Wie der 690-V-Wechselstrom-Kombinatorkasten 4 in 1 die wechselstromseitigen Fehler einer Solaranlage um 78 % reduziert

Ein kommerzieller Solaranlagenbetreiber in Südeuropa verwaltet 85 MW bodenmontierte PV-Kapazität an zwölf Standorten. An jedem Standort werden Hochleistungs-Strangwechselrichter mit einer Ausgangsspannung von 690 V AC eingesetzt. Vor der Modernisierung war die wechselstromseitige Verbindung zwischen vier Wechselrichtern und einem Aufwärtstransformator die störungsanfälligste Stelle der gesamten Anlage. Nach der Nachrüstung mit der Soutya 690V AC Combiner Box 4 In 1 Out konnte der Betreiber die wechselstromseitigen Ausfallzeiten aufgrund von Fehlern in sechs Monaten um 78 % reduzieren.

Wie war der Hintergrund und die betriebliche Situation des Kunden?

Das Unternehmen betreibt mehrere PV-Anlagen mit einer Leistung von 5 MW bis 10 MW, die zwischen 2017 und 2020 gebaut wurden. In jeder Anlage liefern Gruppen von vier Wechselrichtern 690 V Wechselstrom über separate Anschlusskästen und einzelne Schaltanlagen, bevor sie in einen Mittelspannungstransformator eingespeist werden.

Veraltete Verkabelungen und nicht integrierte Schutzausrüstung waren zu einem Zuverlässigkeitsproblem geworden. Die Anlagen verfügten über ein kleines Betriebs- und Wartungsteam, und die durchschnittliche Zeit zur Diagnose eines Problems auf der Klimaanlagenseite betrug mehr als einen halben Tag. Da die Region auf kürzere Einspeisevergütungsfenster umstellte, benötigte der Eigentümer eine höhere Verfügbarkeit und niedrigere Servicekosten pro Kilowattstunde.

Was genau machte ihre AC-seitige Verkabelung zu einem immer wiederkehrenden Engpass?

Vor der Nachrüstung war jeder Wechselrichterausgang mit einem generischen 690-V-Wechselstrom-Anschlusskasten verbunden, der mit separaten Kompaktschaltern, anschraubbaren Überspannungsableitern und Klemmenblöcken ausgestattet war. Diese Boxen boten keinen gleichen Phasenabstand oder keine ausreichende Wärmeableitung. Fehler traten in drei Hauptformen auf:

• Lose Klemmen an den 690-V-Zuleitungen verursachten Überhitzung und zeitweilige Auslösungen.
• Die Ableiter wurden ohne ordnungsgemäße Typ-2-Koordination montiert, sodass blitzbedingte Transienten die Leistungsstufen des Wechselrichters innerhalb eines Jahres zweimal beschädigten.
• Da die Wartung eines Wechselrichters das Öffnen eines stromführenden Gehäuses erforderte, mussten die Arbeiter die gesamte Gruppe mit vier Wechselrichtern abschalten, was zu Erzeugungsverlusten von etwa 920 US-Dollar pro Stunde und Anlage führte.

Die jährlichen Gesamtkosten dieser AC-seitigen Ausfälle – einschließlich Reparaturmaterialien, Arbeitskräften und entgangenen Einnahmen – beliefen sich auf 23.000 US-Dollar pro 10-MW-Standort.

Warum sollten Sie sich für die Soutya 690V AC Combiner Box 4 In 1 Out entscheiden?

Der Betreiber prüfte drei Alternativen: Standard-Wechselstromverteiler von einem örtlichen Schaltanlagenbauer, kommerzielle Trennschalter mit Sicherungen und die Soutya-Box. Der Schaltanlagenbauer konnte keine 690-V-Wechselstrom-Schaltanlage liefern, die die gemäß IEC 61643-11 geforderten Typ-2-Überspannungsschutztests bestanden hätte. Den abgesicherten Trennschaltern fehlte die richtige Kurzschlusskoordination mit dem nachgeschalteten Transformator.

Die Soutya 690V AC Combiner Box 4 In 1 Out passte genau zur bestehenden elektrischen Topologie. Es vereint vier 690-V-AC-Eingänge zu einem geschützten Ausgang mit vier Eingangsschutzschaltern und einem einzelnen Ausgangsschutzschalter. Das integrierte Überspannungsschutzgerät ist gemäß IEC 61643-11 ausgelegt und die Gehäuseanordnung bietet separate Fächer für Kabel und spannungsführende Sammelschienen. Dadurch konnte die benötigte Stellfläche im Vergleich zur vorherigen Schaltanlage um mehr als 60 % reduziert werden.

Wie wurde die Lösung an mehreren Standorten bereitgestellt?

Das Installationsprojekt lief in drei Phasen über vier Monate. Als Pilotstandort wählte das Team die Anlage mit der höchsten Fehlerhistorie aus.

Die Hauptschritte waren:

1. Schalten Sie die AC-Seite einer Gruppe mit vier Wechselrichtern stromlos und entfernen Sie das vorhandene Gehäuse.
2. Die Soutya-Box wurde auf einem vorhandenen Unistrut-Rahmen in der Nähe des Transformators montiert.
3. Vier 185-mm²-Kupferkabel von den Wechselrichtern und ein 300-mm²-Kabel zum Transformator terminiert.
4. Die Nennwerte des Eingangsschalters wurden so konfiguriert, dass sie mit dem Ausgangsschutz des Wechselrichters übereinstimmen, und das SPD wurde auf die Systemspannung von 690 V AC eingestellt.
5. Inbetriebnahme des Überwachungsausgangs auf RS485 und Überprüfung der Auslöseschwellenwerte anhand des SCADA-Systems der Anlage.

Eine typische Schwierigkeit bestand darin, dass die vorhandenen Ausgangskabel der vier Wechselrichter unterschiedliche Längen hatten und in unterschiedlichen Kabelkanälen verlegt waren. Dies führte zu leicht unsymmetrischen Leitungsimpedanzen. Die Lösung bestand darin, Sammelschienen-Ausgleichsverbindungen zu installieren und die Kabellängen innerhalb jeder Gruppe zu kürzen; Die Endtemperatur blieb auch nach einem Tag Volllastbetrieb konstant.

Welche messbaren Ergebnisse hat die Anlage erzielt?

Sechs Monate nach der ersten Installation verglich der Betreiber den Pilotstandort mit seiner historischen Leistung:

• Die Häufigkeit wechselstromseitiger Fehler sank von zwölf Vorfällen pro Jahr auf unter drei, was einer Reduzierung um 75 % entspricht.
• Die ungeplanten Ausfallzeiten aufgrund von 690-V-AC-Fehlern gingen um 78 % zurück, was 11,5 zusätzlichen Stunden Volllastbetrieb pro Wechselrichtergruppe und Jahr entspricht.
• Die jährlichen Kosten für wechselstromseitige Ausfälle, einschließlich Produktionsausfall, sanken von 21.000 $ auf 5.500 $ pro 10-MW-Anlage.
• Die Installationszeit für jede Wechselrichtergruppe sank von zwei vollen Tagen auf vier Stunden, wodurch pro Standort 1.600 US-Dollar an Arbeitsaufwand eingespart wurden.
• Durch die Isolierung eines einzelnen Wechselrichters zu Wartungszwecken muss nicht mehr die gesamte Gruppe abgeschaltet werden; Die Gruppe bleibt mit einer Auslastung von 75 % online.

Was sagt der Werksleiter?

Der Anlagentechnikleiter des Betreibers beschrieb die Auswirkung: „Der 690-V-Wechselstrom-Kombinationskasten von Soutya eliminierte die schlimmsten thermischen und Überspannungsausfälle, die wir bei 690 Volt hatten. In zwölf Monaten haben wir keine Einspeiseklemme nachgezogen und können einen einzelnen Wechselrichter isolieren, ohne die Produktion für den gesamten Block zu stoppen. Diese Änderung hat sich bei diesem Projekt bezahlt gemacht.“

Was können andere Industrie- und Solarbetreiber von dieser Nachrüstung lernen?

Dieser Fall weist auf mehrere Lehren hin, die nicht auf die ursprüngliche Anlage beschränkt sind.

• Der AC-seitige Schutz erfordert die gleichen strengen Spezifikationen wie der DC-seitige String-Schutz. Nach IEC 61643-11 Typ 2 geprüfte SPDs und Array-Designpraktiken nach IEC 62548 sollten auf den AC-Ausgang gespiegelt werden.
• Ein vollständiger 4-in-1-Out-Sammelkasten reduziert den Installationsaufwand und die Zeit für die Fehlersuche in Retrofit-Anlagen, in denen der physische Platz begrenzt ist.
• Überprüfen Sie vor der Auswahl einer Box die Kabellänge, die Isolierung und die Kabelführung. Eine gleiche Sperrimpedanz verringert das Hotspot-Risiko.

Wenn der Betreiber das Projekt wiederholen würde, würde er in der ersten Charge eine Ersatzbox bestellen und während der Inbetriebnahme Wärmebildscans durchführen, da diese Scans die endgültigen Terminalkontrollen und die Rückverfolgbarkeit ermöglichten. Das Unternehmen hat seitdem den gleichen 690-V-Wechselstrom-Kombinationskasten in seinen älteren 10-MW-Anlagen eingesetzt und erwartet die gleiche Verbesserung der Verfügbarkeit im gesamten 85-MW-Portfolio.

Branchenreferenzen:

• IEC 62548:2016 Photovoltaik (PV)-Arrays – Designanforderungen. (Quelle: https://webstore.iec.ch/publication/62548)
• IEC 61643-11:2011 Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte – Teil 11: SPDs, die an Niederspannungsnetze angeschlossen sind. (Quelle: https://webstore.iec.ch/publication/61643-11)