Hướng dẫn đầy đủ về lỗi quá áp tại nhà máy điện mặt trời: Nguyên nhân Rủi ro và Giải pháp Hệ thống

I. Điều gì là lỗi điện áp lưới quá cao?

Điện áp lưới quá cao đề cập đến hiện tượng trong hệ thống hoặc mạch điện mà điện áp vượt quá phạm vi hoạt động bình thường.

Nói chung, dưới tần số công nghiệp, nếu giá trị RMS (Root Mean Square) của điện áp xoay chiều tăng hơn 10% so với giá trị định mức và kéo dài hơn 1 phút, có thể xác định là lỗi điện áp lưới quá cao.

Ví dụ, trong hệ thống lưới ba pha 380V phổ biến ở Trung Quốc, nếu điện áp vượt quá 418V và kéo dài trong một thời gian nhất định, có thể gây ra lỗi điện áp lưới quá cao.

Trong các trạm điện mặt trời, bộ nghịch lưu nối lưới chịu trách nhiệm theo dõi điện áp lưới theo thời gian thực.

Bộ nghịch lưu thường được trang bị các cảm biến điện áp độ chính xác cao để thu thập tín hiệu điện áp lưới theo thời gian thực. Các cảm biến này truyền tín hiệu điện áp đã thu thập đến hệ thống điều khiển của bộ nghịch lưu, phân tích và xử lý tín hiệu để xác định xem điện áp lưới có nằm trong phạm vi quy định hay không.

Khi phát hiện điện áp lưới vượt quá phạm vi an toàn được đặt trước, bộ nghịch lưu sẽ ngay lập tức kích hoạt cơ chế bảo vệ, tắt máy và ngắt kết nối với lưới để ngăn chặn sự hư hại do điện áp quá cao và đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành.

Ngoài ra, trong một số trạm điện mặt trời lớn, các thiết bị giám sát chất lượng điện chuyên dụng được lắp đặt để theo dõi toàn diện, theo thời gian thực các thông số lưới khác nhau, giúp phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề về chất lượng điện như điện áp quá cao.

II. Nguyên nhân của lỗi điện áp quá cao

(1) Yếu tố đường dây: Tác động của trở kháng cáp

Cáp giữa bộ nghịch lưu và điểm kết nối lưới đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện năng.

Nếu cáp quá mỏng, điện trở của nó tăng lên. Theo Định luật Ohm (U = I×R), với dòng điện không đổi, điện trở cao hơn dẫn đến sự giảm điện áp lớn hơn, từ đó làm tăng điện áp đầu ra AC ở phía bộ nghịch lưu.

Cáp quá dài cũng làm tăng điện trở, gây ra vấn đề tương tự về điện áp. Ví dụ, trong các trạm điện mặt trời ở vùng xa, nơi điểm kết nối lưới cách xa, sử dụng cáp không phù hợp có thể dễ dàng dẫn đến lỗi điện áp quá cao do trở kháng cáp quá lớn.

Nếu cáp bị rối, độ tự cảm của nó tăng lên. Trong mạch điện xoay chiều, độ tự cảm cản trở dòng điện, làm gián đoạn phân phối điện áp và có thể gây ra điện áp quá cao.

Lỗi đấu dây

Trong quá trình lắp đặt ban đầu của trạm điện mặt trời, đấu dây cáp AC sai (ví dụ, nối cực trung tính vào dây nóng) có thể gây ra điện áp bất thường. Điều này có thể khiến bộ nghịch lưu phát hiện điện áp không khớp với điện áp lưới thực tế, từ đó kích hoạt cơ chế bảo vệ điện áp quá cao.

Sau khi bộ nghịch lưu đã hoạt động một thời gian, các mối nối lỏng lẻo hoặc kém trên dây lưới có thể làm tăng điện trở tiếp xúc. Theo Định luật Joule (Q = I²Rt, trong đó Q là nhiệt, I là dòng điện, R là điện trở, và t là thời gian), điện trở tiếp xúc cao hơn tạo ra nhiều nhiệt hơn, dẫn đến tăng nhiệt cục bộ. Điều này làm suy giảm hiệu suất điện của đường dây, gây ra sự tăng điện áp tạm thời ở bộ nghịch lưu và kích hoạt lỗi điện áp quá cao.

(2) Yếu tố cấu trúc lưới và tải: Xung đột giữa công suất lưới và khả năng hấp thụ tải

Ở một số khu vực, đặc biệt là vùng nông thôn xa xôi hoặc khu vực có hạ tầng lưới điện chưa phát triển, khả năng hấp thụ tải của lưới hạn chế. Khi công suất lắp đặt PV trong cùng khu vực phân phối điện quá lớn, một lượng lớn điện năng PV được cấp vào lưới. Nếu lưới không thể hấp thụ kịp thời và hiệu quả, điện áp lưới sẽ tăng lên.

Vấn đề liên quan đến biến áp

Biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp và phân phối điện trong lưới:

Nếu biến áp cách xa điểm kết nối lưới, điện áp đầu ra của nó thường được nâng cao để bù đắp tổn thất điện áp đường dây và đảm bảo điện áp bình thường ở các khu vực xa biến áp. Tuy nhiên, điều này có thể gây ra điện áp quá cao tại điểm kết nối lưới gần biến áp.

Cài đặt nấc biến áp không hợp lý hoặc lỗi vận hành (ví dụ, tiếp xúc kém của bộ chuyển nấc) có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ vòng cuộn của biến áp, dẫn đến sự tăng bất thường của điện áp đầu ra và kích hoạt lỗi điện áp lưới quá cao.

(3) Yếu tố liên quan đến bộ nghịch lưu: Cài đặt ban đầu và lỗi vận hành

Bộ nghịch lưu rời nhà máy với dải bảo vệ điện áp mặc định. Trong ứng dụng thực tế, nếu dải cài đặt này không phù hợp với điều kiện lưới địa phương, có thể xảy ra sai lầm. Ví dụ, nếu điện áp lưới dao động trong phạm vi bình thường nhưng ngưỡng bảo vệ điện áp của bộ nghịch lưu được cài đặt quá thấp, bộ nghịch lưu sẽ thường xuyên báo lỗi điện áp quá cao.

Trong quá trình hoạt động lâu dài, bộ nghịch lưu có thể gặp phải lỗi phần cứng (ví dụ, mạch lấy mẫu điện áp hỏng, bo mạch điều khiển hỏng). Những lỗi này làm cho bộ nghịch lưu phát hiện điện áp lưới không chính xác, dẫn đến kích hoạt sai cơ chế bảo vệ điện áp quá cao và tắt bộ nghịch lưu.

Vấn đề kết nối nhiều bộ nghịch lưu

Trong các trạm điện mặt trời lớn, thường có nhiều bộ nghịch lưu được kết nối đồng thời với lưới. Nếu nhiều bộ nghịch lưu đơn pha được tập trung trên một pha, dòng điện trên pha đó sẽ quá cao, gây mất cân bằng điện áp lưới và tăng điện áp của pha đó.

III. Nguy cơ của lỗi điện áp quá cao đối với trạm điện mặt trời và lưới điện

(1) Hư hỏng thiết bị trạm điện mặt trời: Tăng nguy cơ lỗi bộ nghịch lưu

Khi điện áp lưới quá cao, các thành phần điện tử bên trong bộ nghịch lưu chịu điện áp vượt quá giá trị định mức, làm tăng tốc độ lão hóa hoặc thậm chí gây hư hỏng trực tiếp.

Ví dụ, các thiết bị chuyển mạch điện (như IGBT, Transistor Bipolar Cổng Cách Ly) trong bộ nghịch lưu chịu căng thẳng điện áp tăng khi bật và tắt dưới điều kiện điện áp quá cao, dễ bị phá hủy và làm cho bộ nghịch lưu không hoạt động.

Ngoài ra, điện áp quá cao có thể gây lỗi trong mạch điều khiển của bộ nghịch lưu, làm giảm khả năng kiểm soát chính xác điện áp và dòng điện đầu ra, từ đó làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của bộ nghịch lưu.

Giảm tuổi thọ mô-đun PV

Điện áp lưới quá cao có thể được phản hồi qua bộ nghịch lưu đến phía mô-đun PV, làm tăng điện áp hoạt động của các mô-đun. Việc hoạt động lâu dài của mô-đun PV dưới điện áp cao có thể thay đổi hiệu suất của vật liệu bán dẫn bên trong, dẫn đến các vấn đề như điểm nóng và vết nứt nhỏ.

(2) Tác động đến ổn định lưới: Chất lượng điện năng suy giảm

Điện áp lưới quá cao làm suy giảm chất lượng điện năng và gây ô nhiễm hài. Khi điện áp vượt quá phạm vi bình thường, các tải phi tuyến trong hệ thống điện tạo ra thêm dòng điện hài, từ đó làm gián đoạn điện áp lưới, tạo ra vòng luẩn quẩn. Dòng điện hài tăng nhiệt trong thiết bị điện, giảm tuổi thọ và có thể can thiệp vào hoạt động bình thường của hệ thống thông tin liên lạc, làm suy yếu sự ổn định tổng thể của hệ thống điện.

(3) Mất điện năng sản xuất và giảm lợi ích kinh tế: Bộ nghịch lưu tắt và hoạt động giảm công suất

Khi bộ nghịch lưu phát hiện điện áp lưới quá cao, nó sẽ tắt để bảo vệ hoặc hoạt động ở công suất giảm để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Việc tắt bộ nghịch lưu khiến trạm điện mặt trời ngừng sản xuất điện hoàn toàn, dẫn đến mất điện năng trực tiếp.

Tăng chi phí vận hành và bảo dưỡng (O&M) lâu dài

Hư hỏng thiết bị trạm điện mặt trời (ví dụ, bộ nghịch lưu và mô-đun PV) do lỗi điện áp quá cao yêu cầu sửa chữa và thay thế kịp thời. Điều này không chỉ tăng chi phí sửa chữa ngắn hạn mà còn đòi hỏi thay thế thiết bị thường xuyên hơn trong tương lai do tuổi thọ giảm, tăng chi phí O&M lâu dài.

IV. Giải pháp hiệu quả cho lỗi điện áp quá cao

(1) Lập kế hoạch và tối ưu hóa thiết kế trước xây dựng: Khảo sát và đánh giá lưới điện toàn diện

Trong giai đoạn chuẩn bị xây dựng trạm điện mặt trời, cần tiến hành khảo sát và đánh giá toàn diện và chi tiết về lưới điện địa phương. Cần hiểu rõ các thông số quan trọng như cấu trúc lưới, công suất, tình trạng tải và phạm vi dao động điện áp. Nên sử dụng phần mềm phân tích điện chuyên nghiệp để mô phỏng và phân tích tác động tiềm năng của trạm điện mặt trời sau khi kết nối.

Ví dụ, các công cụ như PSCAD (Power System Computer-Aided Design) hoặc ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) có thể mô phỏng sự thay đổi điện áp lưới dưới các công suất PV lắp đặt khác nhau, vị trí kết nối và phương thức kết nối. Điều này giúp xác định kế hoạch xây dựng trạm điện mặt trời hợp lý nhất, đảm bảo điện áp lưới khỏe mạnh tại điểm kết nối và giảm rủi ro lỗi điện áp quá cao từ nguồn gốc.

Lập kế hoạch công suất PV hợp lý

Dựa trên công suất hấp thụ tải của lưới và công suất biến áp, công suất lắp đặt của trạm điện mặt trời nên được lập kế hoạch hợp lý. Tránh tập trung quá nhiều thiết bị PV trong cùng một khu vực phân phối điện để tránh tăng điện áp do lượng điện PV quá lớn mà lưới không thể hấp thụ.

Tối ưu hóa phương thức kết nối bộ nghịch lưu

Đối với các trạm điện mặt trời có nhiều bộ nghịch lưu, phương thức kết nối bộ nghịch lưu nên được tối ưu hóa. Tránh tập trung nhiều bộ nghịch lưu đơn pha trên một pha; thay vào đó, phân bố chúng đều trên ba pha lưới để đạt được kết nối đa điểm. Điều này cân bằng dòng điện ba pha và giảm mất cân bằng và tăng điện áp do dòng điện đơn pha quá lớn.

(2) Lựa chọn, lắp đặt và quy trình đưa vào sử dụng thiết bị: Sử dụng cáp chất lượng cao và đấu dây hợp lý

Trong quá trình xây dựng trạm điện mặt trời, nên sử dụng cáp chất lượng cao đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia. Quy cách và diện tích mặt cắt cáp nên được lựa chọn dựa trên công suất truyền tải thực tế và khoảng cách.

Đối với kết nối lưới xa, cần sử dụng cáp có diện tích mặt cắt lớn để giảm trở kháng và tổn thất điện áp.

Cùng với đó, đấu dây nên hợp lý để tránh cáp quá dài, rối hoặc uốn cong không cần thiết. Trong quá trình đấu dây, có thể sử dụng khay cáp hoặc ống dẫn để bảo vệ và sắp xếp cáp, đảm bảo an toàn cho việc vận hành cáp.

Ví dụ, trong các trạm điện mặt trời lớn, có thể sử dụng phương pháp đi cáp ngầm và quy hoạch tuyến cáp hợp lý để giảm chiều dài và giao nhau, cải thiện hiệu suất truyền tải điện và giảm xác suất lỗi điện áp quá cao.

Lựa chọn và lắp đặt bộ nghịch lưu chính xác

Khi lựa chọn bộ nghịch lưu, cần xem xét đầy đủ điều kiện lưới điện địa phương. Nên chọn bộ nghịch lưu có dải điện áp thích ứng rộng, bảo vệ điện áp quá cao đáng tin cậy và hiệu suất chuyển đổi điện năng cao.

Trong quá trình lắp đặt, đảm bảo đấu dây AC của bộ nghịch lưu đúng để tránh điện áp bất thường do hoán đổi dây pha và dây trung tính.

Cấu hình và bảo trì biến áp hợp lý

Nên chọn biến áp có khả năng điều chỉnh điện áp tốt để có thể điều chỉnh kịp thời khi điện áp lưới dao động. Đồng thời, cần tăng cường bảo trì và theo dõi biến áp hàng ngày. Các thông số như bộ chuyển nấc, cuộn dây và mức dầu cần được kiểm tra định kỳ để đảm bảo biến áp hoạt động bình thường.

Đối với biến áp cách xa điểm kết nối lưới, có thể sử dụng bộ chuyển nấc có tải để thực hiện điều chỉnh điện áp đầu ra của biến áp theo thời gian thực thông qua điều khiển từ xa, đảm bảo điện áp tại điểm kết nối lưới luôn nằm trong phạm vi bình thường.

(3) Giám sát vận hành và chiến lược điều chỉnh thông minh: Xây dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực

Nên xây dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực toàn diện cho trạm điện mặt trời để theo dõi các thông số lưới như điện áp, dòng điện, công suất và tần số theo thời gian thực. Các cảm biến được lắp đặt tại điểm kết nối lưới, đầu ra bộ nghịch lưu và mô-đun PV truyền dữ liệu thu thập theo thời gian thực đến trung tâm giám sát. Các nền tảng phân tích dữ liệu lớn và điện toán đám mây được sử dụng để phân tích và xử lý dữ liệu giám sát, giúp phát hiện kịp thời các bất thường như điện áp quá cao.

Ví dụ, bằng cách đặt ngưỡng cảnh báo sớm cho điện áp quá cao, hệ thống sẽ tự động gửi cảnh báo khi điện áp lưới theo dõi gần hoặc vượt quá ngưỡng, nhắc nhở nhân viên O&M thực hiện các biện pháp kịp thời để ngăn ngừa lỗi.

Bảo dưỡng định kỳ và khắc phục sự cố

Nên xây dựng kế hoạch bảo dưỡng định kỳ nghiêm ngặt cho trạm điện mặt trời để thực hiện kiểm tra, bảo dưỡng và bảo trì thiết bị định kỳ.

Trạng thái hoạt động của các thiết bị như bộ nghịch lưu, mô-đun PV, cáp và biến áp nên được kiểm tra định kỳ để phát hiện và sửa chữa kịp thời các rủi ro sự cố tiềm ẩn. Trong quá trình bảo dưỡng, các thông số thiết bị nên được kiểm tra và ghi lại, và so sánh dữ liệu lịch sử để phân tích xu hướng hoạt động của thiết bị và dự đoán các sự cố tiềm ẩn trước.