Как потери в трансформаторах влияют на выработку энергии в проектах солнечных электростанций

Потери трансформатора — это вопрос выработки, а не только показатель эффективности оборудования

На солнечной электростанции каждый киловатт-час, потерянный между выходом инвертора и расчетным счетчиком электроэнергии, сокращает объем энергии, доступной для продажи. Поэтому потери трансформатора влияют не только на расчеты электрического проектирования: они воздействуют на годовую выработку энергии, финансовое моделирование проекта, подбор оборудования, управление тепловыми режимами и достоверность гарантий по выработке.

Для проекта промышленного масштаба высоковольтный трансформатор для солнечной электростанции следует оценивать как часть цепочки преобразования энергии станции. Трансформатор с более низкой закупочной ценой может привести к более высоким затратам в течение срока службы, если его потери холостого хода остаются высокими в течение светового дня или если потери нагрузки резко возрастают в периоды, когда станция вырабатывает наиболее ценную энергию. Финансовые последствия могут быть незначительными для одного агрегата, но становятся существенными при их повторении на множестве инверторных станций или комплектных трансформаторных подстанций.

Практический вопрос для девелоперов и покупателей EPC-проектов заключается не просто в том, имеет ли один трансформатор более высокий КПД, чем другой. Важно, соответствует ли его профиль потерь ожидаемой кривой нагрузки солнечной станции, рабочей температуре, схеме подключения и коммерческой модели реализации энергии.

Как потери трансформатора сокращают объем продаваемой солнечной энергии

Потери трансформатора обычно делятся на потери холостого хода и потери нагрузки. Оба вида потребляют энергию, которая в противном случае поступала бы к точке присоединения к сети, однако они имеют разный характер и не должны оцениваться одинаково.

Потери холостого хода, часто связанные с сердечником трансформатора, возникают всякий раз, когда трансформатор находится под напряжением. Они относительно стабильны независимо от того, работает ли фотоэлектрическая станция с низкой мощностью или близко к полной мощности. В солнечных установках эти потери особенно важны, поскольку трансформаторы могут оставаться под напряжением длительное время, тогда как выработка существенно меняется в течение дня и снижается до нуля ночью.

Потери нагрузки возникают главным образом в обмотках и других токоведущих частях. Они увеличиваются по мере роста нагрузки приблизительно пропорционально квадрату тока. Трансформатор, работающий приемлемо при средней нагрузке, может терять значительно больше мощности вблизи пикового рабочего диапазона. Это имеет значение для фотоэлектрических объектов, поскольку значительная доля годовой выработки может быть сосредоточена в меньшем количестве часов с высокой солнечной радиацией.

Суммарное воздействие лучше всего понимать через фактический профиль работы станции. В проекте с низкой средней нагрузкой, но длительным временем нахождения под напряжением, может быть важнее минимизация потерь холостого хода. Объект, который часто работает близко к экспортной мощности инверторов, может получить больше выгоды от снижения потерь нагрузки и предотвращения ненужного повышения температуры. Ни одна из этих целей проектирования не может быть правильно выбрана только на основании номинальной мощности на шильдике.

Потери также имеют накопительный эффект. Электрическая энергия теряется напрямую, а тепло, создаваемое этими потерями, добавляет тепловую нагрузку на изоляцию, выводы, вводы, кабельные интерфейсы и системы вентиляции корпуса. Более высокая рабочая температура может ограничивать полезную мощность, ускорять старение изоляции и делать характеристики менее стабильными в жарком климате. Модель выработки должна учитывать потери энергии; при выборе оборудования также необходимо учитывать рабочие условия, усложняющие управление этими потерями.

Высокий рейтинг эффективности все равно может оказаться неправильным выбором при закупке

Значения КПД часто приводятся для определенной точки нагрузки, например 50%, 75% или полной нагрузки. Этот показатель полезен, но не отвечает на вопрос, как трансформатор будет работать в течение полного годового профиля солнечной станции. Два агрегата могут демонстрировать схожий номинальный КПД, но иметь различное соотношение потерь в сердечнике и обмотках. Один может быть более подходящим для станции со значительной утренней и дневной работой; другой — для объекта, где оборудование постоянно эксплуатируется ближе к номинальной мощности.

Покупателям следует запросить у поставщиков гарантированные потери холостого хода, потери нагрузки при указанной эталонной температуре, полное сопротивление, диапазон ответвлений и допущения, использованные для заявленного КПД. Эти значения следует рассматривать вместе с почасовым или интервальным моделированием выработки, если оно доступно. Простое сравнение при одном номинальном режиме нагрузки может скрыть более важную разницу в годовых потерях.

Также важно различать мощность трансформатора и вероятную электрическую нагрузку станции. Завышение мощности может снизить потери нагрузки в периоды пиковой выработки, но может привести к более высоким потерям холостого хода и дополнительным капитальным затратам. Занижение мощности может вызвать высокие потери в меди, чрезмерный нагрев и ограниченный резерв для стратегий ограничения мощности инвертора, обязательств по реактивной мощности или последующего расширения станции.

Подходящий номинал зависит от нескольких факторов, специфичных для проекта:

• соотношения DC/AC и ожидаемого поведения при ограничении мощности инвертора;
• количества, номинальной выходной мощности и разнообразия блоков инверторов, подключенных к каждому трансформатору;
• температуры окружающей среды, солнечного нагрева корпусов, высоты над уровнем моря, запыленности и условий вентиляции;
• требований сетевого кодекса к реактивной мощности и поддержке напряжения;
• ожидаемого ограничения генерации, ограничений выдачи мощности и планов интеграции аккумуляторных систем;
• коммерческой ценности энергии в периоды высокой выработки.

Например, трансформатор на стороне AC, выбранный только исходя из номинальной выходной мощности инвертора, может иметь ограниченный запас, когда оператор сети требует поддержки реактивной мощности. Реактивный ток вносит вклад в нагрузку и потери даже при ограниченной выдаче активной солнечной мощности. В результате конструкция, которая выглядит эффективной при упрощенном расчете активной мощности, может работать в менее благоприятной тепловой точке.

Расчет потерь должен соответствовать компоновке станции

Оценка потерь трансформатора должна начинаться с электрической архитектуры, поскольку распределение потерь меняется в зависимости от уровня напряжения и расположения оборудования. Централизованная схема с меньшим количеством более крупных трансформаторов имеет иной профиль потерь, чем распределенная архитектура с несколькими инверторно-трансформаторными станциями. Универсального победителя не существует. Меньшее количество крупных агрегатов может сократить дублирующиеся потери холостого хода, в то время как распределенные агрегаты могут сократить длину низковольтных кабельных линий и уменьшить потери в других частях системы сбора.

Этот компромисс часто упускается при рассмотрении заявок на трансформаторы отдельно от проектирования кабелей и подстанции. Размещение преобразования напряжения ближе к инвертору может сократить низковольтные токовые пути, но увеличивает количество трансформаторных сердечников, находящихся под напряжением по всей площадке. Объединение блоков в более крупный сборный трансформатор может сократить число сердечников, однако прокладка кабелей, изоляция повреждений, доступ и строительная логистика могут стать более сложными.

Поэтому решение должно основываться на сравнении потерь системы, а не потерь трансформатора изолированно. Как минимум, проектная команда должна оценить:

• выходное напряжение инвертора и напряжение низковольтной обмотки трансформатора;
• длины кабелей и сечения проводников с обеих сторон каждого трансформатора;
• напряжение сети сбора среднего напряжения и расстояние до главного повышающего трансформатора;
• полное сопротивление трансформатора и его влияние на регулирование напряжения, параллельную работу и расчеты короткого замыкания;
• собственное потребление для охлаждения, вентиляции, мониторинга и контроля среды в корпусе;
• последствия недоступности одного агрегата для выработки энергии и соблюдения сетевых требований.

Именно поэтому один только трансформатор с низкими потерями не гарантирует наименьших потерь по проекту. Агрегат с несколько более высокими потерями, размещенный в более подходящей электрической схеме, может обеспечить лучший результат для всей станции, чем технически более совершенный агрегат, установленный с длинными сильно нагруженными низковольтными кабелями. Команды по закупкам должны требовать от EPC-подрядчика или разработчика электрической части интегрированный график потерь с раздельным указанием потерь по инвертору, кабелю, трансформатору, распределительному устройству и вспомогательной системе, где это практически возможно.

Рабочие условия могут свести на нет преимущества паспортного КПД

Гарантии потерь, указанные на шильдике, обычно привязаны к определенным условиям испытаний. Солнечные объекты могут существенно отличаться от этих условий. Высокая температура окружающей среды повышает сопротивление проводников. Корпуса, подвергающиеся прямому солнечному излучению, могут удерживать тепло. Пыль, соляной туман, влажность и слабый воздушный поток могут ухудшать тепловые характеристики или повышать требования к обслуживанию. Большая высота изменяет способность к охлаждению. Гармонические составляющие от инверторов могут добавлять потери сверх допущений обычной синусоидальной нагрузки.

Эти условия не делают опубликованные данные трансформатора неактуальными; они повышают важность анализа применения. Покупатель должен подтвердить, что трансформатор рассчитан на фактический диапазон температуры окружающей среды, высоту над уровнем моря, тип установки и среду с соответствующей формой волны. Тепловые запасы следует рассматривать вместе с корпусом, кабелями, распределительным устройством и схемой вентиляции.

Для распределенных солнечных блоков корпус комплектной подстанции заслуживает такого же тщательного анализа, как и сам трансформатор. Полностью закрытая конструкция может повысить безопасность и уменьшить воздействие пыли и влаги, однако корпус все равно должен обеспечивать достаточный отвод тепла при предусмотренном режиме работы. В проектах возобновляемой энергетики с интегрированной схемой MV/LV комплектная подстанция европейского типа может быть сконфигурирована с мощностью трансформатора от 100kVA до 2500kVA, с вариантами наружных материалов и степеней защиты. Такая гибкость конфигурации полезна только тогда, когда тепловое проектирование, потери трансформатора, режим работы распределительного устройства и условия площадки рассматриваются как единый комплекс.

Гармоники требуют особого внимания. Генерация на основе инверторов может создавать несинусоидальные составляющие тока, и их влияние на потери зависит от конструкции трансформатора и фактического спектра гармоник. Стандартное значение потерь может не отражать дополнительные потери от вихревых токов и добавочные потери при гармонической нагрузке. Если производитель инвертора предоставляет данные по гармоникам, их следует включать в оценку применения поставщиком трансформатора, а не оставлять в качестве общего примечания к спецификации.

Как сравнивать стоимость жизненного цикла, не полагаясь на одну цифру цены

Капитальные затраты остаются важными, однако содержательное сравнение заявок должно преобразовывать гарантированные потери в ожидаемые эксплуатационные расходы за период оценки проекта. Расчет не должен создавать видимость того, что будущие солнечная радиация, тарифы, ограничения генерации и деградация могут быть идеально предсказаны. Следует использовать единые допущения для всех заявок, чтобы компромисс был виден.

Практическая оценка разделяет годовую стоимость энергии потерь холостого хода и годовую стоимость энергии потерь нагрузки. Потери холостого хода умножаются на ожидаемое количество часов нахождения под напряжением. Потери нагрузки следует оценивать с использованием ожидаемого профиля нагрузки, а не просто умножать на количество часов полной нагрузки. Когда подробное почасовое моделирование недоступно, четко указан коэффициент эквивалентной нагрузки предпочтительнее, чем предположение, что трансформатор полностью нагружен всякий раз, когда светит солнце.

Оценка энергии должна отражать коммерческую структуру проекта. В рыночной или зависящей от времени модели дохода потери в периоды выработки высокой стоимости могут иметь больший вес, чем потери в другое время. В проектах со строгими годовыми гарантиями производительности учет потерь трансформатора в гарантированной модели выработки должен быть явным. Неоднозначность относительно того, учитываются ли потери до или после расчетного счетчика, может позднее привести к спорам, даже если оборудование соответствует требованиям заводских испытаний.

Надежность должна оставаться частью оценки жизненного цикла. Конструкция с исключительно низкими потерями, но плохо соответствующая загрязнению площадки, температуре, доступу для обслуживания или условиям работы в сети, может создать риск доступности. И наоборот, надежная конструкция с несколько более высокими потерями может быть экономически более выгодной там, где доступ затруднен, а простой влечет высокие потери выработки. Предполагаемая стратегия обслуживания, подход к резервным агрегатам, возможности мониторинга и схема изоляции повреждений должны рассматриваться в той же закупочной дискуссии, что и ватты потерь.

Вопросы, которые следует решить до размещения заказа

Наиболее полезная спецификация для закупки трансформатора — это та, которая превращает допущения по станции в проверяемые обязательства. Вместо запроса только номинала и общего заявления об эффективности покупателям следует требовать гарантированные значения потерь, методы испытаний, применимые стандарты, пределы изоляции и повышения температуры, сведения об ответвлениях, допуски полного сопротивления и условия проектирования по окружающей среде. Поставщик также должен указать любое снижение номинальных характеристик, вызванное высотой над уровнем моря, температурой окружающей среды, типом корпуса или гармонической нагрузкой.

Для многоблочных солнечных проектов важна единообразность. Различия в полном сопротивлении, положении ответвлений, группе соединения или характеристиках потерь могут усложнить параллельную работу и привести к неравномерному распределению нагрузки между номинально идентичными блоками. Стандартизация электрического проекта может упростить пусконаладку и планирование запасных частей, однако она не должна навязывать одну конфигурацию трансформатора участкам станции с существенно различающимися тепловыми условиями или условиями подключения к сети.

Наконец, график потерь должен сопровождаться на этапе пусконаладки. Отчеты о заводских испытаниях подтверждают заданные характеристики трансформатора, однако проверки на площадке должны подтвердить правильность настроек ответвлений, фазных соединений, заземления, качества оконцевания кабелей, работы вентиляции и функций контроля температуры. Плохие соединения или недостаточный воздушный поток в корпусе могут создавать эксплуатационные потери и горячие точки, которые не предотвратит никакой заводской сертификат эффективности.

Потери трансформатора редко сами по себе определяют результат солнечного проекта. Однако они сохраняются в течение каждого рабочего дня и находятся непосредственно между произведенной электроэнергией и выручкой. Дисциплинированное сравнение потерь холостого хода, потерь нагрузки, рабочего профиля, тепловых условий и компоновки всей станции дает лицам, принимающим решения, более ясную основу для выбора оборудования, защищающего выработку энергии в течение срока службы станции.