Overspanningsbeveiliging voor fotovoltaïsche systemen

Indirecte blikseminslagen zijn destructief. Anekdotische observaties over bliksemactiviteit zijn meestal een slechte indicator voor het niveau van door bliksem veroorzaakte overspanning in PV-arrays. Indirecte blikseminslagen kunnen de gevoelige componenten in PV-apparatuur gemakkelijk beschadigen, wat vaak hoge kosten met zich meebrengt om de beschadigde componenten te repareren of te vervangen, en de betrouwbaarheid van het PV-systeem aantast. De overspanning is afhankelijk van de opstellingsomstandigheden van elk PV-systeem en de bedrading.

PV-systemen worden tentoongesteld in grote open ruimtes, meestal in velden of op de toppen van gebouwen. Geladen regenwolken die zich boven zulke open velden ophopen, hebben de neiging om de lading vrij te geven in de vorm van bliksem. Wanneer dit gebeurt, is de kans groot dat er een spanningspiek optreedt. Hoe uitgestrekter het veld is, des te waarschijnlijker is de kans op vernietiging.

Wanneer een PV-installatie op een industrieterrein staat, komen ook de bedrijfsvoering en apparatuur in gevaar. Omvormers zijn duur, maar voor industriële toepassingen is een nog duurder defect de kosten van stilstand.

Wanneer bliksem inslaat op een zonne-PV-systeem, veroorzaakt dit een geïnduceerde transiënte stroom en spanning binnen de draadlussen van het zonne-PV-systeem. Deze transiënte stromen en spanningen zullen verschijnen op de terminals van de apparatuur en veroorzaken waarschijnlijk isolatie- en diëlektrische storingen in de elektrische en elektronische componenten van zonne-PV, zoals de PV-panelen, de omvormer, besturings- en communicatieapparatuur, evenals apparaten in de gebouwinstallatie. De arraybox, de omvormer en de MPPT (maximaal vermogenpoint tracker) apparaat hebben de hoogste faalpunten.

Om te voorkomen dat er veel energie door de elektronica stroomt en schade door hoge spanning aan het PV-systeem veroorzaakt, moeten spanningspieken een pad naar aarde hebben. Om dit te doen, moeten alle geleidende oppervlakken direct geaard zijn en moeten alle bedrading die het systeem binnenkomt en verlaat (zoals Ethernet-kabels en wisselstroomleidingen) via een SPD met aarde worden verbonden.

Er is een overspanningsbeveiligingsapparaat nodig voor elke groep strings in de arraykast, de recombinatorkast en de DC-ontkoppeling.

Selectie en installatie van overspanningsbeveiligingsapparaten voor PV-systemen

PV-systemen hebben unieke eigenschappen, waardoor het gebruik van SPD's vereist is die specifiek voor PV-systemen zijn ontworpen.

PV-systemen hebben hoge DC-systeemspanningen tot 1500 volt. Hun maximale vermogenspunt werkt slechts een paar percentielen onder de kortsluitstroom van het systeem.

Om de juiste SPD-module voor het PV-systeem en de installatie ervan te bepalen, moet u weten:

l De bliksemflitsdichtheid;

l De bedrijfstemperatuur van het systeem;

l De spanning van het systeem;

l De kortsluitstroomwaarde van het systeem;

l Het niveau van de golfvorm waartegen beschermd moet worden (indirecte of directe bliksem);

l De nominale ontlaadstroom.

De SPD-eisen voor een installatie die wordt beschermd door een extern bliksembeveiligingssysteem (LPS) zijn afhankelijk van de geselecteerde klasse van de LPS en of de scheidingsafstand tussen de LPS en de PV-installatie geïsoleerd of niet-geïsoleerd is. IEC 62305-3 beschrijft de vereisten voor scheidingsafstanden voor een externe LPS.

Om een ​​beschermend effect te hebben, moet het spanningsbeveiligingsniveau (Up) van een SPD 20 % lager zijn dan de diëlektrische sterkte van de eindapparatuur van het systeem.

Het is belangrijk om een ​​SPD te gebruiken met een kortsluitstroom die groter is dan de kortsluitstroom van de zonnepaneelreeks waarop de SPD is aangesloten. De SPD die op de DC-uitgang wordt geleverd, moet een DC MCOV hebben die gelijk is aan of groter is dan de maximale fotovoltaïsche systeemspanning van het paneel.

SPD's voor de gelijkstroomzijde van fotovoltaïsche systemen

PV-bronnen hebben heel andere stroom- en spanningskarakteristieken dan traditionele gelijkstroombronnen: ze hebben een niet-lineaire karakteristiek en veroorzaken langdurig aanhouden van ontstoken bogen. Daarom hebben PV-stroombronnen niet alleen grotere PV-schakelaars en PV-zekeringen nodig, maar ook een scheider voor de overspanningsbeveiliging die is aangepast aan deze unieke aard en in staat is om met PV-stromen om te gaan.

SPD's die aan de DC-zijde zijn geïnstalleerd, moeten altijd specifiek zijn ontworpen voor DC-toepassingen. Het gebruik van een SPD aan de verkeerde AC- of DC-zijde is gevaarlijk onder foutomstandigheden.

Installatie

SPD's moeten altijd vóór de apparaten die ze gaan beschermen worden geïnstalleerd. NFPA 780 12.4.2.1 zegt dat overspanningsbeveiliging moet worden geboden op de DC-uitgang van het zonnepaneel van positief naar aarde en negatief naar aarde, op de combiner- en recombinerbox voor meerdere zonnepanelen, en op de AC-uitgang van de omvormer.

De juiste installatie van een SPD is afhankelijk van drie waarden, namelijk:

l Maximale continue bedrijfsspanning: de spanning die de SPD activeert.

l Spanningsbeveiligingsniveau: de overspanningscategorie van de apparatuur moet hoger zijn dan het spanningsbeveiligingsniveau van de SPD.

Nominale ontlaadstroom: de piekwaarde van de golfvorm (8/20 μs voor SPD's van type 2) die de SPD kan weerstaan ​​na herhaalde spanningspieken.

Hoe SPD's te combineren met omvormers

PV-boerderijen bestaan ​​uit zeer gevoelige apparatuur die uitgebreide bescherming nodig heeft. Omdat PV-parken gelijkstroom (DC) genereren, zijn omvormers (die nodig zijn om deze stroom van DC naar AC om te zetten) een essentieel onderdeel van hun elektrische productie. Helaas zijn omvormers niet alleen zeer gevoelig voor blikseminslag, maar zijn ze ook ongelooflijk duur.

NFPA 780 12.4.2.3 vereist extra SPD's bij de DC-ingang van de omvormer als de systeemomvormer meer dan 30 meter verwijderd is van de dichtstbijzijnde combiner- of recombinatorbox.

Installeer de SPD tussen de zekeringen en de omvormer als er stringbeschermers aanwezig zijn (zoals zekeringen, DC-onderbrekers of stringdiodes)

Als u een SPD wilt aansluiten als er een omvormer met geïntegreerde zekeringenkast is, zorg er dan voor dat de interne zekeringen worden omzeild en dat de externe stringzekeringen zijn aangesloten.

Stringomvormers moeten zo dicht mogelijk bij de strings worden geïnstalleerd. SPD-kabels die worden aangesloten op het L+/L-netwerk en tussen het aansluitblok van de SPD en de aardrail, moeten korter zijn dan 2,5 meter. Hoe korter de aansluitkabels, hoe efficiënter en kosteneffectiever de bescherming zal zijn.

Bij omvormers met slechts één MPP-tracker: combineer de string vóór de omvormer en sluit deze op het verbindingspunt aan op de SPD.

Als de omvormer meerdere MPP-trackers heeft, moeten voor elke ingang SPD-combinaties worden gepland. Voor elke ingang die met een stringdiode is gezekerd, moet een SPD worden gebruikt.

Referenties

[1] Bliksembeveiligingshandleiding, DIN EN Standaard 62305 – 3, 2014.

[2] Norm voor overspanningsbeveiligingsapparatuur, UL 1449, 2014.

[3] Laagspannings-overspanningsbeveiligingsapparaten – Deel 32: Overspanningsbeveiligingsapparaten aangesloten op de DC-stroomvoorziening. kant van fotovoltaïsche installaties – Selectie- en toepassingsprincipes, IEC-norm 61643-32, 2 017.