Механизм и анализ опасностей эффекта изолированности в фотоэлектрических системах генерации электроэнергии, подключенных к сети

С преобразованием глобальной энергетической структуры в сторону чистоты и низкой карбонизации фотоэлектрическая энергетика, как основной компонент распределенных источников энергии, была широко интегрирована в систему государственных электросетей, обеспечивая важную поддержку энергоснабжения. Однако при эксплуатации фотоэлектрических систем генерации электроэнергии, подключенных к сети, островной эффект, как типичное явление ненормальной работы, стал ключевой скрытой опасностью, влияющей на безопасную и стабильную работу электросети, срок службы оборудования и безопасность персонала из-за его сильной маскировки и широкого диапазона опасностей. Углубленный анализ механизма возникновения островкового эффекта и выяснение его конкретных опасностей имеют большое инженерно-практическое значение для оптимизации проектирования, управления безопасностью и стандартного совершенствования сетевых фотоэлектрических систем.

1. Определение и механизм возникновения эффекта изолированности.

Эффект изолированности — это уникальное электрическое аномальное явление в фотоэлектрических системах производства электроэнергии, подключенных к сети. В частности, когда общественная энергосистема перестает подавать электроэнергию из-за электрических неисправностей, технического обслуживания оборудования, эксплуатационных ошибок или природных факторов (таких как тайфуны, проливные дожди, землетрясения и т. д.), подключенная к сети фотоэлектрическая система выработки электроэнергии не может своевременно обнаружить потерю напряжения в сети и продолжает подавать электроэнергию окружающим локальным нагрузкам, тем самым образуя самодостаточный «остров» электропитания, который полностью изолирован от основной сети и не может контролироваться или контролироваться энергетической компанией.

С точки зрения логики работы, подключенная к сети фотоэлектрическая система производства электроэнергии работает параллельно с общественной электросетью. При нормальной работе электросеть, являясь основой баланса мощности, играет стабильную регулирующую роль в выходном напряжении и частоте фотоэлектрической системы. Когда электросеть перестает подавать электроэнергию из-за различных внезапных ситуаций, если устройство обнаружения изолированности фотоэлектрической системы не реагирует своевременно, его инверторный источник питания будет продолжать подавать электроэнергию на местные нагрузки. В это время местный участок электроснабжения полностью отключается от основной сети, образуя самостоятельный энергоблок — «остров». Стоит отметить, что островной эффект – это не случайное явление, а общая потенциальная проблема в фотоэлектрических системах, подключенных к сети. Вероятность его возникновения тесно связана со стабильностью работы электросети, точностью обнаружения фотоэлектрической системы и степенью согласования нагрузки. Поэтому точное и своевременное обнаружение и отсечение острова стало ключевой технической проблемой при проектировании и эксплуатации подключенных к сети фотоэлектрических систем генерации электроэнергии.

Согласно соответствующим стандартам и отраслевым нормам Национальной энергетической администрации, фотоэлектрические системы, подключенные к сети, должны быть оснащены комплексными устройствами защиты от изолирования, чтобы гарантировать, что соединение с энергосистемой быстро отключается после сбоя питания в сети, тем самым ограничивая возникновение эффекта изолирования от источника. Это также одно из основных технических требований к фотоэлектрическим системам, подключенным к сети общего пользования.

2. Основные опасности островного эффекта

Возникновение эффекта изолированности не только влияет на нормальную работу самой фотоэлектрической системы, подключенной к сети, но также создает многомерные опасности для безопасности общественной электросети, электрооборудования, обслуживающего персонала и восстановления энергосистемы. В частности, его можно разделить на следующие четыре аспекта, и уровень его опасности охватывает личную безопасность, безопасность оборудования и безопасность электросети, на которых необходимо сосредоточиться на предотвращении и контроле.

(1) Нарушение стабильности работы электрооборудования и причинение ущерба оборудованию.

При нормальной работе электросеть общего пользования стабилизирует напряжение и частоту электропитания в заданном диапазоне с помощью собственного регулирующего механизма (частота электросети Китая составляет 50 Гц, а отклонение напряжения должно соответствовать требованиям «Технического регламента технологического присоединения к сетям фотоэлектрических энергетических систем»), обеспечивая стабильную среду электропитания электрооборудования. Когда возникает эффект изолированности, электропитание на острове полностью поддерживается источником питания фотоэлектрического инвертора, теряя регулирующую роль основной сети, что приводит к тому, что напряжение и частота на острове склонны к отклонению от допустимого диапазона.

С одной стороны, чрезмерно высокое или низкое напряжение напрямую повлияет на нормальную работу электрооборудования на стороне пользователя, например, приведет к перегоранию компонентов цепей бытовой техники и офисного оборудования, сокращению срока службы оборудования и даже к необратимому повреждению оборудования. С другой стороны, отклонение частоты повлияет на скорость оборудования моторного типа (например, водяных насосов, вентиляторов и т. д.), что приведет к ненормальной работе и снижению эффективности оборудования, а в серьезных случаях может даже вызвать механические неисправности оборудования. Кроме того, если мощность нагрузки на острове превышает номинальную мощность источника питания фотоэлектрического инвертора, источник питания инвертора будет работать в состоянии перегрузки в течение длительного времени, что может привести к возгоранию внутренних компонентов из-за перегрева и перегрузки по току, что приведет к повреждению собственного оборудования фотоэлектрической системы и увеличению затрат на техническое обслуживание.

(2) Угроза личной безопасности обслуживающего персонала и снижение безопасности электросетей.

После того как электросеть перестает подавать электроэнергию, обслуживающий персонал обычно проводит проверку и техническое обслуживание неисправных линий. В это время обслуживающий персонал предполагает, что линии находятся в обесточенном состоянии, и выполняет операции по техническому обслуживанию. Однако, когда возникает эффект изолирования, неисправные линии, подключенные к источнику питания фотоэлектрического инвертора, все еще находятся в рабочем состоянии, и это активное состояние сильно скрыто - обслуживающий персонал не может быстро обнаружить существование островного состояния с помощью обычных методов обнаружения и, вероятно, неправильно оценит состояние линий под напряжением, что приведет к поражению электрическим током и серьезной угрозе личной безопасности обслуживающего персонала.

В то же время линии под напряжением на территории острова станут потенциальной скрытой опасностью для безопасной работы энергосистемы. Как только обслуживающий персонал или другой персонал вступит в контакт с линиями под напряжением, это не только приведет к травмам, но также может спровоцировать вторичные катастрофы, такие как короткие замыкания и пожары, что еще больше усугубит последствия аварии и значительно снизит безопасность и надежность всей энергосистемы. Это также одна из наиболее серьезных опасностей островкового эффекта. Поэтому одной из основных целей оперативного реагирования противоостровочной защиты является обеспечение безопасности действий персонала.

(3) Вмешательство в операцию повторного включения электросети и усугубление повреждения оборудования.

Когда электросеть прекращает подачу электроэнергии из-за неисправности, энергосистема обычно начинает операцию повторного включения, чтобы попытаться восстановить сетевое электропитание, что является традиционным средством устранения неисправности электросети. Однако при наличии эффекта изолирования операция повторного включения столкнется с серьезными рисками для безопасности: из-за несоответствия между частотой электропитания и фазой напряжения на участке острова и в основной сети, когда происходит действие повторного включения, основной источник питания сети и островной источник питания будут иметь серьезный конфликт фаз, генерирующий огромный пусковой ток, что приведет к повторному отключению линии и невозможности нормального восстановления электропитания.

Более серьезно, этот пусковой ток окажет сильное воздействие на силовое оборудование, такое как источники питания фотоэлектрических инверторов, распределительные устройства электросетей и трансформаторы, что может привести к повреждению изоляции оборудования и перегоранию основных компонентов, еще больше расширяя масштаб повреждения оборудования, увеличивая сложность и стоимость восстановления после сбоя в электросети и даже может вызвать цепные реакции, влияющие на стабильность электроснабжения прилегающих территорий.

(4) Влияние на общий режим работы электросети и увеличение сложности обслуживания.

Зона независимого электроснабжения, образующаяся в результате эффекта изолированности, находится за пределами контроля энергокомпании. Диспетчерская служба не может отслеживать состояние электроснабжения, изменение нагрузки и состояние работы оборудования на острове, что приводит к потере целостности и управляемости диспетчеризации работы электросетей. С одной стороны, дисбаланс мощности на острове может вызвать постоянные колебания напряжения и частоты. Если остров случайно снова подключится к основной сети, это повлияет на стабильность работы основной сети и повлияет на регулирование частоты и контроль напряжения электросети. С другой стороны, сокрытие эффекта изолированности значительно увеличивает сложность обнаружения и устранения неисправностей. Обслуживающему персоналу приходится тратить много времени на определение местоположения острова и устранение причин неисправности, что увеличивает время восстановления после сбоя электросети, что влияет на нормальное энергопотребление пользователей, а также увеличивает рабочую нагрузку и стоимость обслуживания электросети.

3. Заключение

Подводя итог, можно сказать, что эффект изолированности представляет собой неизбежную угрозу безопасности во время работы фотоэлектрических систем производства электроэнергии, подключенных к сети. Его генерация тесно связана с состоянием работы электросети и способностью обнаружения фотоэлектрической системы и может вызвать различные серьезные угрозы для личной безопасности, электрооборудования, работы энергосистемы и устранения неисправностей. С постоянным расширением масштабов производства фотоэлектрической энергии и популяризацией распределенных фотоэлектрических систем предотвращение и контроль эффекта изолированности стало ключевым звеном для обеспечения безопасной, стабильной и эффективной работы фотоэлектрических систем, подключенных к сети.

В настоящее время в Китае создана соответствующая стандартная система, охватывающая обнаружение защиты от изолирования, установку защитных устройств и управление работой системы для фотоэлектрических систем, подключенных к сети, четко требуя, чтобы фотоэлектрические системы, подключенные к сети, были оснащены квалифицированными устройствами защиты от изолирования, чтобы гарантировать быстрое отключение соединения с сетью после сбоя питания в сети. В будущем, благодаря постоянному совершенствованию технологий обнаружения, применение новых методов обнаружения, таких как скорость изменения частоты и фазовые возмущения, еще больше повысит точность и скорость обнаружения островков, эффективно ограничивая возникновение эффекта островков. В то же время усиление управления эксплуатацией и техническим обслуживанием фотоэлектрических систем и строгое выполнение требований по обнаружению и сертификации оборудования также могут снизить опасность островного эффекта от источника, обеспечивая надежную гарантию здорового развития индустрии фотоэлектрической энергетики, а также безопасной и стабильной работы энергосистемы.