Проектирование подстанционных трансформаторов для солнечных электростанций с высокими нагрузками DC-to-AC

На этапе перехода солнечной электростанции от инверторных блоков к коллекторной системе выбор трансформатора может стать источником предотвратимых рисков. Соответствие номинального напряжения на шильдике может выглядеть приемлемым, однако агрегат всё равно может подвергаться неравномерной дневной нагрузке, нагреву от гармоник, повторяющимся изменениям напряжения, колебаниям реактивной мощности и высокой температуре окружающей среды. Практическое решение заключается в проектировании подстанционного трансформатора с учётом рабочего цикла переменного тока на стороне инвертора и требований к присоединению к сети, а не только на основе мощности постоянного тока.

Трансформатор обычно не передаёт выход постоянного тока фотоэлектрической панели напрямую. Постоянный ток преобразуется инверторами до его поступления в сеть сбора среднего напряжения. Однако высокое соотношение DC/AC изменяет рабочий профиль, воспринимаемый трансформатором. Оно может создавать длительные периоды работы вблизи предела экспорта переменного тока, более резкие изменения при колебаниях солнечной освещённости, работу при полной нагрузке из-за ограничения мощности и более частую активность систем управления инверторами. Поэтому правильно спроектированныйподстанционный трансформатор для солнечных электростанций должен оцениваться по тепловым характеристикам, потерям, импедансу, гармоникам, нагрузке на изоляцию, координации защиты и точным функциям сетевого кода, требуемым в точке присоединения.

Начните с фактического профиля нагрузки переменного тока

Соотношение DC/AC часто используется для повышения выработки энергии в периоды низкой освещённости. Например, мощность фотоэлектрических модулей может превышать суммарную номинальную мощность инверторов по переменному току. Такая схема не требует автоматически трансформатора, рассчитанного на полную паспортную мощность по постоянному току. Значимым электрическим пределом обычно является максимальная одновременная выходная мощность переменного тока инверторной системы с учётом собственных нужд, работы с реактивной мощностью, аварийных режимов и любых договорных ограничений экспорта.

Сложность заключается в том, что «максимальная выходная мощность переменного тока» не всегда является одним стабильным значением. Инверторные системы управления могут быть обязаны выдавать или потреблять реактивную мощность при сохранении высокой активной генерации. В зависимости от требований оператора сети трансформатору может потребоваться обеспечивать нагрузку по полной мощности, превышающую ожидаемый экспорт только в MW. Проектирование только по активной мощности может привести к занижению тока и тепловой нагрузки.

Перед заданием номинальных параметров следует определить временной рабочий диапазон, а не полагаться на одно среднегодовое значение. Инженерный анализ должен определить:

• Максимальную активную мощность, передаваемую всеми инверторами на выводах трансформатора.
• Требуемый диапазон реактивной мощности при высокой выходной активной мощности.
• Ожидаемую продолжительность ограничения мощности или работы вблизи предела экспорта переменного тока.
• Температуру окружающей среды в период максимальной ожидаемой электрической нагрузки.
• Нагрузки собственных нужд, потребление подстанционных нужд, аккумуляторные системы или нагрузки общих фидеров.
• Может ли один трансформатор временно нести нагрузку соседнего инверторного блока после планового или внепланового отключения.

Такой подход позволяет отличить объект с высоким соотношением DC/AC, но умеренной нагрузкой трансформатора, от объекта, который будет проводить длительные летние периоды вблизи своего теплового предела. Он также предотвращает упрощённый вывод о том, что увеличение мощности постоянного тока автоматически требует пропорционально более крупного трансформатора.

Тепловое проектирование должно учитывать условия эксплуатации солнечной электростанции

Солнечная генерация циклична, однако это не упрощает охлаждение трансформатора. Пиковая генерация обычно происходит при повышенной наружной температуре, солнечном излучении на кожухи и повышенной температуре в помещении оборудования. В компактной подстанции тепло, выделяемое инверторами, распределительными устройствами и кабельными системами, может повышать температуру воздуха вокруг сухого трансформатора. Накопление пыли, ограниченные пути вентиляции или неправильно расположенные жалюзи могут дополнительно снизить эффективность охлаждения.

При тепловой оценке следует учитывать наиболее неблагоприятное реалистичное сочетание условий эксплуатации: высокую выходную мощность инверторов, потребность в реактивной мощности, высокую температуру окружающей среды и пониженный воздушный поток. Трансформатор, комфортно работающий при номинальной нагрузке в условиях контролируемых заводских испытаний, может требовать снижения номинальной мощности в корпусе солнечной электростанции или контейнерном модуле.

Для жидкостных трансформаторов анализ сосредоточен на температуре верхних слоёв масла, температуре наиболее нагретой точки обмотки, воздействии на радиаторы, ступенях охлаждения и системах расширения масла. Для литых эпоксидных и других сухих конструкций особое значение приобретают повышение температуры обмотки, объём вентиляции, конфигурация корпуса, управление вентиляторами и точки контроля температуры. Ни одна технология не является универсально лучшей; подходящий выбор определяется компоновкой объекта, требованиями пожарной безопасности, условиями окружающей среды, стратегией технического обслуживания и стандартами проекта.

Принудительное воздушное охлаждение может быть полезным, если оно рассматривается как определённый режим работы, а не как предполагаемое постоянное условие. Должны быть документированы питание вентиляторов, автоматическое управление, сигнализация, доступ для обслуживания и резервный номинал без принудительного охлаждения. Трансформатор с перегрузочной способностью при принудительном воздушном охлаждении не следует использовать для компенсации принципиально недостаточного базового номинала, если ожидаемый рабочий цикл, тепловая модель и настройки защиты не подтверждают такое решение.

Гармоники: оценивайте форму сигнала, а не только ток основной частоты

Современные солнечные инверторы предназначены для выдачи регулируемого переменного тока, однако их коммутационная работа может вносить гармонические и высокочастотные составляющие. Фактический уровень на трансформаторе зависит от топологии инвертора, конструкции фильтра, рабочей точки, длины кабелей, схемы заземления, импеданса сети и взаимодействий между параллельными инверторными блоками. Гармонический ток увеличивает потери в проводниках и может вызывать дополнительные добавочные потери в обмотках, зажимах, стенках бака и конструктивных элементах.

Не следует считать, что соответствующий требованиям паспорт инвертора сам по себе завершает оценку гармоник трансформатора. При оценке необходимо рассмотреть спектр гармоник инвертора на соответствующих уровнях нагрузки, количество параллельно подключённых устройств, ёмкость коллекторных кабелей и импеданс вышестоящей сети. Гармонический резонанс может возникнуть вследствие сочетания оборудования, даже если каждый отдельный элемент приемлем сам по себе.

В ходе проектирования необходимо определить, требуются ли производителю трансформатора данные о потерях от гармоник, необходим ли расчёт снижения номинальной мощности и повлияет ли заданный импеданс на резонанс или эффективность фильтров. В крупных коллекторных системах может потребоваться гармоническое исследование сети, чтобы определить необходимость фильтров, модифицированной конструкции трансформатора или эксплуатационных ограничений.

Высокочастотные синфазные эффекты также заслуживают внимания на интерфейсе между инвертором и трансформатором. Экранирование кабелей, заземление, координацию устройств защиты от перенапряжений и конструкцию изоляции обмоток следует рассматривать комплексно. Эти вопросы особенно актуальны, когда длинные кабельные линии среднего напряжения соединяют несколько инверторных станций или когда трансформатор установлен близко к выходам инверторов с быстро меняющимися фронтами переключения.

Импеданс — это решение, влияющее на работу сети

Импеданс трансформатора часто рассматривают как каталожное значение, но в солнечной установке он напрямую влияет на регулирование напряжения, ток короткого замыкания, поведение инвертора при провалах напряжения и чувствительность защиты. Чрезмерно высокий импеданс может увеличить рост напряжения при экспорте и снизить ток повреждения, доступный устройствам защиты. Очень низкий импеданс может увеличить ток короткого замыкания для распределительных устройств и оборудования ниже по сети.

Предпочтительное значение зависит от компоновки коллекторной сети и мощности сетевого присоединения. Короткий жёсткий фидер создаёт условия, отличные от условий длинной радиальной коллекторной цепи с несколькими инверторными трансформаторами. В исследовании необходимо проанализировать напряжение на выводах инверторов при полном экспорте, низком экспорте, командах по реактивной мощности и реалистичных коммутационных событиях. Также следует проверить, остаются ли функции регулирования напряжения инвертора стабильными при выбранных значениях импеданса трансформатора и кабеля.

Выбор ответвлений регулирования также имеет равную важность. Солнечные электростанции могут испытывать устойчивый рост напряжения на коллекторных шинах при высоком экспорте, тогда как напряжение вышестоящей сети может изменяться в зависимости от условий сети. Фиксированные ответвления без возбуждения могут быть достаточны, если системное исследование подтверждает узкий диапазон напряжения. При более широких колебаниях напряжения проекту может потребоваться другая стратегия регулирования, например переключение ответвлений под нагрузкой на главном сетевом трансформаторе или согласованное управление реактивной мощностью инверторов. Не следует ожидать, что сам трансформатор решит проблему регулирования напряжения системного уровня без подтверждения поведения более широкой сети.

Выбирайте изоляцию и защиту для конкретной установки, а не только по номиналу

На солнечных объектах трансформаторы часто размещаются на открытом воздухе, в комплектных подстанциях или рядом с инверторными модулями. Условия установки могут подвергать оборудование воздействию пыли, влажности, солёного воздуха, конденсата, ультрафиолетового излучения, песка и сезонных колебаний температуры. Эти условия влияют на выбор вводов, класс корпуса, воздушные зазоры на выводах, системы покрытий, герметизацию кабелей и пригодность путей охлаждения сухого трансформатора.

Для внутреннего или закрытого пункта распределения среднего напряжения, где приоритетом являются пожарные характеристики и снижение риска пожара от жидкости, может быть подходящим литой эпоксидный сухой трансформатор. Трёхфазный распределительный трансформатор сухого типа с литой смоляной изоляцией 20 kV доступен с входом 20 kV и выходной конфигурацией 0.4 kV или 0.415 kV, мощностью от 50 kVA до 5000 kVA и диапазоном ответвлений высокого напряжения ±2 × 2.5%. Его заявленный уровень защиты IP23, класс огнестойкости F1, система температурной защиты и управления, а также возможность перегрузки при принудительном воздушном охлаждении могут быть актуальны, когда компоновка требует распределительного трансформатора сухого типа. Точная конструкция корпуса, схема вентиляции, коэффициент трансформации и мощность всё равно должны соответствовать проекту стороны переменного тока солнечного блока.

Конструкция защиты должна учитывать ключевую характеристику генерации на основе инверторов: ток повреждения инвертора обычно ограничен и может управляться иначе, чем ток от вращающихся генераторов. Обычные настройки максимальной токовой защиты, работающие в коммунальной или промышленной установке, могут быть недостаточно чувствительными в коллекторной системе солнечной электростанции. Дифференциальная защита, защита от замыкания на землю в ограниченной зоне, защита фидера и резервные элементы максимальной токовой защиты должны координироваться с поведением тока повреждения инвертора и броском тока трансформатора.

Подача напряжения на трансформатор требует отдельного внимания. Бросок тока может вызывать ложные срабатывания, особенно когда после отключения всего объекта одновременно включаются несколько трансформаторов. Концепция защиты должна отличать бросок тока от внутренних повреждений, сохраняя чувствительность к реальным повреждениям обмоток или выводов. Группа соединения трансформатора, метод заземления, режим нейтрали и любые пути токов нулевой последовательности должны быть согласованы со схемой защиты коллекторной системы от замыканий на землю.

Практический анализ проекта перед выпуском спецификации

Полезная последовательность анализа начинается с построения пути мощности от выводов инвертора через систему сбора низкого или среднего напряжения до точки присоединения. Определите каждое место, где изменяются коэффициент мощности, напряжение, ток или уровень повреждения. Затем сопоставьте спецификацию трансформатора со следующими инженерными данными, а не рассматривайте её как самостоятельный закупочный документ.

1. Подтвердите основу для определения номинала. Используйте максимальную выходную мощность инверторов по переменному току и требуемую поддержку kvar для определения длительной нагрузки по полной мощности. Укажите, предполагает ли номинал естественное охлаждение, принудительное охлаждение или ограниченный период перегрузки.
2. Проверьте коэффициент трансформации и диапазон ответвлений. Проверьте нормальное, минимальное и максимальное напряжение на обоих выводах трансформатора в условиях экспорта и работы с реактивной мощностью. Учтите падение или повышение напряжения в кабеле.
3. Проанализируйте импеданс с использованием модели системы. Проверьте ток повреждения, регулирование напряжения, зону действия защиты и влияние на управление инверторами до принятия номинального значения импеданса.
4. Предоставьте исходные данные по гармоникам. Передайте производителю данные о гармониках инверторов, если они доступны, и определите, требуется ли дополнительный запас по обмоткам или добавочным потерям.
5. Определите физические условия окружающей среды. Укажите внутреннее/наружное размещение, максимальную температуру окружающей среды, высоту над уровнем моря, солнечное воздействие, уровень загрязнения, условия влажности и ограничения вентиляции.
6. Согласуйте защиту и мониторинг. Подтвердите коэффициенты трансформаторов тока, температурные сигналы, пороги отключения, сигналы вентиляторов, ограничители перенапряжений, концепцию защиты от замыканий на землю и коммуникационные интерфейсы.
7. Спланируйте техническое обслуживание. Подтвердите доступ для осмотров, инфракрасного сканирования, очистки, испытаний кабелей, замены вентиляторов при необходимости и безопасного отключения.

Где проекты чаще всего теряют запас

Одна из распространённых ошибок — выбирать трансформатор на основе мощности PV по постоянному току, а затем добавлять чрезмерный запас без проверки фактического ограничения инверторов по переменному току. Это может увеличить капитальные затраты, потери холостого хода, занимаемую площадь и ток короткого замыкания без улучшения реального эксплуатационного ограничения. Противоположная ошибка более серьёзна: выбор агрегата, равного номинальному экспорту в MW, без учёта потребности в реактивной мощности, высокой температуры окружающей среды и потерь трансформатора. В таком случае номинал на шильдике может выглядеть достаточным, тогда как запас по температуре обмоток недостаточен.

Другой слабый подход — указывать оборудование «для солнечных установок», не определяя рабочий режим. Это выражение имеет мало значения, если оно не переведено в измеримые требования: цикл нагрузки, условия окружающей среды, содержание гармоник, режим охлаждения, класс изоляции, схему ответвлений, допуск по импедансу, устройства мониторинга и требуемые стандарты. Чёткие исходные данные позволяют производителю спроектировать и испытать подходящее оборудование; расплывчатые формулировки часто приводят к допущениям, которые обнаруживаются только при вводе в эксплуатацию.

Техническим специалистам также следует различать блочный трансформатор и главный подстанционный трансформатор. Блочный агрегат рядом с инверторами может отдавать приоритет компактности, пожарным характеристикам, схеме обмоток низкого напряжения и местным тепловым условиям. Главный повышающий трансформатор обычно должен учитывать координацию изоляции при более высоком напряжении, уровни повреждения сети, заземление системы, регулирование напряжения и интерфейсы защиты энергосистемы. Применение одного набора допущений к обоим местам установки может создать пробелы в проекте.

Когда оправданы дополнительные системные исследования

Дополнительный анализ оправдан, когда объект имеет слабое сетевое присоединение, длинную коллекторную сеть, значительную ёмкость кабелей, несколько технологий инверторов, накопители энергии, подключённые к той же шине, либо строгие требования к реактивной мощности и прохождению аварийных режимов. В таких случаях исследования потокораспределения, короткого замыкания, гармоник, координации изоляции и защиты — не просто дополнительные документы; они определяют, поддерживают ли параметры трансформатора устойчивую работу.

Наиболее надёжная спецификация сначала определяет электрический рабочий диапазон, а затем конструкцию трансформатора. Когда высокая нагрузка DC/AC преобразуется в реалистичные значения тока переменного тока, потребности в kvar, температурного воздействия и взаимодействия с инверторами, трансформатор можно выбрать по мощности и сконфигурировать для надёжной работы, а не просто подобрать по напряжению и kVA.