Come dimensionare i cavi di alimentazione CC
In questo articolo, i calcoli per il dimensionamento dei cavi sono effettuati in base alla norma AS/NZS 3008.1 , simile alle norme IEC. Questo standard definisce le proprietà elettriche dei cavi nelle condizioni e nelle modalità di installazione tipiche dell'Australia. Si applica ai sistemi a corrente alternata (CA) fino a 0,6/1,0 kV compresi. Nonostante il titolo includa "tensioni alternate", questa norma può essere applicata alle installazioni in corrente continua (DC). AS/NZS 3008.1 soddisfa i requisiti del circuito, tra cui la capacità di trasporto della corrente, la caduta di tensione e il limite di temperatura di cortocircuito, e contemporaneamente riduce al minimo i costi dell'intero sistema fotovoltaico (PV).
Il dimensionamento dei cavi CC ha notevoli implicazioni sulle prestazioni, sul costo totale e sulla sicurezza degli impianti fotovoltaici. Inoltre, è necessario garantire la conformità agli standard pertinenti. Questo articolo prende in considerazione il calcolo della corrente nominale e dell'aumento di tensione nei cavi CC.
Differenze tra cavi CC e CA
I cavi in corrente continua sono ampiamente utilizzati nelle centrali solari. La costruzione dei cavi in corrente continua è completamente diversa da quella dei cavi in corrente alternata. Il rame è il materiale principale utilizzato nei cavi in corrente continua per la sua elevata flessibilità, capacità di trasporto della corrente e prestazioni termiche. Inoltre, il rame per unità di lunghezza dei cavi in c.c. è diverso da quello dei cavi in c.a. a causa della mancanza dell'effetto pelle nei cavi in c.c.; di conseguenza, la capacità di evacuazione della potenza dei cavi in c.c. e in c.a. è diversa e quindi i cavi in c.a. non devono essere utilizzati per l'evacuazione della potenza in c.c.. Infatti, i cavi in corrente continua effettuano l'evacuazione della potenza in modo diverso dai cavi in corrente alternata. Questo lavoro si concentra sul dimensionamento dei cavi in corrente continua per le applicazioni degli impianti fotovoltaici, in conformità con la norma AS/NZS 3008.1. Inoltre, si ipotizza che due segmenti di cavi CC siano la stringa fotovoltaica verso la scatola di giunzione dell'array (AJB) e AJB verso l'inverter.
Nomenclatura
| Cavo (stringa PV a AJB) | Corrente nominale del cavo CC - Dalla stringa FV all'AJB |
| Modulo IPV al MPP | Corrente nominale FV al punto di massima potenza |
| DF | Fattore di declassamento |
| Cavo elettrico (da AJB a inverter) | Corrente nominale del cavo CC - Da AJB a inverter |
| Ingresso inverter DC Imax | Corrente d'ingresso massima dell'inverter CC |
| ISC max PV Mod | Corrente massima di cortocircuito del modulo fotovoltaico |
| ISC PV Mod | Corrente di cortocircuito del modulo fotovoltaico |
| αi | Coefficiente di temperatura della corrente di cortocircuito del modulo FV |
| βv | Coefficiente di temperatura della tensione a circuito aperto del modulo FV |
| VOCPVMod | Tensione del modulo fotovoltaico a circuito aperto |
| Tcellmax | Temperatura massima della cella |
| Cavo DC Vrise | Aumento di tensione di tutto il cavo DC - Dalla stringa fotovoltaica all'inverter |
| Stringa Vrisea AJB | Aumento di tensione del cavo DC - Dalla stringa FV all'AJB |
| VriseAJB all'inverter | Aumento di tensione del cavo CC - Da AJB all'inverter |
| Stringa VPV | Tensione della stringa fotovoltaica |
| Modulo VPVa MPP | Tensione nominale del modulo fotovoltaico al punto di massima potenza |
| VAN / stringa | Numero di moduli fotovoltaici nella stringa |
| Inverter VMPPTmin | Tensione minima di ingresso dell'inverter MPPT |
| Inverter VMPPTmax | Tensione massima di ingresso dell'inverter MPPT |
| VPVMod min | Temperatura minima del modulo fotovoltaico a Tcellmax |
| VPVMod max | Temperatura massima del modulo fotovoltaico a Tcellmin |
| Tcellmax | Temperatura massima della cella |
| Tcellmin | Temperatura minima della cella |
| Tambientmin | Temperatura ambiente minima |
| Tambientmax | Temperatura ambiente massima |
| NOCT | Temperatura nominale di funzionamento della cella |
| G | Irradianza media oraria del piano del campo (W/m²) |
| Cavo Ldalla stringa FV all'AJB | Lunghezza del cavo CC dalla stringa fotovoltaica all'AJB |
| Istringa a MPP | Corrente di stringa FV al punto di massima potenza |
| Cavo(AJBainverter) | Lunghezza del cavo CC dall'AJB all'inverter |
| Iarraya MPP | Corrente del campo fotovoltaico al punto di massima potenza |
- Potenza (W): Potenza CA dell'impianto fotovoltaico.
- Tensioni (V): Tensioni del modulo fotovoltaico (tensioni nominali e a circuito aperto) e dell'inverter (tensioni MPPT minime e massime).
- Corrente (kW, kVA, A): Correnti del modulo FV (correnti nominali e di cortocircuito) e dell'inverter (corrente CC massima in ingresso).
- Temperature (°C): La temperatura ambiente massima e minima nel sito in cui si trova.
- Distanza (m, ft): Lunghezza stimata del cavo o del filo in metri o piedi.
- Tipo di cavo: Numero di conduttori nel cavo. Ignorare il conduttore di neutro e di terra nei cavi trifase.
- Tipo di isolamento: In genere, termoplastico (PVC) o termoindurente (XLPE). La scelta corretta del grado di temperatura è fondamentale.
- Numero di cavi paralleli: In genere, un solo cavo. È possibile selezionare più di un cavo per scenari di carico elevato. Se il tipo di cavo è unipolare, questo parametro indica una serie di cavi; ad esempio, si considerano sei cavi se si selezionano due cavi paralleli per un cavo del tipo "tre anime singole".
- Installazione del cavo: È necessario considerare la sezione peggiore dell'installazione dei cavi.
1. Calcolo della corrente nominale
Negli impianti fotovoltaici esistono due circuiti CC: il primo circuito è quello tra la stringa fotovoltaica e l'AJB e il secondo segmento è quello tra l'AJB e l'inverter.
La portata di corrente dei cavi CC per il primo segmento si ottiene considerando le seguenti condizioni:
Condizione 11: la corrente nominale del cavo deve essere uguale o superiore alla corrente della stringa fotovoltaica; pertanto,
Condizione 12: La scelta del rating del cavo deve basarsi sulle temperature ambiente e di terra consentite. In genere, le tabelle di progettazione utilizzano le temperature ambiente e di terra come 40 e 25°C, rispettivamente.
Condizione 13: la scelta del valore nominale di corrente deve basarsi sul tipo di cavo, sul tipo di isolamento e sul metodo di installazione del cavo.
In base alle condizioni di cui sopra e in alcuni casi, nelle tabelle di progettazione (tabelle 22-27 in AS/NZS 3008) viene considerato un fattore di declassamento (DF). Per quanto riguarda i cavi con un DF, il calcolo della corrente nominale del cavo nella Condizione 11 deve essere aggiornato come segue:
Di conseguenza, è necessario seguire le condizioni 12 e 13 per selezionare una sezione trasversale adeguata in base alla nuova corrente dell'inverter. A questo punto, è possibile selezionare una sezione trasversale iniziale del primo segmento.
Il secondo segmento di cavi CC si trova tra l'AJB e l'inverter. La corrente nominale del secondo segmento può essere ottenuta in base alle seguenti condizioni:
Condizione 21: la corrente nominale del cavo deve essere uguale o superiore alla somma della corrente alternata dell'inverter e della corrente di carico; pertanto,
dove,
Condizione 22: la scelta del rating del cavo deve basarsi sulle temperature ambiente e di terra consentite. In genere, le tabelle di progettazione utilizzano la temperatura ambiente e quella di terra come 40 e 25°C, rispettivamente.
Condizione 23: la scelta del valore nominale di corrente deve basarsi sul tipo di cavo, sul tipo di isolamento e sul metodo di installazione del cavo.
In base alle condizioni di cui sopra e in alcuni casi, nelle tabelle di progettazione (tabelle 22-27 in AS/NZS 3008) viene considerato un fattore di declassamento. Per quanto riguarda i cavi con un DF, il calcolo della corrente nominale del cavo nella Condizione 21 deve essere aggiornato come segue:
Di conseguenza, è necessario seguire le condizioni 22 e 23 per selezionare un'area di sezione adeguata in base alla nuova corrente dell'inverter. A questo punto è possibile selezionare una sezione iniziale del secondo segmento (cavo CC di rete). Dopo aver dimensionato il primo e il secondo segmento del cavo CC, è necessario eseguire il calcolo dell'aumento di tensione per confermare che i cavi CC selezionati garantiscono l'aumento di tensione CC desiderato.
2. Calcolo dell'aumento di tensione
L'aumento di tensione dei cavi selezionati viene calcolato dopo aver selezionato la sezione dei cavi in base alle correnti nominali. L'aumento di tensione DC (VriseDC cable) dalla stringa fotovoltaica all'inverter può essere calcolato come segue:
Dove VMPPTinverter max e VPVMod min possono essere calcolati come:
Di conseguenza, le Tcellmin e Tcellmax possono essere calcolate utilizzando l'equazione della temperatura della cella in base alle temperature ambiente minima e massima, come segue:
dove,
dove,
Pertanto, il valore della caduta di tensione del cavo CC ≤ calcolato utilizzando l'Eq.(7); altrimenti, la lunghezza dei cavi CC dalla stringa fotovoltaica all'AJB e/o quella dall'AJB all'inverter deve essere aumentata per garantire l'aumento di tensione richiesto.
L'esempio seguente è stato incluso per chiarire l'applicazione dei metodi standard in casi reali.
Esempio 1: La potenza di uscita AC di un impianto fotovoltaico deve essere di 82,8 kW. I seguenti dati sono disponibili sul sito:
- Inverter ABB
- Moduli fotovoltaici generici da 250Wp
- Latitudine = 97 e Longitudine = 35,91
- Irraggiamento giornaliero sulla superficie inclinata =5,93 kWh/m²
- Lunghezza totale del cavo CC = 70 m
- Temperatura ambiente massima= 40 °C
- Temperatura ambiente minima =-5 °C
È necessario dimensionare correttamente i cavi CC per questo esempio.
Soluzione:
- La potenza di uscita CA è pari a 8 kW.
- In base alla disponibilità degli inverter ABB, gli inverter adatti a questa potenza sono quelli da 50 kW(TRIO-50.0-TL-OUTD) e da 33 kW(PRO-33.0-TL-OUTD), che sono inverter trifase.
- La potenza del modulo fotovoltaico deve essere di 250 Wp. In questo esempio si può quindi utilizzare il modulo Trina Solar TSM-250-PC-PA05A.
- Cavo DC dalla stringa fotovoltaica all'AJB= 2 m
- Cavo DC da AJB all'inverter= 10 m
- Due cavi CC sono di tipo unipolare
- Il tipo di isolamento è termoplastico (PVC)
- L'installazione dei cavi è un cablaggio in aria
1. Calcolo della corrente nominale:
1.1. Dalla stringa PV all'AJB
La corrente nominale del modulo fotovoltaico a STC è pari a 8,2 A. Pertanto, la corrente del cavo deve essere uguale o superiore alla corrente nominale del modulo fotovoltaico. Quindi,
Pertanto,
In base alla corrente nominale del modulo fotovoltaico, al tipo di cavo e alle condizioni di installazione, l'area della sezione trasversale viene selezionata da AS/NZS 3008.1.1:2017, Tabella 10, Colonna 11; pertanto, la sezione corretta del cavo CC dalla stringa fotovoltaica all'AJB è di 4 mm².
1.2. Da AJB all'inverter
Il secondo segmento collega AJB all'inverter. In questo esempio, due inverter richiedono due diversi cavi CC da entrambi gli array a questi inverter, in base ai valori nominali degli inverter.
A. Inverter da 50 kW (TRIO-50.0-TL-OUTD) / Array 1
Il numero di stringhe in parallelo viene calcolato come segue:
Secondo la scheda tecnica del modulo FV,ISC = 8,9 A, Tcdi Isc = 0,053%/°C,TMaxcell e= 56,060525 °C.
Così,
Poiché l'inverter può caricare il 120% della sua capacità totale, la potenza massima è di 60 kW. Poiché si ipotizza che il numero di stringhe sia di 26 moduli FV/stringa, la tensione totale all'MPP è di 793 V. Pertanto, la corrente richiesta per coprire la potenza massima è di 75,7 A. Il numero di stringhe in parallelo richiesto è quindi di 9,22. Pertanto,
In questo array, dieci stringhe formano il campo fotovoltaico. Pertanto, si consiglia di utilizzare un AJB con dimensioni di 10 mm × 4 mm come ingresso. Inoltre, l'area della sezione trasversale del cavo di uscita dell'AJB può essere calcolata come segue:
Così,
In base alla corrente nominale del modulo fotovoltaico, al tipo di cavo e alle condizioni di installazione, l'area della sezione trasversale viene selezionata da AS/NZS 3008.1.1:2017, Tabella 10, Colonna 11; pertanto, la sezione trasversale corretta del cavo CC per questo campo (da AJB a interruttore CC) è di 25 mm².
B. 33 kW (PRO-33.0-TL-OUTD) / Array 2
Il numero di stringhe in parallelo può essere calcolato come segue:
Secondo la scheda tecnica del modulo fotovoltaico,ISC = 8,9 A, Tcdi Isc = 0,053%/°C,TMaxcell e = 56,060525 °C.
Pertanto,
Poiché l'inverter può caricare il 120% della sua capacità totale, la potenza massima è di 39,6 kW. Poiché si ipotizza che il numero di stringhe sia pari a 27 moduli fotovoltaici per stringa, la tensione totale al MPP è pari a 823,5 V. Pertanto, la corrente richiesta per coprire la potenza massima è di 48,1 A e il numero necessario di stringhe in parallelo è di 5,86. Quindi,
In questo array, sei stringhe formano il campo fotovoltaico. Pertanto, si consiglia di utilizzare un AJB con dimensioni di 6 mm × 4 mm come ingresso. Inoltre, l'area della sezione trasversale del cavo di uscita dell'AJB può essere calcolata come segue:
In base alla corrente nominale del modulo fotovoltaico, al tipo di cavo e alle condizioni di installazione, l'area della sezione trasversale viene selezionata da AS/NZS 3008.1.1:2017, Tabella 10, Colonna 11; pertanto, la sezione trasversale corretta del cavo CC per questo campo (da AJB a interruttore CC) è di 10 mm².
2. Calcolo dell'aumento di tensione:
Secondo la norma AS/NZS 3008.1.1:2017, la caduta di tensione per il cavo con una sezione di 4 mm² è di 14,3 V/A.km. Poiché la corrente del modulo FV al MPP è pari a 8,2 A e la lunghezza del cavo CC dalla stringa all'AJB è supposta pari a 2 m, la caduta di tensione dalla stringa FV all'AJB (Vdrop, stringa a AJB) è pari a 0,235 V in entrambi gli array.
In questo esempio, l'irradiazione giornaliera sulla superficie inclinata è pari a 5,93 kW/m². Pertanto, l'irradiazione solare media (𝑆) è pari a 494,17 W/m².
Le temperature ambientali minime e massime in questo sito sono rispettivamente -5 e 40 °C. Inoltre, la temperatura nominale di funzionamento delle celle è pari a 0,235 V in entrambi gli array. Inoltre, la temperatura nominale di esercizio della cella (NOCT)= 46 °C. Di conseguenza, le temperature minime e massime della cella possono essere ottenute come segue:
Inoltre ,VMPP = 30,5 V, Tcdi voc=-0,32%/°C, e date le temperature minime e massime delle celle, le tensioni minime e massime del modulo a MPP possono essere calcolate come segue:
A. Inverter da 50 kW (TRIO-50.0-TL-OUTD) / Array 1
Si ipotizza che i moduli fotovoltaici si trovino nell'intervallo della tensione MPPT; pertanto, la tensione media della stringa fotovoltaica è di 640 V e la caduta di tensione di progetto è pari all'1,3%.
Di conseguenza, la lunghezza della stringa (numero di moduli fotovoltaici per stringa) può essere ottenuta come segue:
Così,
In questo array, la sezione del cavo CC per questo array (da AJB a interruttore CC) è di 25 mm². Secondo la norma AS/NZS 3008.1.1:2017, la caduta di tensione per una sezione di 25 mm² è di 2,23 V/A.km. Poiché la corrente di stringa al MPP è pari a 8,2 A e la lunghezza del cavo DC da AJB all'inverter è di 10 m, la caduta di tensione da AJB all'inverter (Vdrop,AJB to inverter ) è pari a 0,128 V.
Per questo inverter, il numero di moduli FV per stringa è 26 e la tensione per ogni modulo FV al MPP è di 30,5 V.
Pertanto,
Così,
L'equazione (8) viene utilizzata per calcolare la caduta di tensione per ogni stringa, come segue:
B. 33 kW (PRO-33.0-TL-OUTD) / Array 2
In base alla scheda tecnica di PRO-33.0-TL-OUTD, VminMPPT,inverter = 580 V e VminMPPT,inverter = 850 V.
Si ipotizza che i moduli fotovoltaici si trovino nell'intervallo della tensione MPPT; pertanto, la tensione media della stringa fotovoltaica è di 715 V e la caduta di tensione di progetto è pari all'1,1%.
Di conseguenza, la lunghezza della stringa (numero di moduli fotovoltaici per stringa) può essere ottenuta come segue, utilizzando l'equazione (1) come segue:
Così,
In questo array, la sezione del cavo CC per l'array (da AJB a interruttore CC) è di 10 mm². Secondo la norma AS/NZS 3008.1.1:2017, la caduta di tensione per una sezione di 10 mm² è di 5,46 V/A.km. Poiché la corrente di stringa all'MPP è pari a 8,2 A e la lunghezza del cavo CC da AJB all'inverter è di 10 m, la caduta di tensione da AJB all'inverter (Vdrop,AJB to inverter) è pari a 0,448 V.
Per questo inverter, il numero di moduli fotovoltaici per stringa è 27 e la tensione di ciascun modulo fotovoltaico a MPP è di 30,5 V.
Così,
L'equazione (8) viene utilizzata per calcolare la caduta di tensione per ogni stringa, come segue:
