En komplett guide till överspänningsskador i solcellspark: orsaker risker och systematiska lösningar

I. Vad är ett nätspänningsöverskridande fel?

Nätspänningsöverskridande refererar till ett fenomen i kraftsystem eller kretsar där spänningen överstiger det normala driftområdet.

Generellt, vid nätfrekvens, om effektivvärdet (RMS) av den växelströmsspänningen stiger med mer än 10% över den nominella värdet och håller i sig i mer än 1 minut, kan det fastställas som ett nätspänningsöverskridande fel.

Till exempel, i Kinas vanliga 380V trefasade nät, om spänningen överstiger 418V och håller i sig under en viss period, kan det utlösa ett nätspänningsöverskridande fel.

I solcellsanläggningar (PV) ansvarar nätanslutna inverterare för realtidsövervakning av nätspänningen.

Inverterare är vanligtvis utrustade med högprecisionsspanningssensorer för att samla in realtidsnätspänningsignaler. Dessa sensorer skickar de insamlade spänningsignalerna till inverterarens styrsystem, vilket analyserar och bearbetar signalerna för att avgöra om nätspänningen ligger inom det specificerade området.

När nätspänningen upptäcks överskrida det förinställda säkerhetsområdet kommer inverteraren omedelbart att aktivera ett skyddsmekanism, stänga av och koppla ifrån från nätet för att förhindra att överspänning skadar utrustning och garantera säkerheten för både utrustning och operatörer.

Dessutom installeras i vissa storskaliga PV-anläggningar specialiserad strömavlastningsövervakningsutrustning för att utföra omfattande, realtidsbaserad övervakning av olika nätparametrar, vilket möjliggör tidig upptäckt och hantering av strömavlastningsproblem såsom spänningsöverskridande.

II. Orsaker till spänningsöverskridande fel

(1) Ledningsfaktorer: Påverkan av kabellåtande

Kablar mellan inverteraren och nätanslutningspunkten spelar en viktig roll i energiöverföring.

Om kablen är för tunn, ökar dess resistans. Enligt Ohms lag (U = I×R), med konstant ström, leder högre resistans till större spänningsfall, vilket i sin tur höjer den växelströmsutgångsspänningen på inverterarsidan.

För långa kablar ökar också resistansen, vilket orsakar liknande spänningshöjningar. Till exempel, i PV-anläggningar i avlägsna områden där nätanslutningspunkten ligger långt borta, kan användning av kablar med olämpliga specifikationer lätt leda till spänningsöverskridande fel på grund av för hög kabellåtande.

Om kablar är snurrade, ökar deras induktans. I växelströmskretsar motarbetar induktans strömförflyttning, vilket ytterligare stör spänningsfördelning och kan potentiellt utlösa spänningsöverskridande.

Ledningsfel

Under den ursprungliga installationen av en PV-anläggning, kan felaktig växelströmskabelinstallation (t.ex. anslutning av neutralterminalen till liveledningen) orsaka abnorm spänning. Detta kan leda till att inverteraren upptäcker en spänning som inte matchar den faktiska nätspänningen, vilket utlöser skyddsmekanismen för spänningsöverskridande.

Efter att inverteraren har varit i drift under en viss period, kan lös eller dåliga anslutningar i nät-sidokablar öka kontaktresistansen. Enligt Joules lag (Q = I²Rt, där Q är värme, I är ström, R är resistans, och t är tid), genererar högre kontaktresistans mer värme, vilket leder till lokal temperaturhöjning. Detta försvagar elektriska prestandan i ledningen, vilket orsakar en tillfällig spänningshöjning i inverteraren och utlöst ett spänningsöverskridande fel.

(2) Nätstruktur- och lastfaktorer: Konflikt mellan nätkapacitet och lastabsorption

I vissa regioner, särskilt avlägsna landsbygdsområden eller områden med underutvecklat nätinfrastruktur, är nätets lastabsorptionskapacitet begränsad. När den installerade PV-kapaciteten i samma distributionsområde är för stor, matas en stor mängd PV-producerad energi in i nätet. Om nätet inte kan absorbera denna energi på ett effektivt sätt, kommer nätspänningen att stiga.

Transformerrelaterade problem

Transformer spelar en viktig roll i spänningskonvertering och energifördelning i nätet:

Om transformatorn ligger långt ifrån nätanslutningspunkten, höjs vanligtvis dess utgångsspänning för att kompensera för linjespänningsförlust och säkerställa normal spänning i områden långt ifrån transformatorn. Detta kan dock orsaka för hög spänning vid nätanslutningspunkten nära transformatorn.

Orationella transformatorstappningsinställningar eller driftfel (t.ex. dålig kontakt på tappningsändringaren) kan påverka transformatorns vindningsförhållande, vilket leder till abnorm spänningshöjning och utlöst ett nätspänningsöverskridande fel.

(3) Inverterrelaterade faktorer: Initiala inställningar och driftfel

Inverterare levereras från fabriken med en standardinställd spänningsskyddsomfattning. I praktiska tillämpningar, om detta förinställda område inte matchar de faktiska lokala nätvillkoren, kan missbedömning uppstå. Till exempel, om nätspänningen fluktuerar inom det normala området men inverterarens spänningsskyddströskel är inställd för lågt, kommer inverteraren ofta att rapportera spänningsöverskridande fel.

Under långsiktig drift kan inverterare drabbas av maskinvarufel (t.ex. skadade spänningsprovtagningskretsar, defekta kontrollplankor). Dessa fel gör att inverteraren inte korrekt upptäcker nätspänningen, vilket leder till felaktig aktivering av spänningsöverskridandesskyddsmekanismen och inverterarestopp.

Problem med anslutning av flera inverterare

I storskaliga PV-anläggningar är ofta flera inverterare anslutna till nätet samtidigt. Om flera enfasiga inverterare är koncentrerade på en fas, kommer strömmen på den fasen att vara för hög, vilket orsakar nätspänningsobalans och höjer spänningen på den fasen.

III. Faror med spänningsöverskridande fel för PV-anläggningar och nätet

(1) Skada på PV-anläggningsekvipering: Ökad risk för inverterarfel

När nätspänningen är för hög, bärs elektroniska komponenter inuti inverteraren av spänning som överstiger deras nominella värde, vilket accelererar komponenternas åldrande eller rentav orsakar direkt skada.

Till exempel, strömbrytare i inverterare (som IGBT, Isolerade Gate Bipolar Transistorer) upplever ökad spänningsbelastning vid in- och avkoppling under spänningsöverskridande, vilket gör dem benägna att brytas ner och göra inverteraren obrukbar.

Dessutom kan spänningsöverskridande orsaka fel i inverterarens styrcircuit, vilket minskar dess förmåga att exakt styra utgångsspänning och ström och ytterligare minskar inverterarens prestanda och tillförlitlighet.

Förkortad livslängd för PV-moduler

För hög nätspänning kan matas tillbaka till PV-modulernas sida genom inverteraren, vilket höjer modulernas driftspänning. Långsiktig drift av PV-moduler under hög spänning kan ändra prestandan hos deras interna halvledarmaterial, vilket leder till problem som heta punkter och mikrorickor.

(2) Påverkan på nätstabilitet: Försämrade strömavlastningskvaliteter

Nätspänningsöverskridande försämrar strömavlastningskvaliteten och orsakar harmonisk förorening. När spänningen överstiger det normala området genererar icke-linjära laster i strömsystemet ytterligare harmoniska strömmar, vilket i sin tur ytterligare stör nätspänningen, skapar en ondskefull cirkel. Harmoniska strömmar ökar värmebildningen i elektrisk utrustning, minskar servicelevnaden och kan störa det normala fungerandet av kommunikationssystem, vilket underminerar det totala stabiliteten i strömsystemet.

(3) Elproduktionstap och minskade ekonomiska vinster: Inverterarestopp och nedtonad drift

När en inverterare upptäcker nätspänningsöverskridande, stänger den av för skydd eller drivs med nedtonad effekt för att säkerställa utrustningssäkerhet. Inverterarestopp gör att PV-anläggningen helt slutar producera el, vilket resulterar i direkt elproduktionstap.

Ökade långsiktiga drift- och underhållskostnader (O&M)

Skada på PV-anläggningsekvipering (t.ex. inverterare och PV-moduler) orsakad av spänningsöverskridande fel kräver snabb reparation och ersättning. Detta ökar inte bara kortfristiga reparationsekonomier utan kräver också mer frekventa utrustningsersättningar i framtiden på grund av förkortad servicelevnad, vilket höjer långsiktiga O&M-kostnader.

IV. Effektiva lösningar för spänningsöverskridande fel

(1) Planering och designoptimering före byggnation: Kompletterande nätundersökning och bedömning

I planeringsfasen för en PV-anläggning bör en kompletterande och detaljerad undersökning och bedömning av det lokala nätet genomföras. Viktiga parametrar som nätstruktur, kapacitet, lastvillkor och spänningsfluktuationsspann bör grundligt förstås. Professionell strömavlastningsanalysprogramvara bör användas för att simulera och analysera den potentiella inverkan av PV-anläggningen på nätet efter anslutning.

Till exempel, verktyg som PSCAD (Power System Computer-Aided Design) eller ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) kan simulera nätspänningsändringar vid olika PV-installerade kapaciteter, anslutningsplatser och anslutningsmetoder. Detta hjälper till att bestämma den mest rimliga PV-anläggningsplanen, säkerställer hälsosam spänning vid nätanslutningspunkten och minskar risken för spänningsöverskridande fel vid källan.

Rationell planering av PV-installerad kapacitet

Baserat på nätets lastabsorptionskapacitet och transformatorkapacitet bör PV-anläggningens installerade kapacitet rationellt planeras. Undvik att koncentrera för mycket PV-utrustning i samma distributionsområde för att förhindra spänningshöjning orsakad av för mycket PV-producerad energi som nätet inte kan absorbera.

Optimering av inverteranslutningsmetoder

För PV-anläggningar med flera inverterare bör inverteranslutningsmetoderna optimeras. Undvik att koncentrera flera enfasiga inverterare på en fas, istället distribuera dem jämnt över de tre nätfaserna för att uppnå flerpunktsnätanslutning. Detta balanserar trefasströmmen och minskar spänningsobalans och höjning orsakad av för mycket enfasström.

(2) Utrustningsval, installation och inrättningsspecifikationer: Användning av högkvalitativa kablar och rationell kablage

I PV-anläggningens konstruktion bör högkvalitativa kablar som uppfyller nationella standarder användas. Kablarnas specifikationer och tvärsnitt bör väljas baserat på faktisk överföringsenergi och avstånd.

För långdistans nätanslutning krävs ett större kabeltvärsnitt för att minska linjelåtande och spänningsfall.

Samtidigt bör kablage vara rationellt för att undvika för långa, snurrade eller onödigt böjda kablar. Under kablage kan kabelfästen eller rör användas för att skydda och organisera kablar, vilket säkerställer säker kabldrift.

Till exempel, i storskaliga PV-anläggningar kan underjordisk kablagning användas, och kabellinjer kan rationellt planeras för att minska kabblängd och korsningar, vilket förbättrar energiöverföringseffektiviteten och minskar sannolikheten för spänningsöverskridande fel.

Exakt invertervals och installation

Vid invertervals bör full hänsyn tas till de lokala nätvillkoren. Inverterare med ett brett spänningsanpassningsområde, tillförlitligt spänningsöverskridandesskydd och hög effektomvandlingsverkningsgrad bör väljas.

Under installationen ska korrekt växelströmskablage av inverteraren säkerställas för att undvika spänningsanomalier orsakade av byte av fas- och neutralledare.

Rationell transformatorkonfiguration och underhåll

Transformatorer med bra spänningsregleringsprestanda bör väljas för att möjliggöra snabb justering när nätspänningen fluktuerar. Samtidigt bör dagligt underhåll och övervakning av transformatorer stärkas. Transformatorparametrar som tappningsändringare, vindningar och oljenivåer bör regelbundet inspekteras för att säkerställa normal transformatordrift.

För transformatorer långt ifrån nätanslutningspunkten kan belastningsändringar under drift användas för att i realtid justera transformatorns utgångsspänning via fjärrstyrning, vilket säkerställer att spänningen vid nätanslutningspunkten hålls inom det normala området.

(3) Driftövervakning och intelligenta regleringsstrategier: Etablering av ett realtidsövervakningssystem

Ett komplett realtidsövervakningssystem bör etableras för PV-anläggningen för att övervaka nätparametrar som spänning, ström, effekt och frekvens i realtid. Sensorer installerade vid nätanslutningspunkten, inverterarens utgångsslut och PV-moduler skickar insamlade data till övervakningscentret i realtid. Big data-analys och molnbaserade beräkningsplattformar används för att analysera och bearbeta övervakningsdata, vilket möjliggör tidig upptäckt av anomalier som spänningsöverskridande.

Till exempel, genom att ställa in en varningströskel för spänningsöverskridande, skickar systemet automatiskt en varning när den övervakade nätspänningen närmar sig eller överskrider tröskeln, vilket påminner O&M-personal att vidta tidiga åtgärder för att förhindra fel.

Regelbunden underhåll och felsökning

En strikt regelbunden underhållsplan bör formuleras för PV-anläggningen för att regelbundet inspektera, underhålla och vårdar utrustning.

Driftstatusen för utrustning som inverterare, PV-moduler, kablar och transformatorer bör regelbundet kontrolleras för att identifiera och reparera potentiella felsituationer i tid. Under underhåll bör utrustningsparametrar testas och registreras, och historiska data bör jämföras för att analysera utrustningsdriftstrender och förutsäga potentiella fel i förväg.