Повний гід з перевоління у сонячній електростанції: причини ризики та системні рішення

I. Що таке перенапруга в мережі?

Перенапруга в мережі — це явище в електроенергетичних системах або колах, коли напруга перевищує нормальний діапазон роботи.

Зазвичай, при промисловій частоті, якщо середнеквадратичне (RMS) значення альтернативного струму зростає більше ніж на 10% від номінального значення і триває більше 1 хвилини, це можна визначити як перенапругу в мережі.

Наприклад, у загальному трифазному системі 380В в Китаї, якщо напруга перевищує 418В і триває певний час, це може спричинити перенапругу в мережі.

У сонячних електростанціях, мережеві інвертори відповідають за реалізацію моніторингу напруги в мережі.

Інвертори зазвичай оснащені високоточними датчиками напруги для збору сигналів реального часу. Ці датчики передають зібрані сигнали до системи керування інвертора, яка аналізує та обробляє сигнали, щоб визначити, чи знаходиться напруга в мережі в заданому діапазоні.

Якщо виявлено, що напруга в мережі перевищує забезпечений безпечний діапазон, інвертор негайно активує механізм захисту, вимикається та відключається від мережі, щоб запобігти пошкодженню обладнання через перенапругу та забезпечити безпеку як обладнання, так і операторів.

Крім того, в деяких великих сонячних електростанціях встановлюються спеціальні пристрої моніторингу якості електроенергії, що дозволяють проводити комплексний, реальний моніторинг різних параметрів мережі, що дозволяє вчасно виявити та вирішити проблеми якості електроенергії, такі як перенапруга.

II. Причини перенапруги в мережі

(1) Фактори лінії: Вплив опору кабелю

Кабелі між інвертором та точкою підключення до мережі грають ключову роль у передачі електроенергії.

Якщо кабель занадто тонкий, його опір зростає. Згідно з законом Ома (U = I×R), при сталому струмі, більший опір призводить до більшого падіння напруги, що, в свою чергу, підвищує напругу на стороні виходу інвертора.

Занадто довгі кабелі також збільшують опір, що призводить до подібних проблем з підвищенням напруги. Наприклад, у сонячних електростанціях у віддалених районах, де точка підключення до мережі знаходиться далеко, використання кабелів не відповідних специфікацій легко може призвести до перенапруги через надмірний опір кабелю.

Якщо кабелі зплутані, їх індуктивність збільшується. У альтернативних колах, індуктивність заважає потоку струму, що ще більше порушує розподіл напруги та може спричинити перенапругу.

Помилки при підключенні

Під час початкової установки сонячної електростанції, неправильне підключення кабелів альтернативного струму (наприклад, підключення нейтрального терміналу до фазового проводу) може призвести до аномальної напруги. Це може призвести до того, що інвертор виявить напругу, яка не відповідає фактичній напрузі в мережі, що, в свою чергу, активує механізм захисту від перенапруги.

Після того, як інвертор працює протягом певного часу, розслаблені або погані з'єднання кабелів на стороні мережі можуть збільшити контактну опір. Згідно з законом Джоуля (Q = I²Rt, де Q — тепло, I — струм, R — опір, t — час), більший контактний опір генерує більше тепла, що призводить до місцевого підвищення температури. Це погіршує електричні характеристики лінії, що призводить до тимчасового підвищення напруги в інверторі та активує механізм захисту від перенапруги.

(2) Фактори структури мережі та навантаження: Суперечність між капасітетом мережі та поглинанням навантаження

У деяких регіонах, особливо в віддалених сільських районах або районах з недорозвиненою інфраструктурою мережі, поглинання навантаження мережі обмежене. Коли встановлена ​​потужність сонячних електростанцій у одному районі електропостачання занадто велика, велика кількість електроенергії, виробленої сонячними панелями, підключається до мережі. Якщо мережа не може своєчасно та ефективно поглинати цю енергію, напруга в мережі зростає.

Проблеми, пов'язані з трансформаторами

Трансформатори грають ключову роль у перетворенні напруги та розподілі електроенергії в мережі:

Якщо трансформатор знаходиться далеко від точки підключення до мережі, його вихідна напруга зазвичай підвищується, щоб компенсувати втрати напруги на лінії та забезпечити нормальну напругу в районах, віддалених від трансформатора. Однак, це може призвести до надмірної напруги біля точки підключення до мережі, близько до трансформатора.

Нерозумні налаштування кількості витків трансформатора або операційні вади (наприклад, поганий контакт комутатора витків) можуть впливати на співвідношення кількості витків, що призводить до аномального підвищення вихідної напруги та активує механізм захисту від перенапруги.

(3) Фактори, пов'язані з інверторами: Початкові налаштування та операційні вади

Інвертори виходять з заводу з налаштованим діапазоном захисту напруги. У практичних застосуваннях, якщо цей забезпечений діапазон не відповідає фактичним умовам місцевої мережі, може виникнути невірне визначення. Наприклад, якщо напруга в мережі коливається в нормальному діапазоні, але поріг захисту напруги інвертора встановлено занадто низько, інвертор часто буде повідомляти про виникнення перенапруги.

Під час довготривалої роботи, інвертори можуть дістати апаратні вади (наприклад, пошкоджені контури зразування напруги, несправні плати керування). Ці вади призводять до неточного визначення напруги в мережі інвертором, що призводить до невірного активування механізму захисту від перенапруги та вимкнення інвертора.

Проблеми підключення багатьох інверторів

У великих сонячних електростанціях часто однофазні інвертори з'єднуються з мережею одночасно. Якщо багато однофазних інверторів зосереджені на одній фазі, струм на цій фазі буде надто високим, що призведе до невідповідності напруги та підвищення напруги на цій фазі.

III. Шкода, завдана перенапругою в мережі сонячним електростанціям та мережі

(1) Пошкодження обладнання сонячних електростанцій: Збільшення ризику виникнення вад інверторів

При перенапрузі в мережі, електронні компоненти всередині інвертора відчувають напругу, яка перевищує їх номінальне значення, що прискорює старіння або навіть призводить до безпосереднього пошкодження.

Наприклад, пристрої управління струмом у інверторах (такі як IGBT, Біполярні транзистори з ізоляційним затвором) відчувають збільшене напруження при ввімкненні та вимкненні під час перенапруги, що робить їх складними до розряду, що робить інвертор непридатним до роботи.

Крім того, перенапруга може спричинити вади в керуючому контурі інвертора, що погіршує його здатність точно контролювати вихідну напругу та струм, що, в свою чергу, зменшує продуктивність та надійність інвертора.

Скорочення строку служби сонячних модулів

Занадто висока напруга в мережі може бути повернута на сторону сонячних модулів через інвертор, що збільшує напругу роботи модулів. Довготривала робота сонячних модулів при високій напрузі може змінити характеристики внутрішніх напівпровідникових матеріалів, що призводить до таких проблем, як гарячі точки та мікротріщини.

(2) Вплив на стабільність мережі: Погіршення якості електроенергії

Перенапруга в мережі погіршує якість електроенергії та спричиняє гармонічне забруднення. Коли напруга перевищує нормальний діапазон, нелінійні навантаження в електроенергетичній системі генерують додатковий гармонічний струм, що, в свою чергу, ще більше порушує напругу в мережі, створюючи замкнений круг. Гармоніки збільшують випромінювання тепла в електричному обладнанні, зменшують строк служби та можуть заважати нормальній роботі систем зв'язку, що погіршує загальну стабільність електроенергетичної системи.

(3) Втрати генерації електроенергії та зменшення економічної вигоди: Вимкнення інвертора та робота з пониженою потужністю

Коли інвертор виявляє перенапругу в мережі, він вимикається для захисту або працює з пониженою потужністю, щоб забезпечити безпеку обладнання. Вимкнення інвертора призводить до повного зупинення генерації електроенергії сонячною електростанцією, що призводить до безпосередніх втрат генерації.

Збільшення довгострокових витрат на обслуговування та ремонт (ОМ)

Пошкодження обладнання сонячної електростанції (наприклад, інвертори та сонячні модулі) через перенапругу в мережі потребує своєчасного ремонту та заміни. Це не тільки збільшує короткострокові витрати на ремонт, але також вимагає більш частого заміну обладнання в майбутньому через скорочення строку служби, що збільшує довгострокові витрати на обслуговування та ремонт.

IV. Ефективні рішення для перенапруги в мережі

(1) Планування та оптимізація проектування на етапі попереднього будівництва: Комплексне дослідження та оцінка мережі

На етапі попереднього будівництва сонячної електростанції, повинно бути проведено комплексне та детальне дослідження та оцінку місцевої мережі. Потрібно добре зрозуміти ключові параметри, такі як структура мережі, капасітет, умови навантаження та діапазон коливань напруги. Професійне програмне забезпечення для аналізу електроенергетичних систем повинно бути використано для моделювання та аналізу потенційного впливу сонячної електростанції на мережу після підключення.

Наприклад, інструменти, такі як PSCAD (Power System Computer-Aided Design) або ETAP (Electrical Transient Analyzer Program), можуть моделювати зміни напруги в мережі при різних встановлених потужностях сонячних електростанцій, місцях підключення та методах підключення. Це допомагає визначити найбільш раціональний план будівництва сонячної електростанції, забезпечує здорову напругу в точці підключення до мережі та зменшує ризик виникнення перенапруги в мережі.

Раціональне планування встановленої потужності сонячних електростанцій

На основі капасітету поглинання навантаження мережі та потужності трансформаторів, потужність сонячної електростанції повинна бути раціонально запланована. Необхідно уникати надмірної концентрації сонячного обладнання в одному районі електропостачання, щоб запобігти підвищенню напруги через надмірну потужність, яку мережа не може поглотити.

Оптимізація методів підключення інверторів

Для сонячних електростанцій з багатьма інверторами, метод підключення інверторів повинен бути оптимізовано. Необхідно уникати концентрації багатьох однофазних інверторів на одній фазі, замість цього, їх слід рівномірно розподілити на три фази мережі, щоб досягти багатоточкового підключення до мережі. Це збалансує струм на трьох фазах та зменшує невідповідність та підвищення напруги через надмірний струм на одній фазі.

(2) Вибір, встановлення та пуско-налагодження обладнання: Використання високоякісних кабелів та раціональне підключення

При будівництві сонячної електростанції, повинні бути використані високоякісні кабелі, які відповідають національним стандартам. Специфікації та площі перерізу кабелів повинні бути вибрані на основі фактичної потужності передачі та відстані.

Для підключення на великі відстані, потрібен більший переріз кабелю, щоб зменшити опір лінії та падіння напруги.

Також, підключення повинно бути раціональним, щоб уникнути занадто довгих, зплутаних або непотрібно згорнутих кабелів. Під час підключення, можна використовувати кабельні каналы або шахти, щоб захистити та організувати кабелі, забезпечуючи безпечну роботу кабелів.

Наприклад, у великих сонячних електростанціях, можна використовувати підземне прокладання кабелів, та раціонально планувати маршрути кабелів, щоб зменшити їхню довжину та перехрещення, покращити ефективність передачі електроенергії та зменшити ймовірність виникнення перенапруги в мережі.

Точне вибір та встановлення інверторів

При виборі інверторів, повинна бути врахована місцева мережа. Потрібно вибирати інвертори з широким діапазоном адаптації напруги, надійним захистом від перенапруги та високою ефективністю перетворення потужності.

Під час встановлення, треба гарантувати правильне підключення альтернативного струму до інвертора, щоб уникнути аномальної напруги, спричиненої помилковим підключенням фазного та нейтрального проводів.

Раціональна конфігурація та обслуговування трансформаторів

Повинні бути вибрані трансформатори з хорошими характеристиками регулювання напруги, щоб дозволити своєчасне регулювання, коли напруга в мережі коливається. Також, повинні бути посилені щоденні обслуговування та моніторинг трансформаторів. Параметри трансформаторів, такі як комутатори витків, витки та рівень масла, повинні регулярно перевірятися, щоб забезпечити нормальне функціонування трансформатора.

Для трансформаторів, розташованих далеко від точки підключення до мережі, можна використовувати комутатори витків під навантаженням, щоб здійснювати реальній час регулювання вихідної напруги трансформатора через віддалене керування, забезпечуючи, щоб напруга в точці підключення до мережі залишалася в нормальному діапазоні.

(3) Моніторинг та інтелектуальні стратегії регулювання: Створення системи реального часу моніторингу

Повинна бути створена комплексна система реального часу моніторингу для сонячної електростанції, щоб в режимі реального часу моніторити параметри мережі, такі як напруга, струм, потужність та частота. Датчики, встановлені в точці підключення до мережі, на виході інвертора та на сонячних модулях, передають зібрані дані до центру моніторингу в реальному часі.