Mecanismo y análisis de riesgos del efecto isla en sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red

Con la transformación de la estructura energética global hacia la limpieza y la baja carbonización, la generación de energía fotovoltaica, como componente central de las fuentes de energía distribuida, se ha integrado ampliamente en el sistema de red eléctrica pública, brindando un importante apoyo al suministro de energía. Sin embargo, durante la operación de sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red, el efecto isla, como fenómeno típico de operación anormal, se ha convertido en un peligro oculto clave que afecta el funcionamiento seguro y estable de la red eléctrica, la vida útil del equipo y la seguridad del personal debido a su fuerte ocultamiento y amplio rango de peligro. El análisis en profundidad del mecanismo de generación del efecto isla y la clarificación de sus peligros específicos son de gran importancia práctica en ingeniería para la optimización del diseño, el control de seguridad y la mejora del estándar de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red.

1. Definición y mecanismo de generación del efecto isla

El efecto isla es un fenómeno eléctrico anormal único en los sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red. Específicamente, cuando la red eléctrica pública deja de suministrar energía debido a fallas eléctricas, mantenimiento de equipos, errores operativos o factores naturales (como tifones, lluvias intensas, terremotos, etc.), el sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red no detecta la pérdida de voltaje de la red de manera oportuna y aún continúa suministrando energía a las cargas locales circundantes, formando así una 'isla' de suministro de energía autosuficiente que está completamente aislada de la red principal y no puede ser monitoreada ni controlada por el compañía eléctrica.

Desde la perspectiva de la lógica de funcionamiento, el sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red funciona en paralelo con la red eléctrica pública. En funcionamiento normal, la red eléctrica, como núcleo del equilibrio energético, desempeña un papel regulador estable en la tensión de salida y la frecuencia del sistema fotovoltaico. Cuando la red eléctrica deja de suministrar energía debido a diversas situaciones repentinas, si el dispositivo de detección de isla del sistema fotovoltaico no responde de manera oportuna, su fuente de alimentación del inversor continuará suministrando energía a las cargas locales. En este momento, el área de suministro de energía local está completamente desconectada de la red principal, formando una unidad de suministro de energía independiente, es decir, una 'isla'. Vale la pena señalar que el efecto isla no es un fenómeno accidental sino un problema potencial común en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Su probabilidad de ocurrencia está estrechamente relacionada con la estabilidad del funcionamiento de la red eléctrica, la precisión de detección del sistema fotovoltaico y el grado de adaptación de la carga. Por lo tanto, la detección y el corte preciso y oportuno de la isla se ha convertido en un problema técnico clave en el diseño y operación de sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red.

De acuerdo con los estándares pertinentes y las normas industriales de la Administración Nacional de Energía, los sistemas fotovoltaicos conectados a la red deben estar equipados con dispositivos completos de protección anti-isla para garantizar que la conexión con la red eléctrica se corte rápidamente después de un corte de energía de la red, frenando así la generación del efecto isla desde la fuente. Este es también uno de los requisitos técnicos básicos para que los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se conecten a la red eléctrica pública.

2. Principales peligros del efecto isla

La aparición del efecto isla no sólo afecta el funcionamiento normal del propio sistema fotovoltaico conectado a la red, sino que también provoca peligros multidimensionales para la seguridad de la red eléctrica pública, los equipos eléctricos, el personal de mantenimiento y la recuperación del sistema eléctrico. Específicamente, se puede dividir en los siguientes cuatro aspectos, y su nivel de peligro cubre la seguridad personal, la seguridad de los equipos y la seguridad de la red eléctrica, que deben centrarse en la prevención y el control.

(1) Dañar la estabilidad operativa de los equipos eléctricos y causar daños al equipo

En condiciones normales de funcionamiento, la red eléctrica pública estabiliza el voltaje y la frecuencia del suministro de energía dentro del rango especificado a través de su propio mecanismo regulatorio (la frecuencia de la red eléctrica de China es de 50 Hz y la desviación de voltaje debe cumplir con los requisitos del 'Reglamento Técnico para la Conexión a la Red de Sistemas de Generación de Energía Fotovoltaica'), proporcionando un entorno de suministro de energía estable para los equipos eléctricos. Cuando se produce el efecto isla, el suministro de energía en el área de la isla está completamente respaldado por la fuente de alimentación del inversor fotovoltaico, perdiendo el papel regulador de la red principal, lo que hace que el voltaje y la frecuencia en la isla sean propensos a desviarse del rango permitido.

Por un lado, un voltaje excesivamente alto o bajo afectará directamente el funcionamiento normal de los equipos eléctricos del lado del usuario, como quemar los componentes del circuito de electrodomésticos y equipos de oficina, acortar la vida útil del equipo e incluso causar daños permanentes al equipo. Por otro lado, la desviación de frecuencia afectará la velocidad de los equipos de tipo motor (como bombas de agua, ventiladores, etc.), lo que provocará un funcionamiento anormal y una reducción de la eficiencia del equipo, e incluso puede causar fallas mecánicas del equipo en casos severos. Además, si la capacidad de carga en la isla es mayor que la capacidad nominal de la fuente de alimentación del inversor fotovoltaico, la fuente de alimentación del inversor funcionará en un estado de sobrecarga durante mucho tiempo, lo que es propenso a quemar componentes internos debido al sobrecalentamiento y la sobrecorriente, lo que provocará daños al propio equipo del sistema fotovoltaico y aumentará los costos de mantenimiento.

(2) Amenazar la seguridad personal del personal de mantenimiento y reducir la seguridad de la red eléctrica

Después de que la red eléctrica deja de suministrar energía, el personal de mantenimiento de energía generalmente realiza inspecciones y mantenimiento de las líneas defectuosas. En este momento, el personal de mantenimiento asume que las líneas están apagadas y realiza operaciones de mantenimiento. Sin embargo, cuando se produce el efecto de isla, las líneas defectuosas conectadas a la fuente de alimentación del inversor fotovoltaico todavía están en un estado activo, y este estado activo está muy oculto: el personal de mantenimiento no puede detectar rápidamente la existencia de la isla a través de métodos de detección convencionales y es probable que juzgue mal el estado activo de las líneas, causando así accidentes por descargas eléctricas y amenazando gravemente la seguridad personal del personal de mantenimiento.

Al mismo tiempo, las líneas con tensión en la zona de la isla se convertirán en posibles peligros ocultos para el funcionamiento seguro de la red eléctrica. Una vez que el personal de mantenimiento u otro personal entre en contacto con las líneas energizadas, no solo causará lesiones personales sino que también puede desencadenar desastres secundarios como cortocircuitos e incendios, ampliando aún más el impacto del accidente y reduciendo significativamente la seguridad y confiabilidad de todo el sistema de red eléctrica. Este es también uno de los peligros más graves del efecto isla. Por lo tanto, uno de los objetivos centrales de la respuesta rápida de la protección anti-isla es garantizar la seguridad de las operaciones del personal.

(3) Interferir con la operación de reconexión de la red eléctrica y agravar el daño al equipo

Cuando la red eléctrica deja de suministrar energía debido a una falla, el sistema eléctrico generalmente inicia la operación de reconexión para intentar restaurar el suministro de energía de la línea, que es un medio convencional de recuperación de fallas en la red eléctrica. Sin embargo, en presencia del efecto de isla, la operación de reconexión enfrentará serios riesgos de seguridad: debido a la inconsistencia entre la frecuencia del suministro de energía y la fase de voltaje del área de la isla y la red principal, cuando ocurre la acción de reconexión, el suministro de energía de la red principal y el suministro de energía de la isla tendrán un conflicto de fase severo, generando una enorme corriente de irrupción, lo que provocará que la línea se dispare nuevamente y no pueda restablecer el suministro de energía normalmente.

Lo que es más grave, esta corriente de irrupción causará un fuerte impacto en los equipos de energía, como las fuentes de alimentación de los inversores fotovoltaicos, los interruptores de la red eléctrica y los transformadores, lo que puede provocar daños en el aislamiento del equipo y quemado de los componentes centrales, ampliando aún más el alcance de los daños al equipo, aumentando la dificultad y el costo de la recuperación de fallas de la red eléctrica, e incluso puede desencadenar reacciones en cadena, afectando la estabilidad del suministro de energía de las áreas circundantes.

(4) Afectar el orden operativo general de la red eléctrica y aumentar la dificultad de mantenimiento

El área de suministro de energía independiente formada por el efecto isla está fuera del alcance de monitoreo de la compañía eléctrica. El departamento de despacho de energía no puede comprender el estado del suministro de energía, los cambios de carga y el estado de operación del equipo en la isla, lo que resulta en la pérdida de integridad y controlabilidad del despacho de operación de la red eléctrica. Por un lado, el desequilibrio energético en la isla puede provocar continuas fluctuaciones de tensión y frecuencia. Si la isla se vuelve a conectar accidentalmente a la red principal, afectará la estabilidad operativa de la red principal y afectará la regulación de frecuencia y el control de voltaje de la red eléctrica. Por otro lado, la ocultación del efecto isla aumenta en gran medida la dificultad de detección y manejo de fallas. El personal de mantenimiento debe dedicar mucho tiempo a localizar la posición de la isla y solucionar las causas de la falla, lo que extiende el tiempo de recuperación de fallas de la red eléctrica, afecta el consumo de energía normal de los usuarios y aumenta la carga de trabajo y el costo del mantenimiento de la red eléctrica.

3. Conclusión

En resumen, el efecto isla es un peligro de seguridad inevitable durante el funcionamiento de sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red. Su generación está estrechamente relacionada con el estado de funcionamiento de la red eléctrica y la capacidad de detección del sistema fotovoltaico, y causará varios peligros graves para la seguridad personal, los equipos eléctricos, el funcionamiento de la red eléctrica y la recuperación de fallas. Con la continua expansión de la escala de generación de energía fotovoltaica y la popularización de los sistemas fotovoltaicos distribuidos, prevenir y controlar el efecto isla se ha convertido en un vínculo clave para garantizar el funcionamiento seguro, estable y eficiente de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red.

En la actualidad, China ha establecido un sistema estándar relevante que cubre la detección anti-isla, la instalación de dispositivos de protección y la gestión de operación del sistema para energía fotovoltaica conectada a la red, exigiendo claramente que los sistemas fotovoltaicos conectados a la red deben estar equipados con dispositivos de protección anti-isla calificados para garantizar que la conexión a la red se corte rápidamente después de un corte de energía. En el futuro, con la mejora continua de la tecnología de detección, la aplicación de nuevos métodos de detección, como la tasa de cambio de frecuencia y la perturbación de fase, mejorarán aún más la precisión y la velocidad de la detección de isla, frenando efectivamente la aparición del efecto de isla. Al mismo tiempo, fortalecer la gestión de operación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos y aplicar estrictamente los requisitos de detección y certificación de equipos también puede reducir los peligros del efecto isla desde la fuente, proporcionando una fuerte garantía para el desarrollo saludable de la industria de generación de energía fotovoltaica y el funcionamiento seguro y estable de la red eléctrica.