Protezione del tuo sistema EV e solare da sovratensioni

I sistemi di ricarica per veicoli elettrici e le installazioni solari fotovoltaiche devono affrontare un profilo di rischio di sovratensione rispetto ai carichi elettrici convenzionali. Il flusso di potenza bidirezionale, la frequente conversione DC-AC e l'elettronica di potenza densa rendono questi sistemi sensibili sia ai disturbi della rete esterni che ai transitori generati internamente. Una protezione efficace dipende dall'uso coordinato e a strati di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni tra le zone CC e CA, non affidamento su un unico punto di difesa.

Perché i sistemi di veicoli elettrici e solari affrontano un rischio di sovratensione più elevato

Gli impianti solari fotovoltaici sono esposti sul lato CC in un modo in cui la maggior parte delle installazioni elettriche non lo è. I cavi di corde lunghi FV agiscono come antenne per sovratensioni ascendenti, mentre le alte tensioni di funzionamento in CC riducono il margine di errore quando appare lo stress transitorio. Anche senza un coinvolgimento diretto dei fulmini, i picchi indotti e correlati al passaggio possono raggiungere livelli dannosi.

Gli inverter si trovano al centro di questo rischio. Essi continuamente passano tra l'ingresso CC e l'uscita CA utilizzando semiconduttori di potenza ad alta frequenza. Questi dispositivi sono efficienti ma spietati. I picchi di tensione ripetitivi accelerano l'usura dell'isolamento, degradano le giunzioni dei semiconduttori e riducono la durata di vita prima che si verifichi un guasto catastrofico.

I caricabatterie EV aggiungono un altro livello di vulnerabilità. Dal punto di vista della griglia, un caricabatterie EV non è un carico passivo. Si tratta di un sistema di conversione di potenza controllata con raddrizzatori, condensatori di collegamento CC, logica di controllo e interfacce di comunicazione. Gli eventi di commutazione della rete, gli errori di utilità o le operazioni di carico a grande carico possono iniettare disturbi che si propagano direttamente in queste fasi sensibili.

Fondamentalmente, molti eventi dannosi non sono drammatici. La commutazione di routine, l'innesto del banco dei condensatori o la commutazione dell'inverter possono generare picchi che accumulano stress nel tempo. Questo promemoria è importante perché le strategie di protezione devono affrontare transitori frequenti e moderati, non solo estremi rari.

Strategia di protezione da sovratensioni per impianti solari fotovoltaici

La protezione contro le sovratensioni negli impianti solari dovrebbe essere affrontata da zone di sistema anziché da singoli componenti. Ogni zona ha un profilo di esposizione diverso e richiede un ruolo di protezione specifico.

Protezione lato CC tra stringhe FV e inverter

Il lato CC di un impianto FV è continuamente eccitato durante la luce del giorno e spesso opera a centinaia o migliaia di volt. Un SPD CC opportunamente selezionato installato tra l'array FV e l'inverter fornisce un percorso controllato per l'energia transitoria che si allontana dagli ingressi dell'inverter.

Punti chiave da considerare:

• I circuiti CC presentano una tensione sostenuta, quindi l'SPD deve essere progettato specificamente per il comportamento CC.
  
• La lunghezza del cavo e il percorso aumentano l'esposizione ai transitori indotti.
  
• La protezione vicino all'inverter limita la tensione residua che raggiunge l'elettronica sensibile.
  

A Dispositivo di protezione contro le sovratensioni Per i circuiti del pannello solare non si tratta di arrestare le sovratensioni, ma di limitare la tensione a un livello che l'inverter può tollerare ripetutamente.

Protezione lato CA all'uscita dell'inverter

Una volta che l'alimentazione viene convertita in CA, l'uscita dell'inverter viene esposta a disturbi di rete. Gli eventi di commutazione a monte, guasti di utilità o carichi industriali vicini possono introdurre picchi che tornano verso l'inverter.

Un SPD CA installato all'uscita dell'inverter o all'interfaccia di distribuzione principale serve a bloccare queste sovratensioni prima che stressino lo stadio di uscita dell'inverter e il collegamento CC interno. Ciò è particolarmente importante nei sistemi legati alla rete in cui l'alimentazione scorre in entrambe le direzioni a seconda delle condizioni operative.

Perché il coordinamento tra DC e AC SPD è importante

I dispositivi lato CC e lato CA non funzionano in modo indipendente. Una scarsa coordinazione può portare a una condivisione di energia irregolare, stress eccessivo su un dispositivo o un'elevata tensione residua che raggiunge l'inverter.

Un buon coordinamento assicura:

• L'SPD lato CC gestisce i transitori originati dall'array.
  
• L'SPD lato CA gestisce i disturbi originati dalla griglia.
  
• Le tensioni residue vengono progressivamente ridotte quando le sovratensioni si propagano attraverso il sistema.
  

Ruolo del dispositivo di protezione contro le sovratensioni Tipo 2 negli impianti solari

Nella maggior parte delle installazioni FV fisse, un dispositivo di protezione contro le sovratensioni tipo 2 è appropriato sia per le posizioni CC che CA. Questi dispositivi sono progettati per gestire l'energia transitoria ripetitiva associata alla commutazione e agli effetti di fulmine indiretto senza richiedere l'estrema capacità di scarico riservata agli scenari di ingresso del servizio.

Perché il tipo 3 viene utilizzato solo a valle per l'elettronica

I dispositivi di tipo 3 sono destinati a picchi residui a bassa energia e non devono mai essere installati come unica misura di protezione. Nei sistemi solari, possono essere utilizzati a valle per proteggere il monitoraggio delle interfacce elettroniche o di comunicazione, ma solo quando la protezione a monte limita già l'energia di sovratensione.

Strategia di protezione da sovratensioni per sistemi di ricarica per veicoli elettrici

I sistemi di ricarica EV dovrebbero essere analizzati in una prospettiva di flusso di potenza, iniziando dalla connessione alla rete e terminando all'interfaccia del veicolo.

Da griglia a pannello di distribuzione a caricabatterie EV

Le sovratensioni in genere entrano attraverso l'alimentazione CA. Un SPD CA sul pannello di distribuzione che alimenta il caricatore EV riduce l'ampiezza dei transitori in entrata. Questo è il primo strato di difesa ed è particolarmente importante quando i caricabatterie sono collegati a lunghe corse di alimentazione o apparecchiature esterne.

Sensibilità elettronica di potenza interna

All'interno del caricabatterie, la CA viene rettificata in CC, elaborata attraverso stadi di collegamento CC e regolata da dispositivi di commutazione ad alta velocità. Questi stadi sono sensibili alla sovratensione, in particolare ai picchi ripetitivi che degradano i condensatori e i semiconduttori nel tempo.

Senza limitazioni di tensione a monte, i componenti interni sono costretti ad assorbire lo stress che non sono mai stati progettati per gestire.

Esposizione del circuito di comunicazione e controllo

I moderni caricabatterie EV includono interfacce di comunicazione per la gestione del carico, la fatturazione e il coordinamento del veicolo. Questi circuiti a bassa tensione sono altamente suscettibili alle sovratensioni residue che passano attraverso gli stadi di potenza.

I dispositivi di tipo 3 possono essere utilizzati internamente o in corrispondenza di interfacce di circuiti di controllo per limitare queste tensioni residue, ma dipendono interamente dalla protezione a monte per funzionare correttamente.

Quando il tipo 2 è obbligatorio

Nella maggior parte degli impianti di ricarica EV, in particolare ambienti commerciali e di flotte, Dispositivo di protezione contro le sovratensioni tipo 2 Le unità ai pannelli di alimentazione non sono opzionali. La combinazione di frequenti commutazioni, elevato utilizzo e tempi di attività critici richiede limitazioni prevedibili di sovratensione.

Differenze residenziali, commerciali e di flotta

I caricabatterie residenziali spesso condividono i pannelli con altri carichi domestici, aumentando l'esposizione ai transitori di commutazione interni. Le installazioni commerciali devono affrontare correnti di guasto più elevate e interazione con la rete. Fleet Charge introduce la commutazione simultanea del carico su più caricabatterie, aumentando i disturbi generati internamente. Ogni contesto rafforza la necessità di una protezione coordinata a livello di pannello piuttosto che fare affidamento solo sull'elettronica locale.

Coordinamento degli SPD AC e DC in sistemi ibridi

I sistemi ibridi che combinano la generazione FV, l'accumulo di energia e la ricarica dei veicoli elettrici presentano sfide di coordinamento uniche.

Gli SPD CA e gli SPD CC non sono intercambiabili. I circuiti CC sostengono la tensione continuamente, mentre i circuiti CA passano attraverso gli incroci zero. I dispositivi progettati per un ambiente potrebbero guastarsi prematuramente o comportarsi in modo imprevedibile nell'altro.

Anche l'energia di sovratensione si propaga in modo diverso. Nei circuiti CC, l'energia può persistere più a lungo, aumentando lo stress termico sui componenti. Nei sistemi CA, l'energia viene distribuita tra le fasi e interrotta periodicamente mediante incroci zero a forma d'onda.

Una coordinazione impropria spesso porta a un dispositivo che assorbe più energia del previsto. Ciò si traduce in una degradazione prematura e una falsa fiducia nella protezione del sistema. La limitazione progressiva della tensione affronta questo problema assicurando che ogni stadio SPD riduca l'ampiezza di sovratensione passo dopo passo, piuttosto che costringere un singolo dispositivo a fare tutto il lavoro.

Nei sistemi ibridi, questo significa:

• Gli SPD CC gestiscono l'array e i disturbi lato batteria.
  
• Gli SPD AC gestiscono i disturbi della griglia e del lato carico.
  
• I dispositivi a valle gestiscono solo residui a bassa energia.
  

messa a terra, incollaggio e prestazioni di sovratensione (non codice, pratico)

La qualità della messa a terra influisce direttamente sul rendimento di qualsiasi dispositivo di protezione contro le sovratensioni. Un SPD non elimina l'energia di sovratensione. lo devia. Se il percorso di deviazione ha un'elevata impedenza, la tensione aumenta in altre parti del sistema.

Il legame scadente tra contenitori di apparecchiature, strutture di montaggio e conduttori di messa a terra crea un potenziale irregolare durante un evento di sovratensione. Questo potenziale disomogeneo sollecita l'isolamento e le interfacce elettroniche, anche quando sono presenti SPD.

In termini pratici:

• Le connessioni di terra brevi e diritte migliorano i tempi di risposta.
  
• L'incollaggio costante riduce le tensioni differenziali tra i componenti del sistema.
  
• Gli SPD non possono compensare percorsi di messa a terra mal progettati.
  

Concentrarsi sulla messa a terra come parte della progettazione del sistema, non come un ripensamento, migliora l'efficacia di ogni strato protettivo.

Tabella di confronto

Errori di progettazione comuni nella protezione da EV e sovratensioni solari

Un errore frequente è fare affidamento su un singolo SPD per proteggere un intero sistema. Questo approccio ignora il modo in cui Surge Energy si distribuisce tra diversi conduttori e tensioni.

Un altro problema è trascurare la protezione lato CC negli impianti fotovoltaici. La protezione solo dell'uscita CA lascia l'inverter esposto a transitori di origine array che non raggiungono mai l'interfaccia della rete.

Anche il trattamento dei caricabatterie EV come semplici carichi è problematico. I caricabatterie modellano attivamente il flusso di potenza e generano disturbi di commutazione interni che richiedono limitazioni di tensione a monte.

Infine, l'installazione di dispositivi di tipo 3 senza protezione a monte dà un falso senso di sicurezza. Questi dispositivi non sono progettati per gestire l'energia di sovratensione primaria e si degradano rapidamente quando vengono applicati erroneamente.

Affidabilità a lungo termine e considerazioni sulla manutenzione

Gli SPD si degradano gradualmente. Ogni evento di sovratensione riduce leggermente la capacità di deviare l'energia. Questo degrado è normale e prevedibile, ma solo se riconosciuto durante la pianificazione del sistema.

Le installazioni di veicoli elettrici e solari dovrebbero funzionare per decenni. Le strategie di protezione dovrebbero includere intervalli di ispezione, monitoraggio dello stato e sostituzione pianificata in base al livello di esposizione piuttosto che in attesa di guasti.

La protezione prevedibile supporta il tempo di attività prevedibile. Questo è più importante nella ricarica dei veicoli elettrici e nella generazione solare che in molte altre applicazioni elettriche perché i tempi di inattività influiscono direttamente sulla disponibilità di energia e sulla pianificazione operativa.

Conclusione

I sistemi di ricarica per veicoli elettrici e le installazioni solari fotovoltaiche richiedono strategie coordinate di protezione dalle sovratensioni che riflettano la loro topologia del sistema e il comportamento operativo. L'uso efficace di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni dipende dal corretto posizionamento, dal coordinamento tra gli ambienti CA e DC e dalle aspettative realistiche sulle prestazioni nel tempo.

La protezione in questi sistemi non riguarda la prevenzione assoluta. Si tratta di controllare il rischio, limitare lo stress su elettronica sensibile e supportare l'affidabilità a lungo termine attraverso una progettazione ponderata del sistema.

Domande frequenti