Как высоковольтные трансформаторы компенсируют колебания напряжения ветряных турбин

Ветряная турбина не подает на свой трансформатор постоянную электрическую мощность. Скорость ветра изменяет крутящий момент ротора, системы управления турбиной регулируют работу генератора, а системы управления преобразователем регулируют выдаваемую мощность в пределах своих рабочих ограничений. В результате в сборной цепи изменяется сочетание активной мощности, реактивной мощности, содержания гармоник и напряжения. Высоковольтный трансформатор для ветряных турбин справляется с этими изменениями, поддерживая надлежащий коэффициент трансформации, ограничивая тепловые и диэлектрические нагрузки и координируясь с архитектурой регулирования напряжения и защиты ветропарка.

Трансформатор не «сглаживает» самостоятельно каждое кратковременное изменение напряжения. Быстрое регулирование напряжения обычно выполняется преобразователями турбин, оборудованием компенсации реактивной мощности и системой управления со стороны сети. Роль трансформатора заключается в выдерживании возникающих нагрузок, предотвращении чрезмерного падения напряжения и обеспечении стабильного интерфейса между системой сбора мощности турбин и сетью более высокого напряжения. Смешение этих функций может привести к неправильному выбору переключателя ответвлений, неподходящему сопротивлению или нереалистичным ожиданиям в отношении регулирования напряжения.

Источники колебаний

На уровне турбины выходная мощность генератора может быстро возрастать при порывах ветра и снижаться при уменьшении скорости ветра или при ограничении выработки защитой турбины. Современные турбины с переменной скоростью обычно используют силовые электронные преобразователи, поэтому скорость генератора и частота сети не связаны напрямую. Преобразователь формирует электрический выход, однако его способность обеспечивать реактивную мощность ограничена допустимым током, настройками управления и напряжением сети. При снижении напряжения преобразователю может требоваться больший ток для поддержания мощности, что уменьшает запас для реактивной поддержки.

На уровне ветропарка одновременные изменения на нескольких турбинах вызывают изменения напряжения вдоль сборных фидеров. Длинные линии кабелей среднего напряжения создают емкостную реактивную мощность, тогда как сопротивление трансформатора и кабеля вызывает падение напряжения с ростом тока. Поэтому в системе сбора может наблюдаться повышение напряжения при низкой выдаче активной мощности и значительном емкостном токе кабеля, а затем снижение напряжения, когда турбины выдают высокую активную мощность и реактивный ток. Это разные режимы, даже если измеренное отклонение напряжения выглядит сходным.

Внешние события в сети также имеют значение. Коммутация батарей конденсаторов, батарей реакторов, линий электропередачи или расположенных поблизости крупных нагрузок может вызывать ступенчатые изменения. Слабое подключение к сети обладает более высокой чувствительностью напряжения к изменениям мощности ветропарка. В таких условиях трансформатор, выбранный только по номинальной мощности MVA и номинальному напряжению, может удовлетворительно работать в установившемся режиме, но способствовать недопустимым отклонениям напряжения во время изменений мощности или аварийных ситуаций.

Коэффициент трансформации и контроль падения напряжения

Номинальный коэффициент устанавливает базовое соотношение напряжений, однако пригодный рабочий диапазон зависит от выбранного положения ответвления, регулирования обмоток, профиля напряжения фидера и требований в точке присоединения. Трансформатор должен сохранять достаточное напряжение на оборудовании ниже по сети при низком напряжении в системе сбора, не создавая при этом чрезмерного напряжения в условиях малой нагрузки или емкостной зарядки кабеля.

Регулирование напряжения в значительной степени зависит от сопротивления. Сопротивление трансформатора вызывает изменение напряжения, пропорциональное току и коэффициенту мощности этого тока. Более высокое сопротивление ограничивает ток короткого замыкания и в некоторых сетях может способствовать координации, однако также увеличивает связанное с нагрузкой падение напряжения. Более низкое сопротивление уменьшает падение напряжения, но может повысить требования к стойкости распределительного оборудования и устройств защиты при коротком замыкании. Универсально предпочтительного значения не существует; необходимо совместно учитывать топологию системы сбора, длину кабеля, мощность сети, характеристики преобразователей турбин и исследование защиты.

При оценке также следует отдельно рассматривать активную и реактивную составляющие сопротивления. Два трансформатора с одинаковым процентным сопротивлением могут иметь разные потери, асимметрию тока короткого замыкания и характеристики регулирования напряжения, поскольку у них различаются соотношения активного и реактивного сопротивления. Одного значения сопротивления достаточно для предварительных исследований, но оно не заменяет данные прямой последовательности, нулевой последовательности и заземления для полной модели сети.

Сдвиг фаз и группа соединения обмоток требуют не меньшего внимания. Обмотка, соединенная треугольником, может блокировать передачу тока нулевой последовательности между сетями и обеспечивать путь для некоторых гармонических составляющих, кратных трем. Заземленная обмотка, соединенная звездой, изменяет поведение при замыканиях на землю и может создавать опорную точку, необходимую устройствам защиты. Выбранное соединение должно соответствовать проекту заземления, функциям релейной защиты, требованиям преобразователей и любой схеме параллельной работы трансформаторов. Правильный номинальный коэффициент напряжения не может компенсировать неподходящую векторную группу.

Переключатели ответвлений: полезны, но не для быстрого реагирования на ветер

Переключение ответвлений изменяет эффективный коэффициент трансформации, чтобы поддерживать напряжение системы в заданном диапазоне. Переключатели ответвлений под нагрузкой могут переключаться под напряжением и обычно применяются там, где условия напряжения изменяются в течение достаточно продолжительного периода. Их настройки управления обычно включают целевое напряжение, зону нечувствительности, преднамеренную выдержку времени, компенсацию падения напряжения в линии и ограничение количества операций.

Переключатель ответвлений не должен отслеживать выходную мощность турбины посекундно. Частые реверсные переключения увеличивают механический износ и нагрузку на контакты, обеспечивая при этом незначительную пользу против быстрых изменений, управляемых преобразователем. Выдержки времени и зоны нечувствительности предотвращают ненужные операции. Схема управления должна реагировать на устойчивое отклонение напряжения, а не на обычную турбулентность ветра.

Переключатели ответвлений без возбуждения подходят, когда ожидаемое изменение напряжения является сезонным, основано на выбранном напряжении присоединения к сети или устанавливается во время ввода в эксплуатацию. Перед регулировкой они требуют снятия напряжения. В распределительном сегменте с определенной задачей преобразования 35 kV в 0.4 kV масляный силовой распределительный трансформатор 35kV/0.4kV с NLTC может быть настроен в соответствии с установленным напряжением системы, однако он не предназначен для коррекции быстрых изменений, вызванных изменениями мощности ветра.

Координация переключателей особенно важна там, где трансформаторы электрически расположены близко друг к другу. Отдельные регуляторы, действующие в одной зоне напряжения, могут противодействовать друг другу: один повышает свой коэффициент после обнаружения низкого напряжения, тогда как другой понижает свой коэффициент после измерения локального повышения. Аналогичное взаимодействие могут создавать системы управления реактивной мощностью. До ввода в эксплуатацию необходимы согласованная логика управления, точки измерения и приоритеты работы.

Тепловая нагрузка определяется историей тока

Нагрев трансформатора определяется потерями, а потери нагрузки возрастают приблизительно пропорционально квадрату тока. Поэтому колеблющийся профиль ветра нельзя оценивать только по средней MW. Кратковременные интервалы высокого тока могут создавать значительную нагрузку на горячую точку обмотки, особенно при высокой температуре окружающей среды, ограниченном охлаждении или если трансформатор не восстановился после предыдущего периода нагрузки.

Коэффициент мощности влияет на этот расчет, поскольку трансформатор передает полную мощность, а не только активную. Регулирование реактивной мощности со стороны ветропарка может увеличить ток, даже когда выходная мощность MW остается неизменной. Трансформатор, который, по-видимому, работает ниже номинала по активной мощности, все же может приблизиться к своему пределу по току или теплу, когда он выдает или поглощает значительную реактивную мощность.

В масляных конструкциях изоляционная жидкость используется как для диэлектрической изоляции, так и для передачи тепла от обмоток к радиаторам или другим охлаждающим поверхностям. Температура масла сама по себе важна, но недостаточна. Температура верхних слоев масла изменяется относительно медленно, тогда как температура горячей точки обмотки может быстрее повышаться после увеличения нагрузки. Поэтому тепловая защита и оценка нагрузки должны различать температуру массы масла, индикацию температуры обмотки или расчетную горячую точку, температуру окружающей среды и состояние охлаждающего оборудования.

Способность к кратковременной перегрузке не является постоянным эксплуатационным номиналом. Она зависит от начальной температуры, продолжительности, эффективности охлаждения, состояния изоляции и допустимой потери срока службы изоляции. Заявленное значение перегрузки мало что означает без этих условий. Повторяющиеся события высокого тока могут быть значительнее одного изолированного события, поскольку трансформатор может начинать каждое последующее событие с повышенной температурой масла и обмоток.

Конструкция изоляции при переменных электрических нагрузках

Изменения напряжения, связанные с ветром, обычно менее опасны для изоляции, чем короткие замыкания, коммутационные перенапряжения, молнии или резонанс. Однако повторяющееся воздействие перенапряжений и переходных процессов может ускорять развитие слабых мест в системах изоляции. Важный вопрос проектирования заключается не просто в том, составляет ли номинальное напряжение 35 kV или относится к другому классу, а в том, какие перенапряжения возникают на выводах после учета отражений в кабеле, размещения ограничителей перенапряжений, коммутационных операций и условий заземления.

Длинные кабельные соединения могут делать фронты переходных процессов круче или отражать переходные волны. Ограничитель перенапряжений, установленный далеко от трансформатора, может ограничивать напряжение на собственных выводах, но допускать более высокий локальный пик на выводах трансформатора вследствие эффектов бегущей волны. Длину выводов, геометрию соединений и расположение ограничителей относительно кабельных оконцеваний следует рассматривать как систему, а не как деталь закупки.

Контроль влажности имеет столь же важное значение в маслонаполненных установках. Вода снижает диэлектрическую прочность масла и изоляционной бумаги, а также ускоряет старение при повышенной температуре. Осушители, уплотнения, конструкции расширителей, кабельные коробки и предохранительные клапаны должны соответствовать условиям установки. Прибрежные и расположенные рядом с морем площадки связаны с рисками солевого загрязнения и влажности; на холодных площадках необходимо учитывать конденсацию, вязкость и особенности работы при низкой температуре. Эти условия влияют на конструкцию корпуса и интервалы технического обслуживания, даже если электрический номинал остается неизменным.

Защита должна отличать событие в сети от неисправности трансформатора

Одни только колебания напряжения не являются доказательством отказа трансформатора. Запись низкого напряжения может быть вызвана повреждением сети, ограничением тока преобразователя турбины, изменением команды реактивной мощности, нагрузкой сборного фидера или положением ответвления, которое больше не соответствует состоянию сети. Настройки защиты должны сохранять чувствительность к внутренним повреждениям, не отключая исправное оборудование при нормальных эксплуатационных изменениях.

Дифференциальная защита сравнивает ток, входящий в защищаемую зону трансформатора и выходящий из нее. Ее настройки должны учитывать несоответствие коэффициента трансформации, сдвиг фаз, бросок намагничивающего тока и перевозбуждение. При подаче напряжения на трансформатор бросок намагничивающего тока по величине может напоминать серьезное внутреннее повреждение. Для предотвращения неправильного срабатывания дифференциальной защиты во время этого переходного процесса применяется логика торможения или блокировки по гармоникам, однако настройки должны оставаться совместимыми с фактическим сердечником трансформатора и способом включения.

Максимальная токовая защита и защита от замыканий на землю обеспечивают резервирование и координацию фидеров. Их селективность должна учитывать сопротивление трансформатора, минимальные и максимальные уровни тока короткого замыкания источника, вклад сборного фидера, векторную группу трансформатора и схему заземления нейтрали. Настройка реле, основанная только на максимальном токе короткого замыкания, может не обнаружить замыкания на землю с малым током; настройка, основанная только на чувствительности, может сработать до того, как нижестоящая защита отключит повреждение фидера.

Дополнительные условия требуют отдельного рассмотрения. Перевозбуждение возникает, когда отношение напряжения к частоте слишком высоко, что увеличивает магнитный поток в сердечнике и потенциально вызывает перегрев. Это не то же самое, что обычная перегрузка по нагрузке. Аварийные сигналы внезапного повышения давления, обнаружения газа, уровня масла, температуры обмотки и отказа охлаждения относятся к внутренним или тепловым условиям, которые регулирование напряжения не может выявить. Философия защиты должна сопоставлять каждый сигнал с достоверным механизмом отказа и определенным действием, а не собирать несогласованные сигналы тревоги.

Измерения для обоснованной оценки

Измерения напряжения следует выполнять более чем в одной значимой точке: на выходе турбины или инвертора, где это применимо, на сборной шине, на выводах трансформатора и в точке присоединения. Тренд одной сборной шины не может показать, вызывает ли трансформатор отклонение, лишь испытывает его или частично маскирует проблему фидера. Синхронизированные по времени записи MW, MVAr, тока, положения ответвления и состояния выключателя делают анализ событий значительно более надежным.

Оценка гармоник также требует измеренных данных, а не предположений, основанных на типе турбины. Коммутация преобразователей, емкость кабелей, батареи конденсаторов и сопротивление сети могут создавать частотно-зависимое усиление. Сам трансформатор обычно не является источником гармоник преобразователя, однако потери от вихревых токов в обмотках и конструктивных элементах могут увеличиваться с гармоническим током. Решения по тепловой способности и фильтрации должны использовать ожидаемый спектр гармоник и исследование резонанса сети, если этого требует схема присоединения.

Детали установки, влияющие на характеристики напряжения

При вводе в эксплуатацию необходимо подтвердить коэффициент трансформации, полярность, векторную группу, положение ответвления, сопротивление изоляции, сопротивление обмоток и проводку защитных устройств до ввода трансформатора в нормальную работу. Установленное положение ответвления должно быть зарегистрировано; если оставить его как стандартную заводскую настройку, это может вызвать постоянное отклонение напряжения, которое позднее будет ошибочно принято за проблему управления ветропарком.

Качество выполнения кабельных оконцеваний имеет значение, поскольку плохое соединение экранов, неверная идентификация фаз, ослабленные соединения или неподходящее управление электрическим полем могут создавать риски нагрева и переходных процессов. Заземляющие проводники должны иметь соответствующее сечение и быть проложены согласно проекту заземления площадки, особенно там, где взаимодействуют оболочки кабелей, ограничители перенапряжений и нейтральные точки трансформатора. Для маслонаполненного оборудования также важны записи по транспортировке и монтажу: до подачи напряжения должны быть устранены вопросы, связанные с индикаторами удара, уровнем масла, состоянием вводов и проверками затяжки.

Трансформатор эффективно справляется с колебаниями напряжения ветряной турбины, когда его коэффициент трансформации, сопротивление, стратегия переключения ответвлений, тепловой запас, координация изоляции и настройки защиты рассматриваются как части одной электрической системы. Стабильное присоединение к сети обеспечивается этой координацией, а не надеждой на то, что какая-либо одна характеристика трансформатора исправит все изменяющиеся условия.