Трансформаторы среднего напряжения для солнечных электростанций: выбор номинального напряжения на стороне коллектора

Напряжение на стороне сети сбора следует выбирать, исходя из точки присоединения в обратном направлении, а не от каталога трансформаторов вперед. В солнечной электростанции в сети сбора может использоваться уровень среднего напряжения 20 kV, 33 kV, 34.5 kV или иной, однако правильным является тот вариант, который соответствует одобренной энергоснабжающей организацией архитектуре присоединения, требуемому классу изоляции оборудования, конфигурации инверторных блоков и экономической точке равновесия между потерями в кабелях и стоимостью оборудования.

Более высокое напряжение сети сбора не означает автоматически более эффективный проект. Оно снижает ток при заданной передаваемой мощности и может уменьшить потери в фидерах, но при этом может потребовать более дорогостоящих распределительных устройств, кабелей, концевых муфт, ограничителей перенапряжений и изоляции трансформаторов. Более низкое напряжение может упростить подбор оборудования для компактных площадок, однако его сложно обосновать при большой длине фидеров или высокой суммарной мощности блоков, когда возрастают ток и падение напряжения. Поэтому практическое решение является системным электротехническим и строительным решением, а не просто решением по номиналу трансформатора.

Начинайте с плана напряжений энергоснабжающей организации, а не только с номинальных обозначений

Первым ограничением является схема напряжений, принятая сетевым оператором. Система сбора должна корректно сопрягаться с подстанцией проекта, схемой защиты, системой учета и повышающим трансформатором со стороны сети. Например, если обмотка низшего напряжения подстанции задана на уровне 33 kV, выбор трансформаторов сети сбора на 20 kV только потому, что они доступны на местном рынке, создает ненужную ступень трансформации либо требует переработки интерфейса подстанции. Любой из этих вариантов увеличивает потери, количество оборудования, объем систем управления, требования к земельному участку и риск несогласованности.

Номинальное напряжение — лишь одна часть требований. В спецификациях следует различать:

• номинальное рабочее напряжение системы сбора;
• наибольшее напряжение для оборудования, определяющее координацию изоляции;
• применимую частоту и способ заземления системы;
• условия длительного перенапряжения и допущения по отключению повреждений;
• требуемые уровни выдерживаемого грозового импульса и промышленной частоты;
• требования энергоснабжающей организации к защите, учету, регулированию реактивной мощности и напряжения.

Трансформатор с маркировкой для номинальной системы 33 kV не обязательно взаимозаменяем с оборудованием, рассчитанным на другое максимальное напряжение системы. Кабельная арматура, вводы, separable connectors, распределительные устройства, ограничители перенапряжений и изоляционные расстояния должны соответствовать одному и тому же классу изоляции. Этот вопрос особенно важен при трансграничных закупках, когда в коммерческом предложении может использоваться региональное соглашение о номинальном напряжении, не полностью описывающее требуемые параметры оборудования.

Согласуйте коэффициент трансформации с архитектурой инверторного блока

Трансформаторы сети сбора на солнечных электростанциях обычно повышают выходное напряжение инвертора до уровня среднего напряжения сети сбора. Их обмотка низшего напряжения должна соответствовать фактическому выходному напряжению инвертора и рабочему допуску, а не типовому распределительному напряжению. В зависимости от конструкции инвертора и региональной электротехнической практики сторона LV трансформатора может быть рассчитана на выходной уровень инвертора 400 V, 415 V, 480 V, 690 V или другой указанный уровень.

Коэффициент трансформации также должен учитывать, что инвертор не ведет себя как пассивная нагрузка. Его выходное напряжение, режим реактивной мощности, гармонические характеристики и ограничение тока являются управляемыми рабочими параметрами. Выбранные сопротивление трансформатора и схема ответвлений влияют на способность инвертора поддерживать требуемое напряжение на своих выводах при выдаче активной мощности и необходимой реактивной мощности в точке присоединения.

Коэффициент трансформации, который выглядит правильным при номинальных условиях, может стать ограничивающим при недостаточном запасе напряжения для:

• падения напряжения в фидере сети сбора при высокой выработке;
• выдачи или потребления реактивной мощности, требуемых сетевым кодексом;
• падения напряжения на сопротивлении трансформатора;
• ограничений напряжения инвертора при высокой температуре окружающей среды;
• положения ответвления и ожидаемого изменения напряжения сети.

По этой причине коэффициент трансформации трансформатора сети сбора следует проверять с использованием расчетных режимов потокораспределения, а не выбирать исключительно путем сравнения паспортных напряжений. Как минимум электрическая модель должна рассматривать максимальную выдачу активной мощности, высокий спрос на реактивную мощность, минимальное и максимальное напряжение сети, недоступность одного инверторного блока и предполагаемое рабочее положение ответвлений.

Выбор напряжения изменяет экономику фидеров

Для трехфазного фидера сети сбора ток приблизительно определяется следующим выражением:

I = P / (√3 × V × power factor)

С увеличением напряжения сети сбора ток уменьшается при той же передаваемой мощности. Меньший ток может сократить сечение проводников, активные потери, падение напряжения и количество параллельных кабельных линий. Это преимущество становится более существенным по мере увеличения длины фидеров и объединяемой мощности блоков.

Однако сравнение не должно ограничиваться потерями в проводниках. На стоимость кабеля среднего напряжения влияют площадь сечения проводника, класс напряжения изоляции, конструкция металлического экрана, способ прокладки, требования к соединительным муфтам и местная доступность. Системы более высокого напряжения также требуют совместимых распределительных устройств и концевых заделок, а процедуры испытаний и ввода в эксплуатацию могут становиться более сложными. На компактной солнечной площадке с короткими линиями сбора снижение потерь благодаря более высокому напряжению может не компенсировать эти дополнительные затраты. На рассредоточенной площадке с длинными радиальными фидерами то же изменение напряжения может значительно улучшить электрическую схему.

Полезная оценка сравнивает комплексные альтернативы, а не цены отдельных единиц оборудования. Каждый вариант должен включать потери трансформатора, потери в фидерах, устройство кабельных траншей и монтаж, RMU или секционирующие пункты, номиналы распределительных устройств, строительные работы, стратегию запасных частей, объем пусконаладочных работ и прогнозируемую стоимость энергии в течение срока эксплуатации. Вопрос заключается не в том, дороже ли кабель 33 kV, чем кабель 20 kV; он состоит в том, обеспечивает ли полная схема сбора 33 kV меньшую стоимость жизненного цикла для утвержденной компоновки площадки.

Сопротивление трансформатора — это параметр проектирования, а не типовое значение

Сопротивление трансформатора влияет на ток короткого замыкания, регулирование напряжения, параллельную работу и характеристики инвертора. Более низкое сопротивление уменьшает падение напряжения на трансформаторе, что может улучшить напряжение на выводах инвертора при высокой выдаче. Оно также увеличивает ожидаемый ток короткого замыкания на стороне LV. Более высокое сопротивление помогает ограничить аварийный ток, но может расходовать запас напряжения и осложнять обеспечение реактивной мощности.

Выбранное сопротивление должно быть согласовано с вкладом инвертора в ток повреждения, стойкостью щита LV, селективностью защиты MV и требованиями энергоснабжающей организации к расчетам короткого замыкания. Солнечные инверторы обычно обеспечивают управляемый и ограниченный ток повреждения по сравнению с синхронными генераторами, однако это не отменяет необходимости надлежащего исследования защиты. Сопротивление трансформатора, сопротивление кабелей сети сбора, конструкция заземления, уставки защиты и функции прохождения аварийных режимов инвертора влияют на обнаружение и отключение повреждений.

Рискованно копировать значения сопротивления из спецификации обычного промышленного распределительного трансформатора, не подтверждая сетевую модель солнечной электростанции. Инверторный блок, фидер и концепция защиты подстанции образуют единую электрическую систему.

Схемы ответвлений должны поддерживать стратегию эксплуатации

Большинство трансформаторов сети сбора используют переключение ответвлений без возбуждения, а не устройства регулирования под нагрузкой. Это часто оправдано, поскольку системы управления инверторами могут динамически регулировать реактивную мощность, а профиль напряжения сети сбора обычно проектируется вокруг фиксированного коэффициента трансформации. Однако фиксированный коэффициент является приемлемым только при оценке ожидаемого диапазона напряжения сети и условий работы станции.

При выборе ответвления следует учитывать напряжение на выводах HV трансформатора, ожидаемое падение напряжения в фидере, рабочий диапазон инвертора и точку измерения обязательств по реактивной мощности. Положение ответвления, максимизирующее выдачу активной мощности при одном состоянии напряжения сети, может уменьшить запас по реактивной мощности при другом.

Регулирование ответвлений под нагрузкой может быть оправдано в отдельных применениях сети сбора или подстанции, но оно добавляет механическую сложность, интеграцию систем управления, требования к обслуживанию и режимы отказов. Его следует выбирать потому, что исследование регулирования напряжения показывает такую необходимость, а не потому, что оно кажется универсально лучшим решением.

Не путайте трансформаторы сети сбора с трансформаторами собственных нужд

Солнечная электростанция включает трансформаторы с несколькими функциями. Повышающий трансформатор инвертора передает вырабатываемую энергию от напряжения инвертора в систему сбора MV. Трансформатор собственных нужд питает вспомогательные нагрузки, такие как оборудование SCADA, освещение, охлаждение, системы безопасности, панели управления, зарядные устройства аккумуляторов и объекты технического обслуживания. Эти два применения могут иметь различные коэффициенты трансформации, профили нагрузки, требования к защите и экологические приоритеты.

Для площадок с требованием вспомогательного питания 20 kV трансформатор20kV/0.4kV Масляный силовой распределительный трансформатор может быть применим для распределения собственных нужд, а не для основной функции повышения напряжения инвертора. Его коэффициент трансформации с 20 kV до 0.4/0.415 kV показывает, почему при составлении спецификации необходимо четко разделять назначение трансформаторов: трансформатор, выбранный для питания вспомогательных нагрузок LV, не заменяет трансформатор сети сбора, предназначенный для повышения выходного напряжения инвертора до среднего напряжения.

Это различие важно для тендерной документации. Если термин «солнечный трансформатор» используется без определения сторон напряжения и функции, поставщики могут предложить технически допустимое, но эксплуатационно неподходящее оборудование. В графике каждого трансформатора должно быть указано его назначение: повышение напряжения инвертора, подстанция сети сбора, заземляющий трансформатор, собственные нужды или другая определенная функция.

Условия окружающей среды влияют на надежность номиналов напряжения

Выбор напряжения на стороне сети сбора также имеет последствия для физической установки. Открытые солнечные объекты могут подвергать трансформаторы и аксессуары MV воздействию высоких температур окружающей среды, интенсивного солнечного излучения, пыли, солевых загрязнений, влажности, риска затопления и ограниченного доступа для обслуживания. Эти условия не изменяют требование к номинальному напряжению, но могут влиять на характеристики изоляции, запасы по охлаждению, выбор корпуса, конструкцию заделок и предпочтительную трансформаторную жидкость или систему изоляции.

Масляные трансформаторы могут обеспечивать надежные тепловые характеристики и обычно рассматриваются при условии, что в проект включены соответствующие меры по локализации разливов, оценка пожарного риска и экологический контроль. Природные или эфирные изоляционные жидкости могут оцениваться в случаях, когда существенны требования к пожарной безопасности или экологические соображения, но решение должно учитывать местные разрешительные требования, схемы локализации разливов, возможности обслуживания и подтвержденные производителем пределы конструкции.

Особого внимания требует высота над уровнем моря. Снижение плотности воздуха влияет на внешнюю изоляцию и охлаждение. Трансформатор, ввод или комплект распределительного устройства, пригодные для уровня моря, могут потребовать снижения номинальных параметров или изменения изоляционных расстояний на высокогорных площадках. Тот же принцип применяется к кабельным заделкам MV и ограничителям перенапряжений. Эти детали следует определить до выпуска заказов на закупку оборудования, поскольку изменения, зависящие от площадки, после утверждения заводской конструкции могут повлиять на графики поставки.

Строгое соблюдение спецификаций предотвращает проблемы совместимости на поздних этапах

Наиболее серьезные ошибки в напряжении сети сбора обычно возникают на интерфейсах: трансформатор инвертора с несовместимой обмоткой LV, распределительное устройство MV с недостаточным номиналом, кабельные соединители, не соответствующие интерфейсу ввода, либо коэффициенты трансформации CT защиты, которые перестают работать после пересмотра мощности блока. Согласованный график оборудования более ценен, чем набор отдельных технических листов, каждый из которых соответствует требованиям сам по себе.

Технически полная заявка на трансформатор должна определять номинальную мощность при соответствующем условии охлаждения, номинальные напряжения HV и LV, диапазон ответвлений и положение ответвления, группу соединения, допуск сопротивления, уровни изоляции, частоту, режим нейтрали, потери, пределы превышения температуры, расположение выводов, интерфейс кабельного ящика или ввода, требования к корпусу и защите от коррозии, применимые стандарты, ожидаемые заводские и типовые испытания, ограничения по транспортировке и требуемую документацию.

Такие стандарты, как IEC 60076 или применимые стандарты трансформаторов IEEE C57, могут обеспечить техническую основу, но не заменяют координацию, специфичную для проекта. Условия присоединения энергоснабжающей организации, местные электротехнические нормы, а также технические требования страховщика или кредитора могут устанавливать дополнительные требования к испытаниям, защите, пожарной безопасности, капитализации потерь и документации по качеству.

Правильный номинал сохраняет запас во всей модели электростанции

Трансформатор среднего напряжения для солнечных электростанций следует выбирать после совместной оценки напряжения сети сбора, рабочего диапазона инвертора, кабельной схемы, целевых сопротивлений, уровней короткого замыкания и интерфейса подстанции. Трансформатор с наименьшей первоначальной стоимостью может создавать скрытые затраты, если его коэффициент трансформации ограничивает возможности инвертора или выбранное напряжение приводит к чрезмерным потерям в фидерах. И наоборот, система сбора более высокого напряжения может быть избыточно спроектирована, если геометрия площадки не оправдывает ее дополнительные затраты на оборудование и монтаж.

Наиболее надежной основой для принятия решения является согласованное электротехническое исследование, подкрепленное однозначным графиком оборудования. Когда утвержденное напряжение сети сбора последовательно отражается в уровнях изоляции трансформатора, настройках ответвлений, номиналах кабелей, интерфейсах распределительных устройств и уставках защиты, проект избегает категории изменений на поздних этапах, которые обходятся дорого именно потому, что кажутся незначительными паспортными деталями.