Com triar transformadors per a centrals fotovoltaiques distribuïdes?

Ajust de la capacitat del transformador a la generació fotovoltaica distribuïda

Dimensionament de la potència nominal en kVA segons la sortida CA de l'inversor, la sobredimensió CC i la variabilitat de la irradiància

Escollir el transformador de la mida adequada comença analitzant quina potència AC màxima pot generar l'inversor, per exemple, uns 100 kW. La majoria de dissenys tenen en compte relacions d'excessiva mida DC entre 1,2x i 1,5x, ja que les instal·lacions solars sovint experimenten pics d'irradiància superiors als predits pels assaigs estàndard. Preneu com a exemple una configuració típica amb un camp fotovoltaic DC de 150 kWp connectat a un inversor de 100 kW. En aquest cas, un transformador amb una potència nominal d'almenys 125 kVA és raonable per gestionar aquells esdeveniments ocasionals de retallada quan la producció supera temporalment la capacitat. Diversos factors són tècnicament rellevants. En primer lloc, cal verificar quant de temps pot suportar l'inversor condicions de sobrecàrrega, normalment un 110-120 % durant fins a una hora. A continuació, cal tenir en compte els patrons climàtics locals. Les zones desèrtiques solen presentar canvis bruscos d'irradiància entre el dia i la nit, en comparació amb les zones costaneres, on la llum solar roman més estable al llarg del dia. També cal tenir en compte la degradació dels mòduls: aquests perden aproximadament un 0,5 % d'eficiència cada any, fet que, de fet, contribueix a reduir la càrrega sobre l'equipament posterior, ja que els harmònics i la calor es generen menys al llarg del temps.

Anàlisi de reducció tèrmica de la potència i del factor de càrrega per a instal·lacions sobre cobertes

Les temperatures ambientals sobre les cobertes sovint superen els 40 graus Celsius, cosa que redueix la capacitat dels transformadors aproximadament un 15-20 % si no es pren cap mesura al respecte. La majoria de sistemes fotovoltaics comercials ja funcionen amb un factor de càrrega inferior al 60 %, de manera que hi ha espai per a una reducció intel·ligent de la potència combinada amb bones tècniques de gestió tèrmica. El refredament per aire forçat funciona bé, juntament amb aïllaments no inflamables que compleixin les normes IEEE C57.96, a més de comprovacions regulars de la temperatura durant el funcionament. Les característiques específiques del lloc també són molt importants. Els transformadors instal·lats en espais tancats o zones amb mala ventilació poden necessitar valors nominals de base fins a un 25 % superiors als d’aquells col·locats a l’exterior, on la circulació d’aire és millor. Tant l’ASHRAE com l’IEEE han publicat directrius de modelització tèrmica que recolzen aquest enfocament.

Transformadors de tipus sec vs. transformadors immersos en oli: seguretat, eficiència i idoneïtat del lloc

Restriccions de seguretat contra incendis, ventilació i instal·lació interior per a terrats urbans i comercials

Per a les instal·lacions solars urbanes i comercials sobre cobertes, els transformadors de tipus sec han esdevingut l’opció preferida gràcies a les seves característiques de disseny no inflamables. Aquests solen tenir bobinats d’resina epoxi impregnats sota buit i pressió, el que els fa molt més segurs que els models tradicionals amb oli. Els sistemes immersos en oli comporten tot tipus de problemes, com ara refrigerants inflamables, possibles fuites i la necessitat d’una infraestructura especial, com ara cambres ignífugues, mesures addicionals de contenció i sistemes adequats de ventilació. Els transformadors de tipus sec es poden instal·lar directament dins dels edificis, en espais on hi ha poca superfície disponible i on les normatives de seguretat són especialment estrictes: per exemple, en caixes d’ascensors, aparcaments subterranis o cobertes compartides entre diversos inquilins. Ciutats com Nova York i Tòquio ja mencionen específicament, als seus codis de prevenció d’incendis més recents, els transformadors de tipus sec per a aquest tipus d’instal·lacions, ja que tendeixen a extingir-se sols si es produeix algun problema durant el seu funcionament.

Conformitat amb els requisits d'eficiència (DOE 2016, IEC 60076-20) i implicacions sobre el cost del cicle de vida

Actualment, els transformadors de tipus sec compleixen aquests fonamentals estàndards d'eficiència establerts per normatives com la DOE 2016 i la IEC 60076-20 en matèria de tolerància a harmònics. Alguns dels millors models arriben, de fet, a una eficiència d'aproximadament el 99,3 % quan operen amb potències entre 500 i 2500 kVA. Antigament, els transformadors immersos en oli tenien una lleugera avantatge en eficiència a càrrega màxima. Tanmateix, avui dia els transformadors de tipus sec són econòmicament més raonables a llarg termini, especialment en instal·lacions solars disperses per diferents ubicacions. Aquests sistemes no requereixen tota aquella manteniment periòdic associat a l'anàlisi, filtratge o gestió de fluids perillosos que cal eliminar correctament. Durant un període d’uns 25 anys, això permet estalviar a les empreses aproximadament entre el 20 % i fins i tot el 30 % en costos d'explotació, malgrat que normalment el seu cost inicial sigui un 15 % superior. En resum, es generen rendiments d'inversió millors i una gestió d'actius molt més senzilla a llarg termini.

Garantir la conformitat amb la xarxa mitjançant transformadors classificats per harmònics

Complir els límits de THD segons la norma IEEE 1547-2018 mitjançant dissenys de transformadors amb factor K i transformadors que atenuen harmònics

L'energia generada pels inversors en sistemes solars crea distorsions harmòniques que sovint superen el límit de distorsió harmònica total (THD) de tensió del 5 % establert per la norma IEEE 1547-2018 als punts de connexió. Per resoldre aquest problema, es fan servir transformadors especials anomenats «mitigadors d’harmònics», els quals utilitzen disposicions d’enrotllaments desplaçats en fase per eliminar les principals harmòniques, com les de cinquè i setè ordre. Al mateix temps, els transformadors classificats amb factors K que van de K4 a K20 estan dissenyats específicament per suportar la calor provocada per les harmòniques sense deteriorar les seves capes d’aïllament. No obstant això, aquests no són transformadors habituals. Els models convencionals tendeixen a envellir molt més ràpidament quan treballen amb càrregues no lineals, però aquestes versions especialitzades mantenen la temperatura baixa i el compliment normatiu fins i tot durant les operacions solars normals. Les imatges tèrmiques obtingudes en instal·lacions reals mostren que aquests transformadors optimitzats romanen aproximadament 15 °C més frescos que els transformadors convencionals sotmesos a càrregues distorcionades similars. Aquesta diferència de temperatura implica una major vida útil de l’equipament i menys problemes als punts de connexió en condicions reals d’ús.

Protecció futura amb funcions intel·ligents de supervisió i manteniment predictiu

Integració SCADA, supervisió de la temperatura i de la descàrrega parcial per a la fiabilitat del transformador

Quan els transformadors es connecten a sistemes SCADA, els operadors poden supervisar el seu rendiment en temps real des d’una ubicació central, cobrint tots aquells parcs solars dispersos. Els sensors de temperatura integrats en diverses parts, com les bobines, els nuclis i, en el cas dels transformadors immersos en oli, també als compartiments d’oli, detecten patrons anòmals de calor molt abans que la temperatura arribi a nivells perillosos. Una altra eina important és la monitorització de les descàrregues parcials (PD), que detecta els pics de corrent d’alta freqüència que indiquen signes precoços de problemes d’aïllament, una cosa que les proves habituals podrien passar per alt completament. Aquestes característiques combinades transformen totalment l’abordatge de la manteniment, passant d’un sistema basat estrictament en revisions programades a un enfocament correctiu només quan cal. Estudis de camp realitzats per organismes com l’EPRI i el NREL mostren que aquesta estratègia redueix les aturades imprevistes aproximadament un 40 %. Tota aquesta recollida de dades crea un entorn on les empreses poden predir millor la vida útil de l’equipament, gestionar més eficientment les existències de peces de recanvi i planificar les inversions de forma estratègica, convertint el manteniment dels transformadors no només en una activitat reactiva, sinó en una acció que construeix, progressivament, la fiabilitat del sistema.

FAQ

Quina és la importància de la sobredimensió CC en les instal·lacions solars?

La sobredimensió CC permet que les instal·lacions solars gestionin pics d'irradiància que superen les previsions dels assaigs estàndard, assegurant que els transformadors puguin suportar sobrecàrregues temporals sense pèrdues significatives d'eficiència.

Els transformadors de tipus sec són més avantatjosos que els transformadors immersos en oli per a les instal·lacions a terrassa?

Sí, els transformadors de tipus sec solen ser més adequats per a les instal·lacions a terrassa degut al seu disseny no inflamable, a la seva seguretat en espais interiors i al seu compliment dels codis moderns de prevenció d'incendis.

Com poden assegurar les companyies el compliment de la xarxa amb els harmònics generats per l'energia solar?

Les companyies poden fer servir transformadors mitigadors d'harmònics i transformadors classificats per a factors K específics per gestionar els harmònics i mantenir el compliment de la xarxa segons les normes IEEE.

Quin paper juga la integració SCADA en el manteniment dels transformadors?

Els sistemes SCADA permeten la supervisió del rendiment en temps real, ajudant a detectar possibles problemes de forma precoç, cosa que possibilita el manteniment predictiu i redueix les aturades imprevistes.