoma prestane z proizvodnjo energije, kar vodi do neposredne izgube proizvodnje energije.

Povečani stroški dolgoročnega delovanja in vzdrževanja (O&M)

Škoda opreme PV elektrnar (npr. inverterji in moduli PV) zaradi napetostnih preklopov zahteva temeljito popravilo in zamenjavo. To ne le poveča kratkoročne stroške popravila, ampak tudi zahteva bolj pogosto zamenjavo opreme v prihodnosti zaradi krajšega življenjskega časa, kar poveča dolgoročne stroške O&M.

IV. Učinkova rešitve za napetostne preklope

(1) Načrtovanje in optimizacija pred gradnjo: Kompleksna pregledovanja in ocene omrežja

V fazi pred gradnjo PV elektrnarne, je potrebno opraviti kompleksno in podrobno pregledovanje in oceno lokalnega omrežja. Ključni parametri, kot so struktura omrežja, kapaciteta, stanje opterečenosti in obseg fluktuacije napetosti, morajo biti temeljito razumljeni. Za simulacijo in analizo potencialnega vpliva PV elektrnarne na omrežje po povezavi bi morali biti uporabljeni strokovni programi za analizo omrežja.

Na primer, orodja, kot so PSCAD (Power System Computer-Aided Design) ali ETAP (Electrical Transient Analyzer Program), lahko simulirajo spremembe omrežne napetosti pri različnih nameščenih kapacitetah PV, lokacijah povezave in načinih povezave. To pomaga določiti najboljši načrt gradnje PV elektrnarne, zagotovi zdravo napetost pri točki povezave z omrežjem in zmanjša tveganje napetostnega preklopa na izvoru.

Racionalno načrtovanje nameščene kapacitete PV

Na osnovi kapacitete opterečenosti omrežja in kapacitete transformatorja, bi morala biti nameščena kapaciteta PV elektrnarne racionalno načrtovana. Izogibajte se prekomernemu koncentriranju opreme PV v istem distribucijskem območju, da se prepreči povišanje napetosti zaradi prekomerne PV-energije, ki jo omrežje ne more absorbirati.

Optimizacija načina povezave inverterjev

Za PV elektrnarne z več inverterji, bi moral biti način povezave inverterjev optimiziran. Izogibajte se koncentraciji več enofaznih inverterjev na eni fazi, namesto tega jih enakomerno razporedite po treh omrežnih fazah, da dosežete večtočkovno povezavo z omrežjem. To ravnoteži trofazni tok in zmanjša neravnovesje in povišanje napetosti zaradi prekomernega enofaznega toka.

(2) Izbor, namestitev in komisija opreme: Uporaba visokokakovostnih kablov in racionalno vezanje

Pri gradnji PV elektrnarne bi morali biti uporabljeni visokokakovostni kabeli, ki izpolnjujejo nacionalne standarde. Specifikacije in premer kablov bi morali biti izbrani glede na dejansko prenosno moč in razdaljo.

Za daljše povezave z omrežjem je potreben večji premer kabela, da se zmanjša upornost vezja in padec napetosti.

Samo, vezanje bi moralo biti racionalno, da se izognemo prekomerno dolgim, zapletenim ali nepotrebnim ugnutim kablov. Med vezanjem lahko uporabite kabelske ladje ali cevi, da zaščitite in organizirate kable, da zagotovite varno delovanje kablov.

Na primer, v velikih PV elektrnahh, lahko uporabite podzemno položnico kablov in racionalno načrtujete poti kablov, da zmanjšate dolžino in preseke kablov, kar izboljša učinkovitost prenosa energije in zmanjša verjetnost napetostnega preklopa.

Natančen izbor in namestitev inverterjev

Pri izbiri inverterjev, mora biti temeljito upoštevan lokalni omrežni pogoji. Bi morali izbrati inverterje z širokim obsegom prilagodljivosti napetosti, zanesljivo zaščito pred prekomerno napetostjo in visoko učinkovitostjo pretvorbe moči.

Med namestitvijo, zagotovite pravilno vezanje AC kabla inverterja, da se izognete nenormalnim napetostim, ki so posledica zamenjave faze in neutralne žice.

Racionalna konfiguracija in vzdrževanje transformatorjev

Bi morali izbrati transformatorje z dobro zmogljivostjo regulacije napetosti, da omogočijo tempestivno prilagoditev, ko se omrežna napetost spreminja. Sama, bi morali okrepiti redno vzdrževanje in spremljanje transformatorjev. Parametri transformatorjev, kot so koraki, viti in raven olja, bi morali biti redno pregledani, da zagotovite normalno delovanje transformatorja.

Za transformatorje, oddaljene od točke povezave z omrežjem, lahko uporabite korakne spremenike z obremenitvijo, da omogočite real-time prilagoditev izhodne napetosti transformatorja preko oddaljenega nadzora, da zagotovite, da napetost pri točki povezave z omrežjem ostane znotraj normalnega območja.

(3) Operativno spremljanje in inteligentne strategije regulacije: Ustanovitev sistema za stvarnočasno spremljanje

Za PV elektrarno bi moral biti ustanovljen celosten sistem za stvarnočasno spremljanje, ki spremlja parametre omrežja, kot so napetost, tok, moč in frekvenco v stvarnem času. Senzorji, nameščeni pri točki povezave z omrežjem, izstopnici inverterja in modulov PV, posredujejo zbrani podatke v stvarnem času v središče za spremljanje. Analiza podatkov z uporabo platform velikih podatkov in oblaka omogoča temeljito in pravočasno zaznavanje anomalij, kot je napetostni preklop.

Na primer, z nastavitvijo mejne vrednosti za rano opozorilo o napetostnem preklopu, sistem avtomatsko pošlje opozorilo, ko spremljana omrežna napetost približa ali preseže to mejo, da spodbudi osebje za vzdrževanje, da tempestivno sprejme ukrepe za preprečevanje težav.

Redno vzdrževanje in iskanje težav

Za PV elektrarno bi moral biti formuliran strogi načrt rednega vzdrževanja, ki omogoča redna pregledovanja, vzdrževanje in vzdrževanje opreme.

Stanje opreme, kot so inverterji, moduli PV, kabli in transformatorji, bi moralo biti redno pregledano, da se tempestivno identificirajo in odpravijo potencialne tveganja za težave. Med vzdrževanjem bi morali biti testirani in zabeleženi parametri opreme, ter primerjani z zgodovinskimi podatki, da se analizirajo trendi delovanja opreme in napovedujejo potencialne težave vnaprej.