EV と太陽光発電システムを電力サージから保護する

電気自動車の充電システムと太陽光発電設備は、従来の電気負荷とは異なるサージ リスク プロファイルに直面しています。 双方向の電力の流れ、頻繁な DC-AC 変換、高密度のパワー エレクトロニクスにより、これらのシステムは外部グリッドの外乱と内部で生成された過渡現象の両方に敏感になります。 効果的な保護は、DC ゾーンと AC ゾーン全体でサージ保護装置を連携して使用することに依存し、単一の防御点に依存することはありません。

なぜ EV とソーラー システムは、より高いサージ リスクに直面するのか

太陽光発電システムは、ほとんどの電気設備がそうでない方法で、DC 側で露出しています。 長い PV ストリング ケーブルは、過電圧が急速に上昇するアンテナとして機能しますが、DC 動作電圧が高いと、過渡応力が発生したときの誤差のマージンが減少します。 直接雷の関与がなくても、誘導およびスイッチング関連のサージが損傷レベルに達する可能性があります。

インバータはこのリスクの中心にあります。 高周波電力半導体を使用して、DC 入力と AC 出力を継続的に切り替えます。 これらのデバイスは効率的ですが、容赦がありません。 繰り返し電圧スパイクは、断熱材の摩耗を加速し、半導体接合を劣化させ、壊滅的な故障が発生するずっと前の寿命を短くします。

EV 充電器は、さらに別の脆弱性を追加します。 グリッドの観点から見ると、EV 充電器は受動負荷ではありません。 これは、整流器、DC リンク コンデンサ、制御ロジック、および通信インターフェイスを備えた制御電力変換システムです。 グリッド スイッチング イベント、ユーティリティ フォールト、または近くの大負荷操作は、これらの敏感な段階に直接伝播する妨害を注入する可能性があります。

重要なのは、多くの有害な出来事が劇的ではないということです。 ルーチン スイッチング、コンデンサ バンクの接続、またはインバータの整流により、時間の経過とともにストレスが蓄積するサージが発生する可能性があります。 保護戦略は、まれな極端な過渡現象ではなく、頻繁に中程度の過渡現象に対処する必要があるため、このリマインダーが重要です。

太陽光発電システムのサージ保護戦略

太陽光発電設備のサージ保護は、個々のコンポーネントではなく、システム ゾーンで取り組む必要があります。 ゾーンごとに異なる露出プロファイルがあり、特定の保護の役割が必要です。

PV ストリングとインバータ間の DC 側保護

PV システムの DC 側は、日中に連続的に通電され、多くの場合、数百または数千ボルトで動作します。 PV アレイとインバータの間に適切に選択された DC SPD は、過渡エネルギーが制御された経路を提供し、インバータ入力から離れます。

考慮すべき重要な点:

• DC 回路は持続電圧を経験するため、SPD は DC 動作専用に設計する必要があります。
  
• ケーブルの長さと配線により、誘導過渡現象への露出が増加します。
  
• インバータに近い保護により、感度の高い電子機器に到達する残留電圧が制限されます。
  

A サージ保護装置 ソーラー パネルの回路は、サージを停止することではなく、インバータが繰り返し許容できるレベルに電圧を制限することを目的としています。

インバータ出力時の交流側保護

電力が AC に変換されると、インバータ出力はグリッド起源の外乱にさらされます。 イベントのアップストリーム、ユーティリティの障害、または近くの産業負荷の切り替えにより、インバータに向かって逆流するサージが発生する可能性があります。

インバータ出力またはメインの配電インターフェースに取り付けられた AC SPD は、これらの過電圧をインバータの出力段と内部 DC リンクにストレスがかかる前にクランプするのに役立ちます。 これは、動作条件に応じて両方向に電力が流れるグリッドタイド システムでは特に重要です。

DC と AC SPDS の調整が重要な理由

DC 側と AC 側のデバイスは、独立して動作しません。 調整が不十分な場合、エネルギーの共有が不均一、デバイスに過度にストレスがかかる、またはインバータに到達する残留電圧の上昇につながる可能性があります。

良好な調整により、次のことが保証されます。

• DC 側 SPD は、アレイ起源のトランジェントを管理します。
  
• AC 側 SPD は、グリッド起源の外乱を処理します。
  
• サージがシステムを伝搬するにつれて、残留電圧は次第に低下します。
  

ソーラー設置におけるサージ保護装置タイプ 2 の役割

ほとんどの固定 PV 設置では、サージ保護装置タイプ 2 が DC と AC の両方の場所に適しています。 これらのデバイスは、サービスの入口シナリオ用に予約された極端な放電容量を必要とせずに、スイッチングおよび間接雷効果に関連する反復過渡エネルギーを処理するように設計されています。

タイプ 3 が下流でのみ電子機器に使用される理由

タイプ 3 デバイスは低エネルギーの残留サージを対象としており、唯一の保護手段として設置しないでください。 太陽光発電システムでは、監視電子機器または通信インターフェースを保護するために下流で使用できますが、それは上流の保護がすでにサージ エネルギーを制限している場合に限られます。

EV 充電システムのサージ保護戦略

EV 充電システムは、グリッド接続から始まり、車両のインターフェースで終わる、電力の流れの観点から分析する必要があります。

グリッドから配電パネルから EV 充電器へ

サージは通常、AC 電源から入ります。 EV 充電器に供給する配電盤の AC SPD は、着信する過渡の振幅を減らします。 これは防御の最初の層であり、充電器が長時間のフィーダー ランまたは屋外用機器に接続されている場合に特に重要です。

内部のパワーエレクトロニクス感度

充電器の内部では、AC は DC に整流され、DC リンク ステージで処理され、高速スイッチング デバイスによって調整されます。 これらの段階は過電圧、特に、時間の経過とともにコンデンサや半導体を劣化させる反復スパイクに敏感です。

上流の電圧制限がなければ、内部コンポーネントは、決して処理するように設計されていなかったストレスを吸収する必要があります。

通信および制御回路の露出

最新の EV 充電器には、負荷管理、課金、および車両の調整のための通信インターフェイスが含まれています。 これらの低電圧回路は、電力段を通過する残留サージの影響を非常に受けやすくなっています。

タイプ 3 デバイスは、これらの残留電圧を制限するために内部または制御回路のインターフェイスで使用できますが、正しく機能するためには、完全にアップストリームの保護に依存しています。

タイプ 2 が必須の場合

ほとんどの EV 充電設備、特に商用およびフリート環境では、 サージ保護装置 2 タイプ 供給パネルのユニットはオプションではありません。 頻繁な切り替え、高使用率、および重大なアップタイムの組み合わせには、予測可能なサージ制限が必要です。

住宅、商業、フリートの違い

住宅用充電器は、他の家庭用負荷とパネルを共有することが多く、内部スイッチング トランジェントへの露出が増加します。 商用設備は、より高い故障電流とグリッド相互作用に直面しています。 フリート充電は、複数の充電器間で同時に負荷を切り替え、内部で生成された障害を増大させます。 各コンテキストは、ローカル エレクトロニクスだけに依存するのではなく、調整されたパネル レベルの保護の必要性を強化します。

ハイブリッド システムでの AC および DC SPD の調整

PV 発電、エネルギー貯蔵、および EV 充電を組み合わせたハイブリッド システムは、独自の調整課題を提示します。

AC SPD と DC SPD は交換できません。 DC 回路は電圧を連続的に維持し、交流回路はゼロ交差点を通過します。 ある環境用に設計されたデバイスは、時期尚早に故障したり、他方では予測できないように動作したりすることがあります。

サージ エネルギーの伝播も異なります。 DC 回路では、エネルギーがより長く持続し、コンポーネントの熱ストレスが増加します。 AC システムでは、エネルギーは位相全体に分散され、波形ゼロの交差によって周期的に中断されます。

不適切な調整により、1 つのデバイスが意図したよりも多くのエネルギーを吸収することがよくあります。 これにより、システム保護の早期劣化と誤った信頼性が生じます。 プログレッシブ電圧制限は、各 SPD ステージが、単一のデバイスですべての作業を強制するのではなく、ステップ バイ ステップでサージ振幅を削減することで、これに対処します。

ハイブリッド システムでは、次のことを意味します。

• DC SPD は、アレイとバッテリー側の障害を管理します。
  
• AC SPD は、グリッドと負荷側の障害を管理します。
  
• ダウンストリーム デバイスは、低エネルギーの残留のみを処理します。
  

接地、ボンディング、サージ性能 (非コード、実用的)

接地品質は、サージ保護装置の性能に直接影響します。 SPD はサージ エネルギーを排除しません。 それはそれをそらします。 ダイバース パスのインピーダンスが高い場合、電圧はシステムの他の場所で上昇します。

機器エンクロージャ、取り付け構造、および接地導体間の結合が不十分であると、サージ イベント中に不均一な電位が発生します。 この不均一な電位は、SPD が存在する場合でも、絶縁と電子インターフェースに応力を与えます。

実際の用語で:

• 短く直線接地接続により、応答時間が改善されます。
  
• 一貫したボンディングにより、システム コンポーネント間の差動電圧が減少します。
  
• SPD は、設計が不十分な接地経路を補うことができません。
  

システム設計の一部として、後付けとしてではなく、接地に焦点を当てることで、すべての保護層の効果が向上します。

比較表

EV および太陽光発電の保護における一般的な設計ミス

よくある間違いの 1 つは、システム全体を保護するために 1 つの SPD に依存することです。 このアプローチでは、サージ エネルギーが異なる導体や電圧にどのように分散するかを無視します。

もう 1 つの問題は、PV システムにおける DC 側の保護を無視することです。 AC 出力のみを保護すると、インバータは、グリッド インターフェイスに到達しないアレイ起源のトランジェントにさらされます。

EV 充電器を単純な負荷のように扱うことも問題です。 充電器は、電力の流れを積極的に形成し、上流の電圧制限を必要とする内部スイッチング障害を生成します。

最後に、アップストリーム保護なしでタイプ 3 デバイスをインストールすると、誤ったセキュリティの感覚が得られます。 これらのデバイスは、一次サージ エネルギーを処理するようには設計されていません。誤って適用されるとすぐに劣化します。

長期的な信頼性とメンテナンスに関する考慮事項

SPD は徐々に劣化します。 サージ イベントごとに、エネルギーをそらす能力がわずかに低下します。 この劣化は正常で予測可能ですが、システム計画中に認識された場合に限ります。

EV およびソーラー設備は、数十年にわたって運用されることが期待されています。 保護戦略には、失敗を待つよりも、露出レベルに基づいて検査間隔、ステータス監視、および計画交換を含める必要があります。

予測可能な保護は、予測可能なアップタイムをサポートします。 これは、ダウンタイムがエネルギーの可用性と運用計画に直接影響するため、他の多くの電気アプリケーションよりも、EV 充電と太陽光発電でより重要になります。

結論

EV 充電システムと太陽光発電設備には、システムのトポロジと動作動作を反映した調整されたサージ保護戦略が必要です。 サージ保護装置の効果的な使用は、正しい配置、AC 環境と DC 環境間の調整、および時間の経過に伴う性能に対する現実的な期待に依存します。

これらのシステムでの保護は、絶対的な予防ではありません。 リスクを管理し、電子機器に負担をかけるストレスを制限し、思慮深いシステム設計による長期的な信頼性をサポートすることです。

よくある質問