Mecanismo e análise de perigos do efeito de ilhamento em sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede

Com a transformação da estrutura energética global no sentido da limpeza e da baixa carbonização, a geração de energia fotovoltaica, como componente central das fontes de energia distribuídas, foi amplamente integrada no sistema de rede eléctrica pública, proporcionando um importante apoio ao fornecimento de energia. No entanto, durante a operação de sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede, o efeito de ilhamento, como um típico fenômeno de operação anormal, tornou-se um perigo oculto chave que afeta a operação segura e estável da rede elétrica, a vida do equipamento e a segurança do pessoal devido à sua forte ocultação e ampla faixa de perigo. A análise aprofundada do mecanismo de geração do efeito de ilhamento e o esclarecimento de seus perigos específicos são de grande importância prática de engenharia para a otimização do projeto, controle de segurança e melhoria padrão de sistemas fotovoltaicos conectados à rede.

1. Definição e mecanismo de geração do efeito de ilhamento

O efeito de ilhamento é um fenômeno elétrico anormal único em sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede. Especificamente, quando a rede elétrica pública para de fornecer energia devido a falhas elétricas, manutenção de equipamentos, erros operacionais ou fatores naturais (como tufões, chuvas fortes, terremotos, etc.), o sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede não consegue detectar a perda de tensão da rede em tempo hábil e ainda continua a fornecer energia para as cargas locais vizinhas, formando assim uma "ilha" de fornecimento de energia autossuficiente que é completamente isolada da rede principal e não pode ser monitorada ou controlada pela companhia de energia.

Do ponto de vista da lógica de operação, o sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede opera em paralelo com a rede pública. Em operação normal, a rede elétrica, como núcleo do equilíbrio de energia, desempenha um papel regulador estável na tensão e frequência de saída do sistema fotovoltaico. Quando a rede elétrica deixa de fornecer energia devido a diversas situações repentinas, se o dispositivo de detecção de ilhamento do sistema fotovoltaico não responder em tempo hábil, a fonte de alimentação do inversor continuará a fornecer energia às cargas locais. Neste momento, a área de fornecimento de energia local está completamente desconectada da rede principal, formando uma unidade de fornecimento de energia independente – ou seja, uma “ilha”. Vale a pena notar que o efeito de ilhamento não é um fenómeno acidental, mas um problema potencial comum em sistemas fotovoltaicos ligados à rede. Sua probabilidade de ocorrência está intimamente relacionada à estabilidade da operação da rede elétrica, à precisão de detecção do sistema fotovoltaico e ao grau de correspondência de carga. Portanto, detectar e isolar a ilha de forma precisa e oportuna tornou-se um problema técnico fundamental no projeto e operação de sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede.

De acordo com os padrões relevantes e as normas da indústria da Administração Nacional de Energia, os sistemas fotovoltaicos ligados à rede devem ser equipados com dispositivos completos de protecção anti-ilhamento para garantir que a ligação à rede eléctrica seja rapidamente cortada após uma falha de energia da rede, reduzindo assim a geração do efeito de ilhamento da fonte. Este é também um dos principais requisitos técnicos para sistemas fotovoltaicos conectados à rede para se conectarem à rede elétrica pública.

2. Principais perigos do efeito de ilhamento

A ocorrência do efeito de ilhamento não afeta apenas a operação normal do próprio sistema fotovoltaico conectado à rede, mas também causa riscos multidimensionais à segurança da rede elétrica pública, aos equipamentos elétricos, ao pessoal de manutenção e à recuperação do sistema de energia. Especificamente, pode ser dividido nos seguintes quatro aspectos, e o seu nível de perigo abrange a segurança pessoal, a segurança dos equipamentos e a segurança da rede elétrica, que precisam ser focadas na prevenção e no controle.

(1) Prejudicar a estabilidade operacional de equipamentos elétricos e causar danos ao equipamento

Em operação normal, a rede elétrica pública estabiliza a tensão e a frequência da fonte de alimentação dentro da faixa especificada por meio de seu próprio mecanismo regulatório (a frequência da rede elétrica da China é de 50 Hz, e o desvio de tensão deve cumprir os requisitos do "Regulamento Técnico para Conexão à Rede de Sistemas de Geração de Energia Fotovoltaica"), proporcionando um ambiente de fornecimento de energia estável para equipamentos elétricos. Quando ocorre o efeito de ilhamento, o fornecimento de energia na área insular é totalmente suportado pela fonte de alimentação do inversor fotovoltaico, perdendo o papel regulador da rede principal, fazendo com que a tensão e a frequência na ilha fiquem propensas a se desviar da faixa permitida.

Por um lado, tensão excessivamente alta ou baixa afetará diretamente o funcionamento normal dos equipamentos elétricos do lado do usuário, como queima dos componentes do circuito de eletrodomésticos e equipamentos de escritório, encurtando a vida útil do equipamento e até causando danos permanentes ao equipamento. Por outro lado, o desvio de frequência afetará a velocidade de equipamentos do tipo motor (como bombas d"água, ventiladores, etc.), levando ao funcionamento anormal e à redução da eficiência do equipamento, podendo até causar falhas mecânicas do equipamento em casos graves. Além disso, se a capacidade de carga na ilha for maior que a capacidade nominal da fonte de alimentação do inversor fotovoltaico, a fonte de alimentação do inversor operará em estado de sobrecarga por um longo período, o que pode queimar componentes internos devido ao superaquecimento e sobrecorrente, resultando em danos aos próprios equipamentos do sistema fotovoltaico e aumentando os custos de manutenção.

(2) Ameaçando a segurança pessoal do pessoal de manutenção e reduzindo a segurança da rede elétrica

Depois que a rede elétrica para de fornecer energia, o pessoal de manutenção de energia geralmente realiza inspeção e manutenção nas linhas defeituosas. Neste momento, o pessoal de manutenção assume que as linhas estão desligadas e realiza operações de manutenção. No entanto, quando ocorre o efeito de ilhamento, as linhas defeituosas conectadas à fonte de alimentação do inversor fotovoltaico ainda estão em estado ativo, e esse estado ativo é altamente oculto - o pessoal de manutenção não consegue detectar rapidamente a existência do ilhamento através de métodos de detecção convencionais e é provável que julgue mal o estado ativo das linhas, causando assim acidentes por choque elétrico e ameaçando seriamente a segurança pessoal do pessoal de manutenção.

Ao mesmo tempo, as linhas vivas na área insular tornar-se-ão potenciais perigos ocultos para o funcionamento seguro da rede eléctrica. Uma vez que o pessoal de manutenção ou outro pessoal entre em contato com as linhas vivas, isso não só causará ferimentos pessoais, mas também poderá desencadear desastres secundários, como curtos-circuitos e incêndios, ampliando ainda mais o impacto do acidente e reduzindo significativamente a segurança e a confiabilidade de todo o sistema da rede elétrica. Este é também um dos perigos mais graves do efeito de ilhamento. Portanto, um dos principais objectivos da resposta rápida da protecção anti-ilhamento é garantir a segurança das operações de pessoal.

(3) Interferência na operação de religamento da rede elétrica e agravamento de danos ao equipamento

Quando a rede elétrica para de fornecer energia devido a uma falta, o sistema de energia geralmente inicia a operação de religamento para tentar restaurar o fornecimento de energia da linha, que é um meio convencional de recuperação de falta na rede elétrica. No entanto, na presença do efeito de ilhamento, a operação de religamento enfrentará sérios riscos de segurança: devido à inconsistência entre a frequência da fonte de alimentação e a fase de tensão da área ilhada e da rede principal, quando a ação de religamento ocorrer, a fonte de alimentação da rede principal e a fonte de alimentação ilha terão um grave conflito de fase, gerando uma enorme corrente de partida, fazendo com que a linha dispare novamente e não consiga restaurar o fornecimento de energia normalmente.

Mais seriamente, esta corrente de partida causará um forte impacto em equipamentos de energia, tais como fontes de alimentação de inversores fotovoltaicos, quadros de distribuição da rede elétrica e transformadores, o que pode levar a danos no isolamento do equipamento e à queima de componentes principais, expandindo ainda mais o âmbito dos danos ao equipamento, aumentando a dificuldade e o custo da recuperação de falhas na rede elétrica, e até pode desencadear reações em cadeia, afetando a estabilidade do fornecimento de energia das áreas circundantes.

(4) Afetando a ordem operacional geral da rede elétrica e aumentando a dificuldade de manutenção

A área de alimentação independente formada pelo efeito de ilhamento está fora do escopo de monitoramento da companhia de energia. O departamento de despacho de energia não consegue compreender o status da fonte de alimentação, as alterações de carga e o status de operação do equipamento na ilha, resultando na perda de integridade e controlabilidade do despacho de operação da rede elétrica. Por um lado, o desequilíbrio de energia na ilha pode causar flutuações contínuas de tensão e frequência. Se a ilha for acidentalmente reconectada à rede principal, isso terá impacto na estabilidade operacional da rede principal e afetará a regulação de frequência e o controle de tensão da rede elétrica. Por outro lado, a ocultação do efeito de ilhamento aumenta muito a dificuldade de detecção e tratamento de falhas. O pessoal de manutenção precisa gastar muito tempo localizando a posição da ilha e solucionando as causas da falha, estendendo o tempo de recuperação de falhas na rede elétrica, afetando o consumo normal de energia dos usuários e aumentando a carga de trabalho e o custo da manutenção da rede elétrica.

3. Conclusão

Em resumo, o efeito de ilhamento é um risco inevitável à segurança durante a operação de sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede. Sua geração está intimamente relacionada ao status de operação da rede elétrica e à capacidade de detecção do sistema fotovoltaico, e causará vários riscos graves à segurança pessoal, equipamentos elétricos, operação da rede elétrica e recuperação de falhas. Com a contínua expansão da escala de geração de energia fotovoltaica e a popularização dos sistemas fotovoltaicos distribuídos, a prevenção e o controle do efeito de ilhamento tornaram-se um elo fundamental para garantir a operação segura, estável e eficiente dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede.

Actualmente, a China estabeleceu um sistema padrão relevante que abrange a detecção anti-ilhamento, a instalação de dispositivos de protecção e a gestão da operação do sistema para energia fotovoltaica ligada à rede, exigindo claramente que os sistemas fotovoltaicos ligados à rede sejam equipados com dispositivos de protecção anti-ilhamento qualificados para garantir que a ligação à rede seja rapidamente cortada após uma falha de energia na rede. No futuro, com a atualização contínua da tecnologia de detecção, a aplicação de novos métodos de detecção, como taxa de mudança de frequência e perturbação de fase, melhorará ainda mais a precisão e a velocidade da detecção de ilhamento, reduzindo efetivamente a ocorrência do efeito de ilhamento. Ao mesmo tempo, o reforço da gestão da operação e manutenção dos sistemas fotovoltaicos e a implementação estrita dos requisitos de detecção e certificação dos equipamentos também podem reduzir os riscos do efeito de ilhamento da fonte, proporcionando uma forte garantia para o desenvolvimento saudável da indústria de geração de energia fotovoltaica e a operação segura e estável da rede elétrica.