Meccanismo e analisi dei rischi dell'effetto isola nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica collegati alla rete

Con la trasformazione della struttura energetica globale verso la pulizia e la bassa carbonizzazione, la generazione di energia fotovoltaica, come componente fondamentale delle fonti di energia distribuite, è stata ampiamente integrata nel sistema di rete elettrica pubblica, fornendo un importante supporto per l’approvvigionamento energetico. Tuttavia, durante il funzionamento dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica collegati alla rete, l'effetto isola, come tipico fenomeno di funzionamento anomalo, è diventato un pericolo nascosto chiave che influisce sul funzionamento sicuro e stabile della rete elettrica, sulla durata delle apparecchiature e sulla sicurezza del personale a causa del suo forte occultamento e dell'ampia gamma di pericoli. L'analisi approfondita del meccanismo di generazione dell'effetto isola e il chiarimento dei suoi rischi specifici sono di grande importanza pratica dal punto di vista ingegneristico per l'ottimizzazione della progettazione, il controllo della sicurezza e il miglioramento degli standard dei sistemi fotovoltaici collegati alla rete.

1. Definizione e meccanismo di generazione dell'effetto isolante

L’effetto isola è un fenomeno elettrico anomalo unico nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica collegati alla rete. Nello specifico, quando la rete elettrica pubblica smette di fornire energia a causa di guasti elettrici, manutenzione delle apparecchiature, errori operativi o fattori naturali (come tifoni, forti piogge, terremoti, ecc.), il sistema di generazione di energia fotovoltaica connesso alla rete non riesce a rilevare la perdita di tensione della rete in modo tempestivo e continua comunque a fornire energia ai carichi locali circostanti, formando così un''isola' di alimentazione autosufficiente che è completamente isolata dalla rete principale e non può essere monitorata o controllata dalla compagnia elettrica.

Dal punto di vista della logica di funzionamento, il sistema di generazione di energia fotovoltaica connesso alla rete funziona in parallelo con la rete elettrica pubblica. Durante il normale funzionamento, la rete elettrica, in quanto nucleo dell'equilibrio energetico, svolge un ruolo regolatore stabile nella tensione e nella frequenza di uscita del sistema fotovoltaico. Quando la rete elettrica smette di erogare energia a causa di varie situazioni improvvise, se il dispositivo di rilevamento islanding dell'impianto fotovoltaico non risponde in modo tempestivo, il suo alimentatore inverter continuerà a fornire energia ai carichi locali. In questo momento, l'area di fornitura elettrica locale è completamente disconnessa dalla rete principale, formando un'unità di alimentazione elettrica indipendente, ovvero un''isola'. Vale la pena notare che l’effetto islanding non è un fenomeno accidentale ma un potenziale problema comune nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete. La sua probabilità di occorrenza è strettamente correlata alla stabilità del funzionamento della rete elettrica, alla precisione di rilevamento del sistema fotovoltaico e al grado di adattamento del carico. Pertanto, il rilevamento e l’isolamento accurato e tempestivo dell’isola è diventato un problema tecnico chiave nella progettazione e nel funzionamento dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica connessi alla rete.

Secondo gli standard pertinenti e le norme di settore dell'Amministrazione Nazionale dell'Energia, gli impianti fotovoltaici connessi alla rete devono essere dotati di dispositivi di protezione anti-isola completi per garantire che la connessione con la rete elettrica venga rapidamente interrotta dopo un'interruzione di corrente, frenando così la generazione dell'effetto isola dalla fonte. Questo è anche uno dei requisiti tecnici fondamentali per gli impianti fotovoltaici connessi alla rete per connettersi alla rete elettrica pubblica.

2. Principali rischi dell'effetto isolante

Il verificarsi dell’effetto isola non solo influisce sul normale funzionamento del sistema fotovoltaico connesso alla rete stesso, ma causa anche rischi multidimensionali per la sicurezza della rete elettrica pubblica, delle apparecchiature elettriche, del personale di manutenzione e del ripristino del sistema elettrico. Nello specifico, può essere suddiviso nei seguenti quattro aspetti e il suo livello di pericolo copre la sicurezza personale, la sicurezza delle apparecchiature e la sicurezza della rete elettrica, che devono essere focalizzate sulla prevenzione e sul controllo.

(1) Danneggiare la stabilità operativa delle apparecchiature elettriche e causare danni alle apparecchiature

Durante il normale funzionamento, la rete elettrica pubblica stabilizza la tensione e la frequenza di alimentazione entro l'intervallo specificato attraverso il proprio meccanismo di regolamentazione (la frequenza della rete di frequenza elettrica cinese è 50 Hz e la deviazione di tensione deve essere conforme ai requisiti delle 'Regole tecniche per la connessione alla rete dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica'), fornendo un ambiente di alimentazione stabile per le apparecchiature elettriche. Quando si verifica l'effetto isola, l'alimentazione elettrica nell'area dell'isola è completamente supportata dall'alimentazione dell'inverter fotovoltaico, perdendo il ruolo regolatore della rete principale, portando la tensione e la frequenza nell'isola a deviare dall'intervallo consentito.

Da un lato, una tensione eccessivamente alta o bassa influenzerà direttamente il normale funzionamento delle apparecchiature elettriche lato utente, ad esempio bruciando i componenti del circuito degli elettrodomestici e delle apparecchiature per ufficio, riducendo la durata dell'apparecchiatura e persino causando danni permanenti all'apparecchiatura. D'altro canto, la deviazione di frequenza influirà sulla velocità delle apparecchiature di tipo motore (come pompe dell'acqua, ventilatori, ecc.), determinando un funzionamento anomalo e una ridotta efficienza dell'apparecchiatura e, nei casi più gravi, potrebbe persino causare guasti meccanici dell'apparecchiatura. Inoltre, se la capacità di carico nell'isola è maggiore della capacità nominale dell'alimentatore dell'inverter fotovoltaico, l'alimentatore dell'inverter funzionerà a lungo in uno stato di sovraccarico, con la tendenza a bruciare i componenti interni a causa del surriscaldamento e della sovracorrente, con conseguenti danni alle apparecchiature del sistema fotovoltaico e aumento dei costi di manutenzione.

(2) Minacciare la sicurezza personale del personale di manutenzione e ridurre la sicurezza della rete elettrica

Dopo che la rete elettrica smette di fornire energia, il personale addetto alla manutenzione dell'energia solitamente effettua ispezioni e manutenzioni sulle linee difettose. In questo momento, il personale di manutenzione presuppone che le linee siano in stato di spegnimento ed esegue le operazioni di manutenzione. Tuttavia, quando si verifica l'effetto isola, le linee difettose collegate all'alimentazione dell'inverter fotovoltaico sono ancora in uno stato attivo, e questo stato attivo è altamente nascosto: il personale di manutenzione non può rilevare rapidamente l'esistenza dell'isola attraverso metodi di rilevamento convenzionali ed è probabile che giudichi erroneamente lo stato attivo delle linee, causando così incidenti con scosse elettriche e minacciando seriamente la sicurezza personale del personale di manutenzione.

Allo stesso tempo, le linee attive nell'area dell'isola diventeranno potenziali pericoli nascosti per il funzionamento sicuro della rete elettrica. Una volta che il personale di manutenzione o altro personale entra in contatto con le linee sotto tensione, non solo causerà lesioni personali ma potrebbe anche innescare disastri secondari come cortocircuiti e incendi, ampliando ulteriormente l'impatto dell'incidente e riducendo significativamente la sicurezza e l'affidabilità dell'intero sistema di rete elettrica. Questo è anche uno dei rischi più gravi dell’effetto isola. Pertanto, uno degli obiettivi principali della risposta rapida della protezione anti-isola è garantire la sicurezza delle operazioni del personale.

(3) Interferenza con il funzionamento di richiusura della rete elettrica e danni aggravati alle apparecchiature

Quando la rete elettrica smette di fornire energia a causa di un guasto, il sistema di alimentazione solitamente avvia l'operazione di richiusura per tentare di ripristinare l'alimentazione di linea, che è un mezzo convenzionale di ripristino dai guasti della rete elettrica. Tuttavia, in presenza dell'effetto isola, l'operazione di richiusura andrà incontro a seri rischi per la sicurezza: a causa dell'incoerenza tra la frequenza di alimentazione e la fase di tensione dell'area dell'isola e della rete principale, quando si verifica l'azione di richiusura, l'alimentazione della rete principale e l'alimentazione dell'isola avranno un grave conflitto di fase, generando un'enorme corrente di spunto, che porterà alla linea che scatta nuovamente e non riesce a ripristinare normalmente l'alimentazione elettrica.

Più seriamente, questa corrente di spunto causerà un forte impatto sulle apparecchiature elettriche come alimentatori di inverter fotovoltaici, quadri di distribuzione della rete elettrica e trasformatori, che potrebbero causare danni all’isolamento delle apparecchiature e bruciatura dei componenti principali, ampliando ulteriormente la portata dei danni alle apparecchiature, aumentando la difficoltà e il costo del ripristino dei guasti della rete elettrica e potrebbero persino innescare reazioni a catena, influenzando la stabilità dell’alimentazione elettrica delle aree circostanti.

(4) Incidenza sull’ordine operativo complessivo della rete elettrica e aumento delle difficoltà di manutenzione

La zona di fornitura elettrica indipendente formata dall'effetto islanding non rientra nel campo di monitoraggio della società elettrica. Il dipartimento di dispacciamento dell'energia non è in grado di comprendere lo stato dell'alimentazione, le variazioni di carico e lo stato di funzionamento delle apparecchiature nell'isola, con conseguente perdita di integrità e controllabilità del dispacciamento del funzionamento della rete elettrica. Da un lato, lo squilibrio di potenza nell'isola può causare continue fluttuazioni di tensione e frequenza. Se l'isola viene ricollegata accidentalmente alla rete principale, ciò avrà un impatto sulla stabilità operativa della rete principale e influenzerà la regolazione della frequenza e il controllo della tensione della rete elettrica. D’altro canto, l’occultamento dell’effetto isola aumenta notevolmente la difficoltà di rilevamento e gestione dei guasti. Il personale di manutenzione deve dedicare molto tempo alla localizzazione della posizione dell'isola e alla risoluzione delle cause del guasto, estendendo il tempo di ripristino del guasto della rete elettrica, influenzando il normale consumo energetico degli utenti e aumentando il carico di lavoro e i costi di manutenzione della rete elettrica.

3. Conclusione

In sintesi, l’effetto isola è un inevitabile pericolo per la sicurezza durante il funzionamento dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica connessi alla rete. La sua generazione è strettamente correlata allo stato di funzionamento della rete elettrica e alla capacità di rilevamento del sistema fotovoltaico e causerà vari rischi gravi per la sicurezza personale, le apparecchiature elettriche, il funzionamento della rete elettrica e il ripristino dei guasti. Con la continua espansione della produzione di energia fotovoltaica e la diffusione dei sistemi fotovoltaici distribuiti, prevenire e controllare l’effetto isola è diventato un collegamento chiave per garantire il funzionamento sicuro, stabile ed efficiente dei sistemi fotovoltaici connessi alla rete.

Allo stato attuale, la Cina ha stabilito un sistema standard pertinente che copre il rilevamento anti-islanding, l’installazione dei dispositivi di protezione e la gestione del funzionamento del sistema per il fotovoltaico connesso alla rete, richiedendo chiaramente che i sistemi fotovoltaici collegati alla rete debbano essere dotati di dispositivi di protezione anti-island qualificati per garantire che la connessione alla rete venga rapidamente interrotta dopo un’interruzione di corrente. In futuro, con il continuo aggiornamento della tecnologia di rilevamento, l'applicazione di nuovi metodi di rilevamento come la velocità di variazione della frequenza e il disturbo di fase miglioreranno ulteriormente la precisione e la velocità del rilevamento islanding, frenando efficacemente il verificarsi dell'effetto islanding. Allo stesso tempo, il rafforzamento della gestione operativa e della manutenzione dei sistemi fotovoltaici e l’implementazione rigorosa dei requisiti di rilevamento e certificazione delle apparecchiature possono anche ridurre i rischi dell’effetto isola dalla fonte, fornendo una forte garanzia per il sano sviluppo del settore della produzione di energia fotovoltaica e il funzionamento sicuro e stabile della rete elettrica.