Υπολογισμοί Σχεδίασης για Σχέδια Αδιάκριτης Σύνδεσης σε Τέρας και Διάσταση Μετατροπέα Σύνδεσης σε Φωτοβολταϊκά Πάρκα Βιομηχανικής Κλίμακας

1 Ταξινόμηση των Μεθόδων Αποτελεσματικής Κατάδεσμης για Φωτοβολταϊκές Σταθμούς Ηλεκτροπαραγωγής

Επηρεαζόμενες από διαφορές σε επίπεδα τάσης και δομές πλέγματος μεταξύ περιοχών, οι μεθόδοι κατάδεσμης του ουδέτερου σημείου των συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής κατατάσσονται κυρίως σε μη-αποτελεσματική κατάδεσμη και αποτελεσματική κατάδεσμη. Η μη-αποτελεσματική κατάδεσμη περιλαμβάνει την κατάδεσμη του ουδέτερου μέσω βρόχων καταστολής τόξου και τα συστήματα με μη-καταδεδεμένο ουδέτερο, ενώ η αποτελεσματική κατάδεσμη περιλαμβάνει την άμεση κατάδεσμη του ουδέτερου και την κατάδεσμη του ουδέτερου μέσω αντιστών. Η επιλογή της μεθόδου κατάδεσμης του ουδέτερου είναι ένα σύνθετο ζήτημα, που περιλαμβάνει συνειδητοποίηση της ευαισθησίας της προστασίας μεταδόσεων, των επιπέδων επενδύσεων, της συνεχότητας παροχής ρεύματος, της δυσκολίας λειτουργίας και συντήρησης, του πεδίου σφάλματος και της επίδρασης στη σταθερότητα του συστήματος.

1.1 Μη-Αποτελεσματική Κατάδεσμη
1.1.1 Κατάδεσμη του Ουδέτερου μέσω Βρόχων Καταστολής Τόξου

Ο βρόχος καταστολής τόξου εγκαταστάται στο ουδέτερο σημείο του συστήματος. Κατά τη διάρκεια σφαλμάτων, ο διαστροφικός ρευστός αντισταθμίζει τον κατακεραστικό ρευστό του συστήματος, και ο ρευστός σφάλματος στο σημείο κατάδεσμης είναι ο υπόλοιπος διαστροφικός ρευστός μετά την αντιστάθμιση. Κατά την εμφάνιση ενός μονοφασικού σφάλματος κατάδεσμης, ο βρόχος αντισταθμίζει τον κατακεραστικό ρευστό για να εξαλείψει γρήγορα το τόξο κατάδεσμης, καταστέλλοντας τα διακοπτόμενα τόξα και την υπερτάση. Το σύστημα μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί για μια σύντομη περίοδο μετά το σφάλμα, είναι κατάλληλο για σενάρια με υψηλή αξιοπιστία παροχής ρεύματος.

Βασικές ιδιότητες:

• Προστασία & Λειτουργία: Ο μικρός ρευστός κατάδεσμης καθιστά την κανονική προστασία μηδενικού ρευστού ανευθυνότητα, απαιτείται περίπλοκη μονοφασική προστασία κατάδεσμης. Ο βρόχος πρέπει να λειτουργεί σε καθεστώς υπεραντιστάθμισης, οι τεχνικοί πρέπει να προσαρμόζουν τις παραμέτρους με τις αλλαγές του πλέγματος, πολυπλοκοποιώντας τη συντήρηση.

• Διάταξη: Πρέπει να αποφεύγεται η συγκεντρωμένη εγκατάσταση πολλών βρόχων ή μονοβρόχων διατάξεων για να προλαμβάνεται η αποτυχία αντιστάθμισης.

• Εφαρμοσιμότητα & Περιορισμοί: Είναι κατάλληλη για συστήματα με μεγάλους μονοφασικούς κατακεραστικούς ρευστούς, μειώνοντας τις θερμικές επιπτώσεις των εξοπλισμών και επιτρέποντας μικρή συνεχή παροχή ρεύματος. Ωστόσο, η προστασία μεταδόσεων δεν μπορεί να αποκόψει γρήγορα τα σφάλματα σε μεσαίες-μεγάλες φωτοβολταϊκές σταθμούς. Έτσι, χρησιμοποιείται λιγότερο σε MW-επίπεδες και πάνω φωτοβολταϊκές σταθμούς και 10 kV/35 kV σημεία σύνδεσης, με τα πρώιμα συστήματα βρόχων καταστολής τόξου να μετατρέπονται.

1.1.2 Μη-Καταδεδεμένο Ουδέτερο

Τα συστήματα με μη-καταδεδεμένο ουδέτερο (μη-αποτελεσματική κατάδεσμη) έχουν ρευστούς σφάλματος από κατακεραστική συνδιασπώση γραμμών/εξοπλισμών κατά την εμφάνιση μονοφασικών σφαλμάτων, χωρίς σύνδεση κατάδεσμης. Αυτό επιτρέπει λειτουργία με σφάλμα 1-2 ώρες λόγω χαμηλών ρευστών και διατηρούμενης τάσης μεταξύ φάσεων, αλλά επιφέρει κίνδυνο ανακατατάσης τόξου και υπερτάσης, απαιτώντας υψηλή επιστροφή. Είναι κατάλληλο για μικρούς κατακεραστικούς ρευστούς (π.χ., AC πλευρές φωτοβολταϊκών αντιστροφέων, μετατροπείς χαμηλής τάσης).

1.2 Αποτελεσματική Κατάδεσμη
1.2.1 Άμεση Κατάδεσμη του Ουδέτερου

Παρέχει υψηλό ρευστό σφάλματος, ευαίσθητη προστασία, χαμηλή υπερτάση και χαλαρότερη επιστροφή, αλλά παρουσιάζει κίνδυνο μείωσης της αξιοπιστίας από υπερβολικά ρευστά κατάδεσμης και σοβαρή διαταραχή επικοινωνίας. Είναι κοινή σε ≥50 MW φωτοβολταϊκές σταθμούς ≥110 kV υψηλής τάσης μετατροπείς, με απομονωτικά διαστροφικά καταδεδεμένα για ευέλικτη κατάδεσμη.

1.2.2 Κατάδεσμη του Ουδέτερου μέσω Αντιστών

Εισάγει ενεργό ρευστό > κατακεραστικό ρευστό μέσω αντιστών κατάδεσμης, επιτρέποντας υψηλή ευαισθησία μηδενικής προστασίας για γρήγορη απομόνωση σφάλματος. Πλεονεκτήματα:

• Σταθερές παραμέτροι: Δεν απαιτούνται προσαρμογές κατά την αρχική λειτουργία.

• Οικονομία επιστροφής: Χαμηλά απαιτήματα επιστροφής από τη γρήγορη απομόνωση σφάλματος.

• Εφαρμογή: Μακρές συστήματα καλωδίων, υψηλότερης δυναμικότητας μετατροπείς/κινητήρες και φωτοβολταϊκές σταθμούς με υψηλούς κατακεραστικούς ρευστούς.

• Επίπεδο τάσης:

• ≥220 kV: άμεση κατάδεσμη

• 66–110 kV: πλειοψηφία άμεση, μειοψηφία μη-άμεση

• 6–35 kV: πλειοψηφία μη-άμεση, μειοψηφία άμεση

2 Υπολογισμός Ικανότητας Μετατροπέα Κατάδεσμης

Για MW-επίπεδες φωτοβολταϊκές σταθμούς 10/35 kV σημεία σύνδεσης (κατάδεσμη μέσω αντιστών), απαιτούνται ειδικοί μετατροπείς κατάδεσμης αν τα ουδέτερα δεν είναι καταδεδεμένα. Βήματα υπολογισμού:

• Βασική τάση: Αντιστοιχεί στην τάση του συστήματος σημείου σύνδεσης.

• Κατακεραστικός ρευστός: Συνολικός ρευστός καλωδίων/αεροφωνικών γραμμών και επιπτώσεις εξοπλισμού σταθμού.

• Τιμή αντίστασης: Να εξασφαλίζει γρήγορη ενεργοποίηση της μηδενικής προστασίας.

• Ικανότητα μετατροπέα: Λαμβάνει υπόψη την τάξη του αντιστών κατάδεσμης, συμπεριλαμβάνει δευτερεύουσες φορτίες αν λειτουργεί ως σταθμικός μετατροπέας.

3 Παράδειγμα Υπολογισμού Ικανότητας Μετατροπέα Κατάδεσμης
3.1 Σύντομη Περιγραφή Εργού
Μια 50 MW ομαδοποιημένη φωτοβολταϊκή σταθμός με σταθερές στήριξης σε υψηλία 1340 m (μέση ετήσια 3°C) δεν απαιτεί μείωση λόγω υψηλίας ή υγρασίας. Αποτελείται από 50×1 MW υποσυνόλα, το DC μετατρέπεται και επιτείνεται σε 35 kV τοπικά. Δέκα υποσύνολα σχηματίζουν μια συλλογική γραμμή που εισάγεται σε ένα 35 kV μονοσύνδεση σύστημα, επεξεργάζεται σε 110 kV (άμεση κατάδεσμη ουδέτερου). Ο 35 kV επιτείνων σταθμός περιλαμβάνει κύριο μετατροπέα χαμηλής τάσης, 5 φωτοβολταϊκές συλλογικές γραμμές, μετατροπέα κατάδεσμης, μετατροπέα σταθμικής εξυπηρέτησης, αντιστάσεις επιστροφής και PT κύκλους, με κατάδεσμη του ουδέτερου μέσω αντιστών.

3.2 Υπολογισμός Ικανότητας Μετατροπέα Κατάδεσμης
3.2.1 Μέθοδος Κατάδεσμης

Η βασική τάση του μετατροπέα κατάδεσμης αντιστοιχεί στην τάση 35 kV του συστήματος. Οι 35 kV συλλογικές γραμμές είναι κυρίως υπόγεια καλώδια (συνολικά 34 km), με 2 km αεροφωνικών γραμμών.

• Μονοφασικός κατακεραστικός ρευστός για 35 kV αεροφωνικές συλλογικές γραμμές:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Μονοφασικός κατακεραστικός ρευστός για 35 kV υπόγεια συλλογικές γραμμές:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): τάση μεταξύ γραμμών (kV); L: μήκος γραμμής (km))

Με αύξηση 13% στον κατακεραστικό ρευστό του 35 kV σταθμού, ο υπολογισμός του μονοφασικού κατακεραστικού ρευστού της φωτοβολταϊκής σταθμού ξεπερνά 10 A. Έτσι, το 35 kV σημείο κατάδεσμης ουδέτερου χρησιμοποιεί κατάδεσμη μέσω αντιστών.

3.2.2 Ικανότητα Μετατροπέα Κατάδεσμης

Για τον αντίστων κατάδεσμης, η βασική τάση U_R≥21.21kV. Κατά την εμφάνιση ενός μονοφασικού σφάλματος, ο ρευστός σφάλματος εδάφους ορίζεται σε 150–500 A, έτσι I_R=400A, και με R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.Σε συστήματα με χαμηλή αντίσταση κατάδεσμης, η ικανότητα του μετατροπέα κατάδεσμης είναι 1/10 της ικανότητας του ρευστού σφάλματος. Δεδομένου ότι υπάρχει ξεχωριστός μετατροπέας σταθμικής εξυπηρέτησης, οι δευτερεύουσες φορτίες αγνοούνται. Λαμβάνοντας υπόψη τεχνικά-οικονομικά παράγοντα, μετεωρολογικές συνθήκες και υψηλία, η ικανότητα ορίζεται σε 1000 kVA.

4.Συμπέρασμα

Η ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η φωτοβολταϊκή, συμβάλλει στις βιομηχανικές πολιτικές ανάπτυξης σε όλο τον κόσμο. Η μέθοδος κατάδεσμης του ουδέτερου επηρεάζει πτυχές όπως το σχεδιασμό και τη λειτουργία του συστήματος. Κατά την επιλογή της μεθόδου κατάδεσμης του ουδέτερου, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι επιπτώσεις στην αξιοπιστία της παροχής ρεύματος του συστήματος, την επίπεδο επιστροφής των εξοπλισμών και τη δυσκολία εφαρμογής της προστασίας μεταδόσεων.