Μελέτη περίπτωσης: 1000V DC Combiner Box 6 In 2 Out Μειώνει το κόστος ηλιακής συστοιχίας κατά 15%

Υπόβαθρο πελατών

Μια μεσαίου μεγέθους εταιρεία ηλιακής μηχανικής, προμηθειών και κατασκευών (EPC) που βρίσκεται στη νότια Ισπανία διαχειρίζεται εγκαταστάσεις εδάφους χρηστικής κλίμακας σε όλη την Ιβηρική Χερσόνησο. Με 200 υπαλλήλους και ετήσιο αγωγό 80 MW, η εταιρεία εργάζεται τακτικά σε έργα όπου η χερσαία έκταση, οι διαδρομές καλωδίων και οι μετατροπείς είναι διατεταγμένες σε στενές γεωγραφικές περιοχές.

Η επιχείρηση είχε κερδίσει ένα συμβόλαιο για την ανανέωση και επέκταση μιας υπάρχουσας ηλιακής μονάδας ισχύος 1,6 MW προσθέτοντας νέα ισχύ 0,8 MW. Το εργοστάσιο δεν ανταποκρίνεται πλέον στις αυστηρότερες ανάγκες ασφάλειας και απόδοσης του σημερινού εξοπλισμού συνεχούς ρεύματος, επομένως τα παλιά κιβώτια συστοιχιών και η καλωδίωση έπρεπε να αντικατασταθούν. Η ομάδα μηχανικών αναζήτησε μια λύση που θα μείωνε το κόστος ισορροπίας του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα την εγκατάσταση ασφαλή και ελάχιστη διακοπή.

Προκλήσεις και σημεία πόνου

Η αρχική ηλιακή εγκατάσταση χρησιμοποιούσε κουτιά συνδυασμού ονομαστικής ισχύος 600 V σε συνδυασμό με γραμμή μετατροπέα 380 V. Κάθε τέσσερα κυκλώματα χορδών συνδυάζονταν σε έναν τροφοδότη, απαιτώντας μεγάλες διαδρομές καλωδίων χαμηλής τάσης. Στο νέο τμήμα, η ομάδα σχεδίαζε να χρησιμοποιήσει ηλιακές μονάδες 1000 V και έναν κεντρικό μετατροπέα με δυνατότητα 1000 V για τη μείωση των διατομών των καλωδίων και τη βελτίωση της απόδοσης του μετατροπέα.

Το πρόβλημα ήταν ότι τα τυπικά κουτιά συνδυασμού 600 V δεν μπορούσαν να δεχτούν τις υψηλότερες τάσεις στοιχειοσειράς. Ως εκ τούτου, οι διαχειριστές έργου χρειάζονταν ένα κουτί συνδυασμού ικανό να χειρίζεται 1000 V DC ενώ τροφοδοτεί δύο ανεξάρτητες εισόδους μετατροπέα. Οι υπάρχοντες δίσκοι καλωδίων και τάφροι δεν μπορούσαν να αντέξουν οικονομικά σημαντικά νέα μονοπάτια, έτσι το έργο χρειαζόταν ένα συμπαγές κουτί που επέτρεπε την είσοδο έξι χορδών και την έξοδο δύο ομαδικών εξόδων, περιορίζοντας τα νέα καλώδια και μειώνοντας τα μήκη του τροφοδότη.

Ένας ακόμη πονοκέφαλος ήρθε από τη συντήρηση. Στην παλιά εγκατάσταση, τα βραχυκυκλώματα ή οι αστοχίες στοιχειοσειράς απομονώνονταν με αργές μηχανικές ασφάλειες. Αυτό προκάλεσε χρονοβόρο εντοπισμό σφαλμάτων και απρογραμμάτιστες απώλειες παραγωγής κάθε λίγους μήνες. Με την ανανέωση του εργοστασίου, το EPC προσπαθούσε να αποφύγει αυτές τις απώλειες.

Γιατί το Soutya 1000V DC Combiner Box 6 In 2 Out MCB Type;

Η ομάδα μηχανικών αξιολόγησε τρεις εναλλακτικές λύσεις: τυποποιημένα οικιακά κουτιά διακλάδωσης με θήκες ασφαλειών, εισαγόμενα κουτιά συνδυασμού υψηλής τάσης που προσφέρονται από συνεργάτη μονάδας και το κουτί συνδυασμού DC 1000V Soutya. Η πρώτη λύση αποκλείστηκε επειδή τα κουτιά που κατασκευάζονται στο πεδίο δεν διαθέτουν κατάλληλα περιβλήματα με βαθμολογία IP και διακόπτες ισχύος DC. Η δεύτερη επιλογή ήταν πιο ακριβή και είχε χρόνο παράδοσης μεγαλύτερο από δέκα εβδομάδες.

Το κουτί συνδυασμού συνεχούς ρεύματος Soutya 1000V ξεχώρισε λόγω τριών χαρακτηριστικών του προϊόντος που ταίριαζαν ακριβώς με τις απαιτήσεις του έργου.

• Έξι είσοδοι DC και δύο έξοδοι, δίνοντας στη σχεδίαση τη δυνατότητα να τροφοδοτεί δύο ξεχωριστές εισόδους MPPT μετατροπέα χωρίς πρόσθετο υποπίνακα.
• Προστασία τύπου MCB αντί για ασφαλειοθήκες. Αυτό επέτρεψε την εύκολη επαναφορά και αντιμετώπιση προβλημάτων χωρίς να απαιτούνται εφεδρικές ασφάλειες.
• Ονομάζεται για 1000 V DC σύμφωνα με τη διάταξη τάσης στοιχειοσειράς του έργου, έτσι ώστε το κουτί να μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στη συστοιχία και να εξακολουθεί να συμμορφώνεται με τα όρια ασφαλούς τάσης της εγκατάστασης.

Επιπλέον, το κουτί προήλθε από τοπικό προμηθευτή με σύντομο χρόνο παράδοσης δύο εβδομάδων. Οι υπεύθυνοι αγορών συνέκριναν το κόστος της μονάδας Soutya με τον ανταγωνισμό και υπολόγισαν εξοικονόμηση 22% ανά περίβλημα, προτού εξετάσουν την εξοικονόμηση καλωδίωσης και εργασίας.

Διαδικασία Υλοποίησης και Εφαρμογής

Το έργο παρείχε την πλήρη τροφοδοσία και επέκταση κατά τη διάρκεια ενός τριμήνου κατασκευαστικού παραθύρου. Η εγκατάσταση των κιβωτίων συνδυασμού DC 1000V διήρκεσε έξι ημέρες σε δέκα νέες συστοιχίες και αντικατάσταση συστοιχιών.

Η ομάδα ακολούθησε μια σαφή σειρά:

1. Μετά τη στερέωση των ραφιών τοποθέτησης, οι τεχνικοί τοποθέτησαν τις γραμμές στοιχειοσειρών DC στις θέσεις του κιβωτίου συνδυασμού με δοκιμή τάσης στα 1000 V DC.
2. Κάθε κιβώτιο συνδυασμού συνεχούς ρεύματος Soutya 1000V τοποθετήθηκε στη βάση με τις ουδέτερες εισόδους και τους αγωγούς στραμμένους προς τα κάτω, προστατεύοντας το διαμέρισμα MCB από εισβολή βροχής.
3. Έξι αγωγοί χορδών τερματίστηκαν μέσα σε κάθε κουτί και ελέγχθηκαν με ροπή σύμφωνα με τις τιμές της ετικέτας.
4. Οι δύο τροφοδοσίες εξόδου δρομολογήθηκαν στα τμήματα εισόδου MPPT του μετατροπέα και οι διακόπτες DC ενεργοποιήθηκαν μόνο αφού επαληθεύτηκαν όλες οι συνδέσεις.

Μια βασική δυσκολία προέκυψε σε στέγες με ατσάλι, όπου η πλάκα γείωσης του περιβλήματος δεν μπορούσε να βιδωθεί. Ο μηχανικός προπώλησης του κατασκευαστή πρότεινε τη χρήση κιτ ωτίδων γείωσης με ακροδέκτες συμπίεσης μιας οπής. Το πλήρωμα του εργοταξίου εφάρμοσε το προτεινόμενο εργαλείο πτύχωσης και πέρασε ένα τεστ συνέχειας. Αυτό εξάλειψε μια πιθανή καθυστέρηση δύο ημερών.

Ποσοτικοποιημένα αποτελέσματα

Μετά τη θέση σε λειτουργία και μια πλήρη καλοκαιρινή περίοδο λειτουργίας, το EPC συνέκρινε την απόδοση της ανανεωμένης μονάδας με το παλαιότερο τμήμα που λειτουργεί με την ίδια κατηγορία μετατροπέων.

• Το βάρος χαλκού καλωδίου ανά τροφοδότη στοιχειοσειρών μειώθηκε κατά 35%, επειδή οι στοιχειοσειρές 1000 V λειτουργούσαν με υψηλότερη τάση και χαμηλότερο ρεύμα, διατηρώντας το ίδιο όριο πτώσης τάσης.
• Το συνολικό κόστος των υλικών ισορροπίας του συστήματος για το προστιθέμενο τμήμα των 0,8 MW μειώθηκε κατά 15% σε σύγκριση με τη βασική σχεδίαση 600 V, συμπεριλαμβανομένης της πραγματικής τιμής του κιβωτίου συνδυασμού DC 1000V Soutya.
• Ο χρόνος επαναφοράς σφαλμάτων πήγε από 55 λεπτά κατά μέσο όρο σε 8 λεπτά χάρη στους διακόπτες τύπου MCB και την εύκολη στην πρόσβαση διάταξη 6-σε-2-έξω.
• Η διαθεσιμότητα της γενιάς βελτιώθηκε κατά 3,4% τους πρώτους τρεις μήνες σε σύγκριση με την ιστορική απόδοση των παλαιότερων κουτιών συστοιχιών με προστασία που βασίζεται σε ασφάλειες.

Επειδή χρειάζονταν λιγότεροι υποτροφοδότες, το μήκος της τάφρου μειώθηκε επίσης κατά 18%. Αυτό εξοικονομούσε μια εβδομάδα εκσκαφής και μείωσε τις εργασίες συμπίεσης πριν από την τοποθέτηση των μετατροπέων.

Προοπτική Πελατών

Ο προϊστάμενος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών στο EPC δήλωσε:

"Το κιβώτιο συνδυασμού 1000 V DC μας έδωσε τη διάταξη διπλής εξόδου που χρειαζόμασταν χωρίς ειδική κατασκευή. Μειώσαμε το κόστος των υλικών μας και, περισσότερο, όταν μια χορδή ταξιδεύει τώρα το πλήρωμα την αποκαθιστά μέσα σε λίγα λεπτά από το να ξοδεύει ώρες ψάχνοντας για καμένη ασφάλεια."

Ο ιδιοκτήτης του εργοστασίου επανέλαβε αυτήν την άποψη, σημειώνοντας ότι η νέα διαμόρφωση επέτρεψε μελλοντική επέκταση χωρίς να αντικαταστήσει την αρχική υποδομή DC.

Μαθήματα και συστάσεις

Για άλλες εταιρείες EPC που σχεδιάζουν παρόμοια έργα ηλιακής ενέργειας DC υψηλής τάσης, ξεχωρίζουν τρία σημεία:

• Επιλέξτε ένα κουτί συνδυασμού με τον σωστό αριθμό εισόδων και εξόδων για την τοπολογία του μετατροπέα πριν ξεκινήσετε τη διάταξη. Μια μονάδα 6-σε-2-έξω μπορεί να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των τροφοδότη και τους δευτερεύοντες πίνακες διανομής.
• Η προστασία που βασίζεται σε MCB αξίζει το ελαφρώς υψηλότερο αρχικό κόστος, επειδή ο χρόνος διακοπής λειτουργίας υποτιμάται σε μια επιχειρηματική περίπτωση. Μια αποφυγή διακοπής μισής ημέρας μπορεί να πληρώσει για το επιπλέον.
• Επιβεβαιώστε τις απαιτήσεις γείωσης και προστασίας IP με τον προμηθευτή πριν από την αποστολή. Μια μικρή λεπτομέρεια όπως ένα κιτ γείωσης μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα και την αξιοπιστία εγκατάστασης, για υπερυψωμένα σημεία στέγης.

Εάν το έργο επαναλαμβανόταν, η ομάδα θα παρήγγειλε προ-διάτρητα κιτ αδένα και επισημασμένους σωλήνες σήμανσης αγωγών ταυτόχρονα με τα κουτιά. Αυτή η απλή αλλαγή θα μείωνε τον χρόνο επιθεώρησης κλεισίματος κατά άλλες δύο ημέρες σε ολόκληρο το εργοστάσιο.

Αναφορές Βιομηχανικών Προτύπων

Η εφαρμοζόμενη εγκατάσταση και επιλογή του κιβωτίου συνδυασμού 1000 V DC ακολουθεί τις σχετικές απαιτήσεις IEC: IEC 62548:2016 για απαιτήσεις σχεδιασμού και δομικών στοιχείων φωτοβολταϊκών συστοιχιών και IEC 61643-11:2011 για συντονισμό προστασίας από υπερτάσεις στην πλευρά DC.

• IEC 62548:2016 — Φωτοβολταϊκές (PV) συστοιχίες — Απαιτήσεις σχεδιασμού.https://webstore.iec.ch/publication/62548
• IEC 61643-11:2011 — Συσκευές προστασίας από υπερτάσεις χαμηλής τάσης — SPD συνδεδεμένα σε συστήματα ισχύος χαμηλής τάσης.https://webstore.iec.ch/publication/61643-11