Análisis de la situación donde la carga del sistema excede la configuración de capacidad del transformador cuando el transformador y la energía fotovoltaica se utilizan al mismo tiempo.
Fenómeno y causa
1. Superposición de fluctuaciones de potencia: La potencia de generación de energía del sistema fotovoltaico se ve afectada por factores como la intensidad de la luz y las condiciones climáticas, y fluctúa significativamente. Con suficiente luz solar durante el día, la potencia de generación puede aumentar significativamente en poco tiempo; mientras que en días nublados, o por la mañana y por la noche, la potencia disminuye bruscamente. Si la carga del sistema también se encuentra en un estado inestable en ese momento, como el arranque y parada frecuentes de equipos grandes en la producción industrial, lo que resulta en una gran fluctuación en la potencia de carga, la superposición de ambos puede fácilmente hacer que la potencia total del sistema supere instantáneamente la capacidad nominal del transformador. Por ejemplo, en un parque industrial con centrales fotovoltaicas de cierta escala, cuando las nubes aparecen repentinamente por la tarde y bloquean el sol, la potencia fotovoltaica disminuye drásticamente. Al mismo tiempo, los equipos grandes de varias fábricas del parque se ponen en marcha simultáneamente, y la carga del sistema, que inicialmente estaba cerca del límite superior de la capacidad del transformador, se sobrecarga instantáneamente, provocando un rápido aumento de la temperatura del transformador y la emisión de ruidos anormales.
2. Planificación poco razonable de la capacidad instalada fotovoltaica: Al promover proyectos fotovoltaicos, algunas regiones no han integrado plenamente la capacidad real de los transformadores locales y las tendencias futuras de crecimiento de la carga para una planificación científica. Para obtener mayores beneficios de la generación de energía fotovoltaica, algunos usuarios o empresas expanden ciegamente la escala de las instalaciones fotovoltaicas e conectan una gran cantidad de equipos fotovoltaicos sin evaluar a fondo el sistema de suministro eléctrico original. Por ejemplo, en algunas comunidades antiguas, la capacidad de los transformadores no se ha mejorado en muchos años. A medida que los residentes aumentan su entusiasmo por la generación de energía fotovoltaica, instalan paneles fotovoltaicos en sus techos, y la cantidad total de instalaciones excede con creces la tolerancia del transformador, lo que resulta en frecuentes inestabilidades en el suministro eléctrico comunitario e incluso frecuentes interrupciones durante los picos de consumo en verano.
3. Estimación insuficiente del crecimiento de la carga: Con el desarrollo económico y la mejora de la calidad de vida de las personas, la demanda de diversos tipos de equipos eléctricos está aumentando. Ya sea por el auge de industrias emergentes en el sector industrial o por la popularización de electrodomésticos de alta potencia, la demanda de electricidad sigue en aumento. Si la estimación del crecimiento de la carga futura es demasiado conservadora en la etapa de planificación del transformador y el sistema fotovoltaico, y no se reserva suficiente margen de capacidad, cuando la tasa real de crecimiento de la carga supera las expectativas, sumada a la disponibilidad de energía fotovoltaica, es muy fácil que la carga del sistema supere la capacidad del transformador. Por ejemplo, en los últimos años, se han abierto nuevas tiendas en una zona comercial, y los sectores de la restauración, el entretenimiento y otros han generado una gran demanda de electricidad. Al mismo tiempo, se han instalado sistemas fotovoltaicos en los tejados de algunos edificios de la zona. La capacidad del transformador diseñado originalmente ya no puede satisfacer la demanda total de las cargas existentes y nuevas, ni de la disponibilidad de energía fotovoltaica, lo que a menudo genera tensiones en el suministro eléctrico.
Impacto
1. Sobrecalentamiento o incluso daño del transformador: Cuando la carga del sistema excede la capacidad del transformador, la corriente del devanado aumenta. Según la ley de Joule Q=I₂Rt (donde Q es calor, I es corriente, R es resistencia y t es tiempo), el calor generado por el devanado aumenta significativamente. Un estado prolongado de sobrecarga y calor acelera el envejecimiento del material aislante del transformador y reduce su rendimiento. En casos graves, puede provocar un cortocircuito en el devanado, lo que daña el transformador y provoca un corte de energía a gran escala. Por ejemplo, en una red de distribución rural conectada a una central fotovoltaica, debido a la gran cantidad de equipos eléctricos, como aires acondicionados, encendidos durante el período de altas temperaturas del verano, sumado a la inestabilidad de la generación de energía fotovoltaica, el transformador se sobrecargó durante un tiempo prolongado, quemó el material aislante y lo dañó por completo, afectando así el suministro eléctrico normal de muchas localidades cercanas.
2. Degradación de la calidad de la energía: Por un lado, la sobrecarga reduce la tensión de salida del transformador, lo que resulta en una desviación excesiva de la tensión. En algunos equipos con altos requisitos de estabilidad de la tensión, como equipos electrónicos de precisión y líneas de producción de automatización industrial, la baja tensión puede provocar fallos en el funcionamiento correcto o incluso dañarlos. Por otro lado, los armónicos generados por el sistema fotovoltaico y la carga interactúan cuando el transformador se sobrecarga, lo que puede amplificar aún más el contenido armónico, afectar la calidad de la red eléctrica e interferir con el funcionamiento normal de otros equipos eléctricos, como la generación de vibraciones y ruidos adicionales en el motor, lo que reduce la vida útil del equipo. Por ejemplo, en una red eléctrica industrial con acceso a la fotovoltaica y una gran cantidad de equipos industriales, la desviación de la tensión alcanzó ±10 % debido a que la carga del sistema excedió la capacidad del transformador, lo que provocó que varios equipos de procesamiento de precisión importados de la fábrica generaran alarmas y se apagaran con frecuencia, y la contaminación armónica provocó el parpadeo de algunas luminarias.
3. Menor confiabilidad del suministro eléctrico: La carga del sistema excede la capacidad del transformador, lo que aumenta el riesgo de cortes de energía. Una vez que el transformador deja de funcionar debido a una falla por sobrecarga, provoca directamente un corte de energía en la zona a la que suministra energía, afectando la vida de los residentes, la producción industrial y las operaciones comerciales. Incluso si el transformador no está completamente dañado, las frecuentes advertencias de sobrecarga y las acciones de protección pueden causar un suministro eléctrico intermitente, lo que afecta gravemente la confiabilidad del suministro eléctrico. Por ejemplo, en un barrio antiguo de una ciudad, debido a la capacidad insuficiente del transformador y al acceso excesivo a la energía fotovoltaica, se producen múltiples cortes de energía cada semana durante el período pico de consumo eléctrico en verano, lo que genera grandes inconvenientes en la vida diaria de los residentes y también causa pérdidas económicas a las actividades comerciales del barrio.
Contramedidas
1. Planificación y expansión de capacidad razonables: Realizar un estudio exhaustivo de la red eléctrica existente y las condiciones de carga, combinar la distribución de los recursos fotovoltaicos con los planes de desarrollo futuro, utilizar análisis de big data y modelos de pronóstico de carga para predecir con precisión la tendencia de crecimiento de la carga. Sobre esta base, determinar científicamente la escala de acceso fotovoltaico según la tasa de carga del transformador y la capacidad restante. En zonas con gran potencial de crecimiento de carga y abundantes recursos fotovoltaicos, si la capacidad de transformadores existente no puede satisfacer la demanda, se debe ampliar y modernizar oportunamente. Por ejemplo, durante la fase de planificación de un nuevo parque industrial, mediante un estudio y pronóstico detallados de la carga, se prevé un aumento del 50 % en los próximos 3 a 5 años. Al mismo tiempo, considerando que una gran cantidad de techos del parque pueden utilizarse para instalar sistemas fotovoltaicos, se decidió finalmente modernizar el transformador original de 1000 kVA a 2000 kVA y planificar razonablemente una capacidad de acceso fotovoltaico de 500 kW para garantizar la estabilidad y sostenibilidad del suministro eléctrico.
2. Instalar equipo de ajuste: Instale un dispositivo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) en el sistema fotovoltaico para ajustar el estado de funcionamiento del panel fotovoltaico en tiempo real, de modo que siempre genere la máxima potencia y reduzca las fluctuaciones de potencia causadas por los cambios de luz. Al mismo tiempo, configure undispositivo de compensación dinámica de potencia reactiva(SVG) para compensar en tiempo real según la demanda de potencia reactiva del sistema, estabilizar la tensión,mejorar el factor de potenciay reducir la presión de carga del transformador. Por ejemplo, en una red eléctrica rural conectada a una central fotovoltaica de 1 MW, tras instalar MPPT yDispositivos SVG, el rango de fluctuación de la energía fotovoltaica se redujo en un 30% y la desviación del voltaje de salida del transformador se controló dentro de ±5%, lo que mejoró efectivamente la calidad de la energía y las condiciones de funcionamiento del transformador.
3. Optimizar la gestión operativa: Establecer un sistema de monitorización de la red inteligente para supervisar el estado operativo de transformadores, sistemas fotovoltaicos y cargas en tiempo real, incluyendo parámetros como tensión, corriente y potencia. Mediante el análisis de datos, predecir posibles riesgos de sobrecarga con antelación y tomar medidas de ajuste oportunas, como ajustar la potencia de salida de los inversores fotovoltaicos y orientar a los usuarios para que utilicen la electricidad en horas valle. Por ejemplo, el centro de monitorización de la red inteligente de una ciudad utiliza tecnología de análisis de big data para monitorizar y analizar en tiempo real los datos operativos de transformadores y sistemas fotovoltaicos en toda la ciudad. Cuando detecta que la tasa de carga del transformador en una zona determinada se acerca al 80 % y tiende a seguir aumentando, envía recordatorios de consumo eléctrico durante las horas punta a los grandes usuarios comerciales de la zona a través de una aplicación móvil, evitando así la sobrecarga del transformador.
