Resumen: La generación de energía fotovoltaica, como un nuevo método de generación de energía libre de contaminación, ha aliviado significativamente la demanda de energía eléctrica tradicional. Sin embargo, en el caso de los sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red, debido a su inherente aleatoriedad, volatilidad e intermitencia, y a la gran cantidad de componentes electrónicos de potencia no lineales, en comparación con los métodos tradicionales de generación de energía, la generación de energía fotovoltaica tiene un gran impacto en la calidad de la energía de la red. Este artículo analiza los armónicos, las fluctuaciones y parpadeos de voltaje, la inyección de CC, el efecto isla y otros problemas causados por la generación de energía fotovoltaica conectada a la red eléctrica, y estudia y discute medidas viables para mejorar la calidad de la energía.
Introducción
Con la aceleración del proceso de internacionalización, el rápido desarrollo de la economía mundial, el aumento del consumo energético y la creciente agotamiento de las fuentes de energía tradicionales, la creciente gravedad de los problemas ambientales ha llevado a la energía solar, considerada una energía renovable limpia y libre de contaminación, a recibir una gran atención. En los últimos años, la capacidad instalada de generación de energía fotovoltaica ha seguido expandiéndose, al igual que la electricidad conectada a la red eléctrica. Sin embargo, debido a su pequeña capacidad instalada, la distribución de los emplazamientos y las grandes fluctuaciones de la potencia de salida, esto ha afectado significativamente la calidad de la red eléctrica. Por lo tanto, es fundamental estudiar la influencia de la generación de energía fotovoltaica en la calidad de la energía para promover la producción de energía y el funcionamiento seguro y estable de la red eléctrica.
1. Principio básico de la generación de energía fotovoltaica
La generación de energía fotovoltaica aprovecha el efecto fotovoltaico presente en la superficie del semiconductor para enviar una corriente continua a través de la luz en ambos extremos del material semiconductor. Cuando la luz solar incide sobre el nodo PN del semiconductor, se forma un nuevo par electrón-hueco. Tras la excitación del fotón del electrón a partir del enlace covalente, el electrón fluye hacia la región N y el hueco hacia la región P, lo que genera una diferencia de potencial entre los dos extremos del semiconductor. Una vez conectado el circuito en ambos extremos de la unión PN, se forma una corriente que fluye desde la zona P a la zona N a través del circuito externo, y la energía eléctrica se envía a la carga.
2. Estructura y clasificación de la generación de energía fotovoltaica conectada a la red
El sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red eléctrica se compone principalmente de un panel solar (módulo), un controlador de seguimiento de alta potencia (MPPT) y varios componentes del inversor CC-CA. El inversor fotovoltaico utiliza un transistor bipolar de puerta aislada (IG-BT) como elemento de conmutación. La salida de CC de la célula solar se eleva mediante el convertidor CC-CC para aumentar el nivel de voltaje, y luego la CC se convierte en corriente alterna con la misma amplitud, frecuencia y fase.medidor de voltaje de riel DINde la red eléctrica mediante el inversor CC-CA, para integrarse en la red eléctrica o suministrar energía a la carga de CA. La estructura del sistema de generación de energía fotovoltaica se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Estructura del sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red
Según el modo de funcionamiento conectado a la red, el sistema de generación de energía fotovoltaica se puede dividir en tres tipos: conectado a la red en contracorriente, sin conexión a la red en contracorriente y conectado a la red conmutada. El sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red se conecta directamente a la red eléctrica, no requiere baterías de almacenamiento de energía, ahorra espacio, reduce considerablemente el costo de configuración y el déficit de potencia de carga se compensa con la red eléctrica. Por lo tanto, el sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red es la principal dirección de desarrollo de la generación de energía solar y, en la actualidad, un nuevo método de generación de energía con potencial.
3. La influencia de la generación de energía fotovoltaica conectada a la red en la calidad de la energía de la red
La generación de energía fotovoltaica, como nueva generación de energía, se ve afectada principalmente por la aleatoriedad, volatilidad e intermitencia de la iluminación, la temperatura y otras condiciones externas. Entre ellas, el inversor CC-CA es uno de los principales dispositivos del sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red, y la calidad del inversor fotovoltaico determina si la calidad de la energía de la generación de energía fotovoltaica puede cumplir con los requisitos de la red conectada hasta cierto punto. Cuando la generación de energía fotovoltaica se conecta a la red, se producen problemas como armónicos, fluctuaciones y parpadeos de voltaje, inyección de CC y efecto isla, que reducen la calidad de la energía de la red y causan efectos adversos en ella. En casos graves, pueden interrumpir el funcionamiento seguro y estable del sistema de suministro de energía y del propio equipo de generación de energía fotovoltaica.
3.1 Influencia armónica
La generación de energía fotovoltaica consiste en convertir la energía solar en corriente continua mediante módulos fotovoltaicos y, posteriormente, a través de un inversor conectado a la red, convertir la corriente continua en corriente alterna para lograr la conexión a la red. En el sistema de generación de energía fotovoltaica, el inversor es el principal equipo generador de armónicos. La amplia aplicación de componentes electrónicos de potencia en inversores conectados a la red ha mejorado la información y el procesamiento inteligente del sistema, pero también ha incrementado la cantidad de cargas no lineales, lo que provoca distorsión de la forma de onda y la introducción de una gran cantidad de armónicos. El retraso en la velocidad de conmutación del inversor también afecta el rendimiento dinámico general del sistema eléctrico, lo que resulta en un rango reducido de armónicos. Si las condiciones climáticas (irradiación, temperatura) varían considerablemente, el rango de fluctuación de los armónicos también aumenta. Aunque los armónicos de la corriente de salida de un solo inversor conectado a la red son bajos, los armónicos de la corriente de salida de varios inversores conectados a la red se superponen al conectarse en paralelo, lo que provoca que los armónicos de la corriente de salida superen el estándar. Además, la conexión en paralelo de inversores es fácil de producir resonancia paralela, lo que conduce al fenómeno de resonancia de acoplamiento, lo que resulta en la expansión de la corriente armónica específica y el problema del contenido armónico excesivo de la corriente conectada a la red.
Teniendo en cuenta el problema de la calidad de la energía después del acceso fotovoltaico, se proponen métodos efectivos para suprimir los armónicos:
1) A partir de la fuente de generación de armónicos, se reforma la fuente de armónicos para reducir la inyección de armónicos.
2) Dispositivos de filtros activos o pasivos para absorber un número específico de corrientes armónicas.
3) Instalar dispositivos de compensación armónica adicionales.
3.2 Fluctuaciones y parpadeos de voltaje
En la red de distribución tradicional, la variación temporal de la potencia activa y reactiva provoca fluctuaciones de tensión en el sistema. En la generación de energía fotovoltaica, la variación de la potencia activa del sistema es el principal factor que provoca fluctuaciones de tensión y parpadeos en el punto de acceso. El punto de alta potencia de los paneles fotovoltaicos, componente principal del sistema de generación de energía fotovoltaica, está estrechamente relacionado con la intensidad de la radiación, el clima, la estación, la temperatura y otros factores. Los cambios aleatorios de estos factores naturales provocan grandes variaciones en la potencia de salida, lo que resulta en frecuentes variaciones en la potencia de carga dentro de un rango determinado, lo que provoca fluctuaciones de tensión y parpadeos en el extremo de carga del usuario conectado a la red.
En la actualidad, las soluciones a los problemas de fluctuación y parpadeo de la tensión fotovoltaica son las siguientes:
1) Optimizar la estrategia de control de los inversores fotovoltaicos conectados a la red para mejorar la estabilidad del voltaje.
2) Aumentar la capacidad de cortocircuito del bus de la subestación.
3) Cuando se determina la capacidad de la central fotovoltaica, se aumenta su factor de potencia para aumentar la potencia activa total, reduciendo así la cantidad de cambio de potencia reactiva y cumpliendo los requisitos límite de fluctuaciones de voltaje.
3.3 Problema de inyección de CC
Otro problema clave que debe resolverse en los sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red es la inyección de CC. Esta inyección afecta la calidad de la energía de la red y también perjudica a otros equipos de la misma. Las normas IEEE 929-2000 e IEEE 547-2000 estipulan claramente que la componente de corriente continua inyectada a la red por el dispositivo de generación de energía conectado a la red no puede superar el 0,5 % de su corriente nominal. Las principales razones para la inyección de CC son:
La dispersión del propio dispositivo electrónico de potencia y la inconsistencia y asimetría del circuito de accionamiento; 2) Deriva del cero y no linealidad de los dispositivos de medición en el controlador de alta potencia; 3) Asimetría de la impedancia de línea de cada dispositivo de conmutación, influencia de los parámetros parásitos y campos electromagnéticos parásitos, etc.
En la actualidad, los principales métodos para suprimir la inyección de CC incluyen: 1) método de compensación de detección; 2) Optimizar y diseñar la estructura conectada a la red del inversor; 3) Separación recta del capacitor; 4) Método de capacitancia virtual; 5) Transformador de aislamiento del dispositivo.
3.4 El efecto del efecto isla
El efecto isla se refiere al fenómeno en el que el suministro eléctrico de la red se interrumpe debido a factores humanos o naturales, pero cada sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red no detecta a tiempo el apagón, por lo que el sistema de generación de energía fotovoltaica y la carga conectada siguen funcionando de forma independiente. Con la continua expansión de la tasa de penetración de la generación de energía fotovoltaica conectada a la red, la probabilidad de que se produzca el efecto isla aumenta gradualmente. La formación del efecto isla tiene efectos adversos en la calidad de la energía de toda la red de distribución, principalmente:
1) En el lugar donde se produce el efecto isla, el voltaje y la frecuencia fluctúan mucho, lo que reduce la calidad de la energía, y el voltaje y la frecuencia en la isla no están controlados por la red eléctrica, lo que puede causar daños al equipo eléctrico del sistema y fallas de reconexión, y también puede causar riesgos de seguridad personal al personal de mantenimiento de la red eléctrica.
2) En el proceso de recuperación del suministro eléctrico, se generará una corriente de entrada debido al asincrónico entre las fases de voltaje, lo que puede provocar que la forma de onda de la red caiga instantáneamente.
3) Después del efecto isla del sistema de generación de energía fotovoltaica, si el modo de suministro de energía original es el modo de suministro de energía monofásico, es posible causar el problema de asimetría de carga trifásica en la red de distribución y luego reducir la calidad general del consumo de electricidad de otros usuarios.
4) Cuando la red de distribución cambia al modo isla y solo depende del sistema de generación de energía fotovoltaica para suministrar electricidad, si la capacidad del sistema de suministro de energía es demasiado pequeña o no se instala ningún dispositivo de almacenamiento de energía, puede causar inestabilidad de voltaje y problemas de parpadeo en la carga del usuario.
Para el impacto del efecto isla, existen principalmente las siguientes soluciones:
1) Optimizar el método de detección de islas del sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red, analizar la influencia de la generación de energía fotovoltaica en el tamaño, la dirección y la distribución de la corriente de falla en la red de distribución y mejorar la tecnología de selección de la velocidad de corte de carga y la división de islas en condiciones de falla.
2) Mejorar la confiabilidad de la tecnología de detección de islas, configurar una función de protección anti-isla rápida y efectiva, juzgar con precisión el estado de la isla en circunstancias anormales e interrumpir rápida y efectivamente la conexión a la red.
4. Solución
4.1 Monitoreo en línea de la calidad de la energía
El dispositivo de monitoreo en línea de calidad de energía APView500 adopta una plataforma multinúcleo de alto rendimiento y un sistema operativo integrado. Mide los indicadores de calidad de energía según los métodos de medición especificados en la norma IEC61000-4-30 "Tecnología de Prueba y Medición - Métodos de Medición de Calidad de Energía". Integra análisis de armónicos, muestreo de formas de onda, caídas/subidas/interrupciones de voltaje, monitoreo de parpadeos, monitoreo de desequilibrio de voltaje, registro de eventos, control de medición y otras funciones. El dispositivo cumple con la norma IEC61000-4-30A en la estandarización de métodos de medición de parámetros de índice de calidad de energía, precisión de medición de parámetros de índice, sincronización de reloj, función de marcado de eventos y otros aspectos, y cumple con los requisitos de monitoreo de calidad de energía en sistemas de suministro de energía de 110 kV e inferiores.
4.2 Dispositivo de protección anti-isla
Cuando el dispositivo de protección anti-isla detecta que hay datos anormales como potencia inversa, mutación de frecuencia, etc., es decir, cuando ocurre el fenómeno de isla, el dispositivo puede cooperar con el disyuntor para cortar rápidamente el nodo, de modo que la estación y el lado de la red eléctrica se separan rápidamente y garantizan la seguridad de toda la central eléctrica y el personal de mantenimiento relacionado.
4.3 Introducción del producto
| Nombre | Tipo | Imagen | Función |
| Dispositivo de monitoreo en línea de la calidad de la energía | APView500 |  | 16 canales de voltaje/corriente CA 16 salidas de relé pasivas programables 22 canales de entrada de conmutación activos 2 interfaces RS485 4 interfaces Ethernet 1 interfaz de sincronización GPS, compatible con el modo de sincronización IRIG-B Interfaz RS232 de 1 canal 1 interfaz USB |
| Dispositivo de protección anti-isla | AM5SE-IS |  | Protección contra sobrecorriente de 3 etapas, disparo por baja tensión, protección contra sobretensión de secuencia cero (disparo/alarma), protección de potencia inversa, protección de frecuencia (reducción de carga de baja frecuencia/protección de alta frecuencia), protección contra sobrecorriente de post-aceleración, alarma de desconexión de bucle de control, bucle FC con función de bloqueo por sobrecorriente, alarma de desconexión de CT |
| Caja de bus de múltiples bucles | APV-M4 |   | Monitoreo de confluencia fotovoltaica de 4 bucles |
| APV-M8 | Monitoreo de confluencia fotovoltaica de 8 bucles | ||
| APV-M10 | Monitoreo de confluencia fotovoltaica de 10 bucles | ||
| APV-M12 | Monitoreo de confluencia fotovoltaica de 12 bucles | ||
| APV-M16 | Monitoreo de confluencia fotovoltaica de 16 bucles | ||
| Dispositivo de recolección de confluencia fotovoltaica | AGF-T |  | Monitorear el estado operativo del panel en el conjunto de fotocélulas, medir la corriente en serie, recopilar el estado del pararrayos en la caja de bus y recopilar el estado del disyuntor de CC. |
| Dispositivo de monitoreo de contracorriente | AGF-AE |  | Par de cables de tensión nominal N: 120 V Tensión nominal cable a cable: 208/240 V Red compatible: L1/L2/N/PE Comunicación: RS485 |
| Dispositivo de detección de contracorriente | ACR10R |  | Medición integrada de todos los parámetros de potencia y gestión de monitoreo y evaluación de potencia, y puede realizar la función de "mensaje remoto" y "control remoto" del interruptor automático. |
| Dispositivo de monitoreo de calidad de energía | APM830 |  | Red: trifásica de tres hilos, trifásica de cuatro hilos Funciones: medición de potencia completa, estadísticas de potencia, análisis de calidad de potencia, función de registro de ondas, función de registro de eventos Precisión: clase 0,5S |
5. Conclusión
Con el rápido desarrollo de la industria de generación de energía fotovoltaica en China, la capacidad instalada y la cantidad de energía fotovoltaica conectada a la red eléctrica están aumentando, lo que ha afectado significativamente la calidad de la energía de la red. Por lo tanto, es necesario estudiar la influencia de la generación de energía fotovoltaica conectada a la red en la calidad de la misma. Este documento analiza el principio básico y las características estructurales de la generación de energía fotovoltaica, explica las causas de los armónicos, las fluctuaciones de voltaje y el flicker, la inyección de CC y el efecto isla en la generación de energía fotovoltaica conectada a la red eléctrica, y propone medidas viables para mejorar la calidad de la energía, lo cual tiene cierta importancia para seguir mejorando la calidad de la energía de la generación de energía fotovoltaica.
Referencias
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Hora de publicación: 06-05-2025