Jak vybrat transformátory pro distribuované fotovoltaické elektrárny?

Přizpůsobení výkonu transformátoru výrobě z distribuovaných fotovoltaických elektráren

Dimenzování jmenovitého výkonu v kVA na základě střídavého výstupu měniče, převelikosti stejnosměrného výkonu a proměnlivosti slunečního záření

Výběr transformátoru správné velikosti začíná analýzou maximálního střídavého výstupu invertoru, například přibližně 100 kW. Většina návrhů zohledňuje poměr přeřazení stejnosměrného výkonu (DC oversizing) v rozmezí 1,2× až 1,5×, protože solární elektrárny často zažívají krátkodobé špičky intenzity slunečního záření přesahující hodnoty předpovídané standardními testy. Uvažujme typickou konfiguraci s DC polem o výkonu 150 kWp připojeným k invertoru o výkonu 100 kW. Transformátor s jmenovitým výkonem alespoň 125 kVA je v tomto případě vhodný, aby zvládl tyto občasné přetížení (tzv. clipping), kdy dojde k dočasnému překročení výrobní kapacity. Několik technických faktorů je rozhodujících. Za prvé je třeba zkontrolovat, jak dlouho může inverter vydržet přetížení – obvykle se jedná o 110–120 % jmenovitého výkonu po dobu až jedné hodiny. Za druhé je třeba vzít v úvahu místní povětrnostní podmínky: v pouštních oblastech dochází k výraznějším denním změnám intenzity slunečního záření mezi dnem a nocí ve srovnání s pobřežními oblastmi, kde je sluneční svit během dne relativně stálý. Nezapomeňte také na stárnutí panelů: každý rok se jejich účinnost snižuje přibližně o půl procenta, což ve skutečnosti pomáhá snižovat zátěž zařízení v dalších částech soustavy, protože se postupně snižuje i vznik harmonických složek a tepelné zatížení.

Termické snižování výkonu a analýza koeficientu zatížení pro instalace na střechách

Okolní teploty na střechách často přesahují 40 °C, což snižuje výkon transformátoru přibližně o 15 až 20 procent, pokud se nepodniknou žádná opatření. Většina komerčních fotovoltaických systémů tak jako tak pracuje s koeficientem zatížení nižším než 60 %, a proto je zde prostor pro inteligentné zmenšení výkonu transformátoru v kombinaci s efektivními technikami tepelného řízení. Velmi dobře se osvědčuje nucené chlazení prouděním vzduchu spolu s nehořlavou izolací splňující normu IEEE C57.96 a pravidelným měřením teploty během provozu. Velmi důležitý je také konkrétní charakter místa instalace. Transformátory umístěné v uzavřených prostorách nebo v oblastech se špatnou ventilací mohou vyžadovat základní jmenovité výkony až o 25 % vyšší než transformátory umístěné venku, kde je lepší proudění vzduchu. Jak ASHRAE, tak IEEE zveřejnily pokyny pro tepelné modelování, které tento přístup podporují.

Suché transformátory versus olejem chlazené transformátory: bezpečnost, účinnost a vhodnost pro dané místo

Požární bezpečnost, větrání a omezení pro instalaci do interiéru městských a komerčních střech

Pro městské a komerční solární instalace na střechách se suché transformátory staly preferovanou volbou díky svým nehořlavým konstrukčním vlastnostem. Tyto transformátory obvykle využívají vinutí impregnovaná epoxidovou pryskyřicí za vakuového tlaku, čímž jsou výrazně bezpečnější než tradiční olejem plněné modely. Olejem naplněné systémy přinášejí řadu problémů, jako je hořlavé chladivo, možné úniky oleje a vyžadují speciální infrastrukturu – například výbušně odolné sklepy, dodatečná opatření k obsazení úniků a správné větrací systémy. Suché transformátory lze instalovat přímo uvnitř budov, například v místech s omezeným prostorem a kde mají bezpečnostní předpisy nejvyšší prioritu – například v šachtách výtahů, parkovacích garážích nebo na společných střechách sdílených více nájemci. Města jako New York a Tokio nyní ve svých nejnovějších protipožárních předpisech pro tyto typy instalací explicitně uvádějí suché transformátory, protože v případě poruchy během provozu mají tendenci se samy uhasit.

Dodržování požadavků na účinnost (DOE 2016, IEC 60076-20) a důsledky pro celoživotní náklady

Současné suché transformátory splňují klíčové normy účinnosti stanovené předpisy jako jsou DOE 2016 a IEC 60076-20 pro odolnost vůči harmonickým složkám. Některé z nejlepších modelů dosahují účinnosti až přibližně 99,3 % při provozu v rozsahu výkonů mezi 500 a 2500 kVA. Dříve měly olejové ponorné transformátory mírnou výhodu z hlediska účinnosti při plném zatížení. Dnes však suché transformátory mají z hlediska ekonomiky dlouhodobě větší smysl, zejména u fotovoltaických elektráren rozptýlených po různých lokalitách. Tyto systémy nepotřebují pravidelnou údržbu spojenou s analýzou oleje, filtrací nebo manipulací s nebezpečnými kapalinami, které je nutné řádně likvidovat. Během přibližně 25 let tak firmy ušetří zhruba 20 až dokonce 30 procent provozních nákladů, i když počáteční investice do suchých transformátorů bývá obvykle vyšší o cca 15 %. Výsledkem je lepší návratnost investice a výrazně jednodušší správa aktiv v budoucnu.

Zajištění souladu se sítí pomocí transformátorů vyhovujících požadavkům na harmonické složky

Splnění limitů THD podle normy IEEE 1547-2018 pomocí transformátorů s koeficientem K a transformátorů potlačujících harmonické složky

Elektrický výkon generovaný střídači ve fotovoltaických systémech způsobuje harmonické zkreslení, které často přesahuje hranici celkového harmonického zkreslení napětí (THD) ve výši 5 % stanovenou normou IEEE 1547-2018 v místech připojení. Aby se tomuto problému čelilo, používají se speciální transformátory nazývané harmonické kompenzátory, jejichž vinutí je fázově posunuto tak, aby eliminovalo hlavní harmonické složky, jako jsou například harmonické pátého a sedmého řádu. Současně jsou transformátory s hodnotami K-faktoru v rozmezí od K4 do K20 konstruovány speciálně tak, aby odolaly teplu vyvolanému harmonickými složkami, aniž by došlo k poškození jejich izolačních vrstev. Tyto transformátory však nejsou běžné. Standardní modely se při zátěži s nelineární charakteristikou stárnou mnohem rychleji, zatímco tyto specializované verze udržují nízkou teplotu a splňují požadavky i za běžných provozních podmínek fotovoltaických systémů. Termografická měření provedená v reálných instalacích ukazují, že tyto optimalizované transformátory mají teplotu přibližně o 15 °C nižší než standardní transformátory za podobných podmínek zkreslené zátěže. Tento rozdíl v teplotě znamená delší životnost zařízení a méně problémů v místech připojení za reálných provozních podmínek.

Zabezpečení budoucnosti pomocí chytného monitoringu a prediktivní údržby

Integrace SCADA, monitorování teploty a částečných výbojů pro spolehlivost transformátorů

Když jsou transformátory připojeny k systémům SCADA, operátoři mohou sledovat jejich výkon v reálném čase přímo z centrálního místa napříč všemi těmito rozptýlenými fotovoltaickými elektrárnami. Teplotní čidla integrovaná do různých částí – jako jsou vinutí, jádra a u olejem plněných jednotek také uvnitř jejich olejových komor – detekují neobvyklé teplotní vzory dlouho předtím, než se situace začne stávat nebezpečně horkou. Dalším důležitým nástrojem je monitorování parciálních výbojů (PD), které zachycuje tyto vysokofrekvenční proudové špičky signalizující počáteční známky problémů s izolací – něco, co běžné testy mohou zcela přehlédnout. Tyto kombinované funkce zásadně mění přístup k údržbě: místo striktního dodržování plánovaných kontrol se přechází k opravám pouze tehdy, když je to skutečně nutné. Práce na poli organizací jako EPRI a NREL ukazují, že tento přístup snižuje neočekávané výpadky přibližně o 40 procent. Všechna tato sbíraná data vytvářejí prostředí, ve kterém firmy mohou lépe předpovídat životnost zařízení, efektivněji spravovat zásoby náhradních dílů a strategicky plánovat investice – čímž se údržba transformátorů stává nejen reaktivní, ale i aktivním přínosem pro postupné budování spolehlivosti celého systému.

Často kladené otázky

Jaký je význam přeřazení stejnosměrného proudu (DC) u solárních instalací?

Přeřazení stejnosměrného proudu (DC) umožňuje solárním instalacím zvládat náhlé nárůsty intenzity slunečního záření, které přesahují hodnoty předpovídané standardními testy, a zajišťuje tak, že transformátory dokážou vydržet dočasné přetížení bez výrazných ztrát účinnosti.

Jsou suché transformátory výhodnější než olejové transformátory pro instalace na střechách?

Ano, suché transformátory jsou často vhodnější pro instalace na střechách díky svému nehořlavému provedení, bezpečnosti při použití v uzavřených prostorách a souladu s moderními předpisy požární ochrany.

Jak mohou distribuční soustavy zajistit soulad se sítí vzhledem k harmonickým složkám generovaným solárními elektrárnami?

Distribuční soustavy mohou využívat transformátory s funkcí potlačení harmonických složek a transformátory vyhovující určitým hodnotám koeficientu K k řízení harmonických složek a udržení souladu se sítí podle norem IEEE.

Jakou roli hraje integrace systému SCADA při údržbě transformátorů?

Systémy SCADA umožňují sledování výkonu v reálném čase, což pomáhá včasně zjistit potenciální problémy, a tím umožňuje prediktivní údržbu a snižuje neplánované výpadky.