Analyse du mécanisme et des risques liés à l'effet d'îlotage dans les systèmes de production d'énergie photovoltaïque connectés au réseau

Avec la transformation de la structure énergétique mondiale vers la propreté et une faible carbonisation, la production d’énergie photovoltaïque, en tant que composant essentiel des sources d’énergie distribuées, a été largement intégrée dans le système de réseau électrique public, fournissant un soutien important à l’approvisionnement énergétique. Cependant, lors du fonctionnement des systèmes de production d'énergie photovoltaïque connectés au réseau, l'effet d'îlotage, en tant que phénomène typique de fonctionnement anormal, est devenu un danger caché majeur affectant le fonctionnement sûr et stable du réseau électrique, la durée de vie des équipements et la sécurité du personnel en raison de sa forte dissimulation et de sa large gamme de risques. Une analyse approfondie du mécanisme de génération de l'effet d'îlotage et la clarification de ses dangers spécifiques revêtent une grande importance pratique en ingénierie pour l'optimisation de la conception, le contrôle de la sécurité et l'amélioration des normes des systèmes photovoltaïques connectés au réseau.

1. Définition et mécanisme de génération de l’effet d’îlotage

L’effet d’îlotage est un phénomène électrique anormal unique dans les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés au réseau. Plus précisément, lorsque le réseau électrique public cesse de fournir de l'électricité en raison de défauts électriques, de maintenance des équipements, d'erreurs de fonctionnement ou de facteurs naturels (tels que typhons, fortes pluies, tremblements de terre, etc.), le système de production d'énergie photovoltaïque connecté au réseau ne parvient pas à détecter la perte de tension du réseau en temps opportun et continue à fournir de l'énergie aux charges locales environnantes, formant ainsi un « îlot » d'alimentation électrique autonome qui est complètement isolé du réseau principal et ne peut pas être surveillé ou contrôlé par la compagnie d'électricité.

Du point de vue de la logique de fonctionnement, le système de production d'énergie photovoltaïque connecté au réseau fonctionne en parallèle avec le réseau électrique public. En fonctionnement normal, le réseau électrique, en tant que noyau de l’équilibre électrique, joue un rôle régulateur stable dans la tension et la fréquence de sortie du système photovoltaïque. Lorsque le réseau électrique cesse de fournir de l'énergie en raison de diverses situations soudaines, si le dispositif de détection d'îlotage du système photovoltaïque ne répond pas à temps, son alimentation par onduleur continuera à alimenter les charges locales. À l'heure actuelle, la zone d'alimentation électrique locale est complètement déconnectée du réseau principal, formant une unité d'alimentation électrique indépendante, à savoir une « île ». Il convient de noter que l’effet d’îlotage n’est pas un phénomène accidentel mais un problème potentiel courant dans les systèmes photovoltaïques connectés au réseau. Sa probabilité d'apparition est étroitement liée à la stabilité du fonctionnement du réseau électrique, à la précision de détection du système photovoltaïque et au degré d'adaptation de la charge. Par conséquent, la détection et la coupure précises et rapides de l’île sont devenues un problème technique clé dans la conception et l’exploitation des systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés au réseau.

Selon les normes pertinentes et les normes industrielles de l'Administration nationale de l'énergie, les systèmes photovoltaïques connectés au réseau doivent être équipés de dispositifs de protection anti-îlotage complets pour garantir que la connexion avec le réseau électrique est rapidement coupée après une panne de courant du réseau, limitant ainsi la génération de l'effet d'îlotage à partir de la source. C’est également l’une des principales exigences techniques pour que les systèmes photovoltaïques connectés au réseau soient connectés au réseau électrique public.

2. Principaux risques liés à l'effet d'îlotage

L’apparition de l’effet d’îlotage affecte non seulement le fonctionnement normal du système photovoltaïque connecté au réseau lui-même, mais entraîne également des risques multidimensionnels pour la sécurité du réseau électrique public, les équipements électriques, le personnel de maintenance et le rétablissement du système électrique. Plus précisément, il peut être divisé selon les quatre aspects suivants, et son niveau de danger couvre la sécurité des personnes, la sécurité des équipements et la sécurité du réseau électrique, qui doivent être axés sur la prévention et le contrôle.

(1) Endommager la stabilité opérationnelle des équipements électriques et causer des dommages aux équipements

En fonctionnement normal, le réseau électrique public stabilise la tension et la fréquence d'alimentation électrique dans la plage spécifiée grâce à son propre mécanisme de régulation (la fréquence du réseau électrique chinois est de 50 Hz et l'écart de tension doit être conforme aux exigences du « Règlement technique pour le raccordement au réseau des systèmes de production d'énergie photovoltaïque »), fournissant un environnement d'alimentation électrique stable pour les équipements électriques. Lorsque l'effet d'îlotage se produit, l'alimentation électrique dans la zone insulaire est entièrement prise en charge par l'alimentation de l'onduleur photovoltaïque, perdant le rôle de régulation du réseau principal, ce qui conduit à ce que la tension et la fréquence dans l'îlot aient tendance à s'écarter de la plage autorisée.

D'une part, une tension excessivement élevée ou basse affectera directement le fonctionnement normal de l'équipement électrique côté utilisateur, par exemple en brûlant les composants du circuit des appareils électroménagers et du matériel de bureau, en raccourcissant la durée de vie de l'équipement et même en causant des dommages permanents à l'équipement. D'un autre côté, l'écart de fréquence affectera la vitesse des équipements de type moteur (tels que les pompes à eau, les ventilateurs, etc.), entraînant un fonctionnement anormal et une efficacité réduite de l'équipement, et peut même provoquer des pannes mécaniques de l'équipement dans les cas graves. De plus, si la capacité de charge dans l'îlot est supérieure à la capacité nominale de l'alimentation de l'onduleur photovoltaïque, l'alimentation de l'onduleur fonctionnera dans un état de surcharge pendant une longue période, ce qui aura tendance à brûler les composants internes en raison d'une surchauffe et d'une surintensité, ce qui entraînera des dommages à l'équipement du système photovoltaïque et une augmentation des coûts de maintenance.

(2) Menace pour la sécurité personnelle du personnel de maintenance et réduction de la sécurité du réseau électrique

Une fois que le réseau électrique cesse de fournir de l’électricité, le personnel de maintenance électrique effectue généralement l’inspection et la maintenance des lignes défectueuses. A ce moment, le personnel de maintenance suppose que les lignes sont hors tension et effectue les opérations de maintenance. Cependant, lorsque l'effet d'îlotage se produit, les lignes défectueuses connectées à l'alimentation de l'onduleur photovoltaïque sont toujours dans un état sous tension, et cet état sous tension est hautement dissimulé : le personnel de maintenance ne peut pas détecter rapidement l'existence de l'îlot grâce aux méthodes de détection conventionnelles, et est susceptible de mal évaluer l'état sous tension des lignes, provoquant ainsi des accidents de choc électrique et menaçant sérieusement la sécurité personnelle du personnel de maintenance.

Dans le même temps, les lignes sous tension dans la zone insulaire constitueront des dangers potentiels cachés pour le fonctionnement sûr du réseau électrique. Une fois que le personnel de maintenance ou autre personnel entre en contact avec les lignes sous tension, cela provoquera non seulement des blessures, mais pourra également déclencher des catastrophes secondaires telles que des courts-circuits et des incendies, augmentant encore l'impact de l'accident et réduisant considérablement la sécurité et la fiabilité de l'ensemble du système de réseau électrique. C’est également l’un des risques les plus graves liés à l’effet d’îlotage. Par conséquent, l’un des principaux objectifs de la réponse rapide en matière de protection anti-îlotage est d’assurer la sécurité des opérations du personnel.

(3) Interférer avec le fonctionnement du réenclenchement du réseau électrique et aggraver les dommages aux équipements

Lorsque le réseau électrique cesse de fournir de l'énergie en raison d'un défaut, le système électrique démarre généralement l'opération de réenclenchement pour tenter de rétablir l'alimentation électrique du secteur, ce qui est un moyen conventionnel de récupération après panne du réseau électrique. Cependant, en présence de l'effet d'îlotage, l'opération de réenclenchement sera confrontée à de sérieux risques de sécurité : en raison de l'incohérence entre la fréquence d'alimentation et la phase de tension de la zone de l'îlot et du réseau principal, lorsque l'action de réenclenchement se produit, l'alimentation du réseau principal et l'alimentation de l'îlot auront un grave conflit de phase, générant un énorme courant d'appel, conduisant à un nouveau déclenchement de la ligne et à l'incapacité de rétablir l'alimentation électrique normalement.

Plus grave encore, ce courant d'appel aura un fort impact sur les équipements électriques tels que les alimentations des onduleurs photovoltaïques, les appareillages de commutation du réseau électrique et les transformateurs, ce qui peut entraîner des dommages à l'isolation de l'équipement et l'épuisement des composants principaux, élargissant encore davantage l'étendue des dommages à l'équipement, augmentant la difficulté et le coût de la récupération après panne du réseau électrique, et pouvant même déclencher des réactions en chaîne, affectant la stabilité de l'alimentation électrique des zones environnantes.

(4) Affectant l’ordre opérationnel global du réseau électrique et augmentant les difficultés de maintenance

La zone d'alimentation électrique indépendante formée par l'effet d'îlotage ne relève pas du champ de surveillance de la compagnie d'électricité. Le service de répartition de l'électricité ne peut pas comprendre l'état de l'alimentation électrique, les changements de charge et l'état de fonctionnement des équipements sur l'île, ce qui entraîne une perte d'intégrité et de contrôlabilité de la répartition du fonctionnement du réseau électrique. D'une part, le déséquilibre de puissance dans l'îlot peut provoquer des fluctuations continues de tension et de fréquence. Si l'îlot est accidentellement reconnecté au réseau principal, cela aura un impact sur la stabilité opérationnelle du réseau principal et affectera la régulation de fréquence et le contrôle de tension du réseau électrique. D’un autre côté, la dissimulation de l’effet d’îlotage augmente considérablement la difficulté de détection et de traitement des défauts. Le personnel de maintenance doit passer beaucoup de temps à localiser la position de l'îlot et à dépanner les causes des pannes, ce qui prolonge le temps de récupération après panne du réseau électrique, affecte la consommation électrique normale des utilisateurs et augmente la charge de travail et le coût de maintenance du réseau électrique.

3. Conclusion

En résumé, l’effet d’îlotage constitue un risque inévitable pour la sécurité lors de l’exploitation de systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés au réseau. Sa génération est étroitement liée à l'état de fonctionnement du réseau électrique et à la capacité de détection du système photovoltaïque, et elle entraînera divers risques graves pour la sécurité des personnes, les équipements électriques, le fonctionnement du réseau électrique et la récupération des pannes. Avec l'expansion continue de la production d'énergie photovoltaïque et la popularisation des systèmes photovoltaïques distribués, la prévention et le contrôle de l'effet d'îlotage sont devenus un maillon clé pour garantir le fonctionnement sûr, stable et efficace des systèmes photovoltaïques connectés au réseau.

À l'heure actuelle, la Chine a établi un système standard pertinent couvrant la détection anti-îlotage, l'installation de dispositifs de protection et la gestion du fonctionnement du système pour les systèmes photovoltaïques connectés au réseau, exigeant clairement que les systèmes photovoltaïques connectés au réseau soient équipés de dispositifs de protection anti-îlotage qualifiés pour garantir que la connexion au réseau est rapidement coupée après une panne de courant. À l'avenir, avec l'amélioration continue de la technologie de détection, l'application de nouvelles méthodes de détection telles que le taux de changement de fréquence et la perturbation de phase amélioreront encore la précision et la vitesse de détection de l'îlotage, limitant ainsi efficacement l'apparition de l'effet d'îlotage. Dans le même temps, le renforcement de la gestion de l'exploitation et de la maintenance des systèmes photovoltaïques et la mise en œuvre stricte des exigences de détection et de certification des équipements peuvent également réduire les risques d'effet d'îlotage à la source, offrant ainsi une solide garantie pour le développement sain de l'industrie de production d'énergie photovoltaïque et le fonctionnement sûr et stable du réseau électrique.