Πώς να επιλέξετε μετασχηματιστές για διανεμημένα φωτοβολταϊκά εργοστάσια;

Προσαρμογή της ισχύος του μετασχηματιστή στην παραγωγή ενέργειας από διανεμημένα φωτοβολταϊκά

Υπολογισμός της ισχύος σε kVA βάσει της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου του αντιστροφέα, της υπερδιάστασης στην συνεχή τάση (DC) και της μεταβλητότητας της ηλιακής ακτινοβολίας

Η επιλογή του κατάλληλου μεγέθους μετασχηματιστή αρχίζει με την εξέταση της μέγιστης εναλλασσόμενης ρεύματος (AC) ισχύος που μπορεί να παράγει ο μετατροπέας, για παράδειγμα περίπου 100 kW. Οι περισσότερες σχεδιαστικές λύσεις λαμβάνουν υπόψη συντελεστές υπερδιάστασης της συνεχούς ρεύματος (DC) μεταξύ 1,2x και 1,5x, δεδομένου ότι οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις συχνά υφίστανται αιχμές ακτινοβολίας που υπερβαίνουν τις τιμές που προβλέπονται από τις τυποποιημένες δοκιμές. Για παράδειγμα, σε μία τυπική εγκατάσταση με φωτοβολταϊκό πάνελ DC ισχύος 150 kWp που συνδέεται με μετατροπέα 100 kW, ένας μετασχηματιστής ονομαστικής ισχύος τουλάχιστον 125 kVA είναι λογική επιλογή, προκειμένου να αντιμετωπίσει εκείνα τα περιστασιακά φαινόμενα κοπής (clipping) κατά τα οποία η παραγωγή υπερβαίνει προσωρινά την ονομαστική ικανότητα. Αρκετοί τεχνικοί παράγοντες έχουν σημασία. Πρώτον, ελέγξτε για πόσο χρόνο μπορεί ο μετατροπέας να αντέξει συνθήκες υπερφόρτωσης — συνήθως για ποσοστό 110–120% επί έναν ώρα. Στη συνέχεια, λάβετε υπόψη τα τοπικά κλιματικά πρότυπα: οι ερημικές περιοχές χαρακτηρίζονται από ακραίες μεταβολές της ακτινοβολίας ανάμεσα σε ημέρα και νύχτα, σε αντίθεση με τις παράκτιες περιοχές, όπου η ηλιακή ακτινοβολία παραμένει σχετικά σταθερή καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Μην ξεχάσετε επίσης την εκφύλιση των φωτοβολταϊκών πλαισίων: τα πάνελ χάνουν περίπου 0,5% της απόδοσής τους κάθε χρόνο, γεγονός που στην πραγματικότητα συμβάλλει στη μείωση της καταπόνησης του εξοπλισμού που βρίσκεται στο κατώτερο τμήμα της γραμμής, καθώς οι αρμονικές συνιστώσες και η θερμότητα συσσωρεύονται σε μικρότερο βαθμό με την πάροδο του χρόνου.

Θερμική μείωση ισχύος και ανάλυση συντελεστή φόρτισης για εγκαταστάσεις σε δώματα

Οι περιβαλλοντικές θερμοκρασίες στα δώματα υπερβαίνουν συχνά τους 40 βαθμούς Κελσίου, γεγονός που μειώνει την ισχύ των μετασχηματιστών κατά περίπου 15 έως 20 τοις εκατό, εάν δεν ληφθούν κατάλληλα μέτρα. Τα περισσότερα εμπορικά φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν ούτως ή άλλως σε συντελεστή φόρτισης κάτω του 60%, επομένως υπάρχει περιθώριο για μια έξυπνη μείωση της ισχύος, όταν συνδυάζεται με αποτελεσματικές τεχνικές θερμικής διαχείρισης. Η υποχρεωτική ψύξη με αέρα λειτουργεί αποτελεσματικά, καθώς και η μη εύφλεκτη μόνωση που ανταποκρίνεται στα πρότυπα IEEE C57.96, ενώ είναι επίσης απαραίτητος ο τακτικός έλεγχος της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Επίσης, τα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου χώρου εγκατάστασης έχουν μεγάλη σημασία. Οι μετασχηματιστές που εγκαθίστανται σε κλειστούς χώρους ή σε περιοχές με κακή εξαερισμό ενδέχεται να απαιτούν ονομαστικές ισχύες μέχρι και 25% υψηλότερες σε σύγκριση με εκείνους που τοποθετούνται στο εξωτερικό, όπου η ροή του αέρα είναι καλύτερη. Τόσο η ASHRAE όσο και η IEEE έχουν δημοσιεύσει οδηγίες για τη θερμική προσομοίωση που υποστηρίζουν αυτήν την προσέγγιση.

Ξηροί έναντι ελαιοβυθισμένων μετασχηματιστών: Ασφάλεια, απόδοση και καταλληλότητα για τον χώρο εγκατάστασης

Προϋποθέσεις ασφάλειας κατά πυρκαγιάς, εξαερισμού και εγκατάστασης σε εσωτερικούς χώρους για αστικές και εμπορικές οροφές

Για αστικές και εμπορικές ηλιακές εγκαταστάσεις σε δώματα, οι ξηρού τύπου μετασχηματιστές έχουν καθιερωθεί ως η προτιμώμενη επιλογή, λόγω των χαρακτηριστικών τους αναφλεξιμότητας. Συνήθως διαθέτουν τυλίγματα από εποξειδική ρητίνη που έχουν υποστεί επεξεργασία με κενό και υψηλή πίεση, κάνοντάς τους πολύ πιο ασφαλείς σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς μετασχηματιστές που περιέχουν λάδι. Τα συστήματα με βυθισμένο σε λάδι μετασχηματιστή συνεπάγονται διάφορα προβλήματα, όπως η χρήση εύφλεκτου ψυκτικού υγρού, η δυνατότητα διαρροών και την ανάγκη ειδικής υποδομής, όπως αντιεκρηκτικά θαλάμους, επιπλέον μέτρα περιορισμού και κατάλληλα συστήματα εξαερισμού. Οι ξηρού τύπου μετασχηματιστές μπορούν να εγκατασταθούν ακριβώς εντός των κτιρίων, σε χώρους όπου η διαθέσιμη επιφάνεια είναι περιορισμένη και οι προδιαγραφές ασφαλείας έχουν καθοριστική σημασία — για παράδειγμα, σε θαλάμους ανελκυστήρων, σε χώρους στάθμευσης ή σε κοινά δώματα που χρησιμοποιούνται από πολλούς ενοικιαστές. Πόλεις όπως η Νέα Υόρκη και το Τόκιο αναφέρουν σήμερα ρητώς τους ξηρού τύπου μετασχηματιστές στους τελευταίους κανονισμούς πυροπροστασίας τους για τέτοιου είδους εγκαταστάσεις, καθώς τείνουν να «σβήνουν» αυτόματα σε περίπτωση βλάβης κατά τη λειτουργία τους.

Συμμόρφωση προς τις απαιτήσεις απόδοσης (DOE 2016, IEC 60076-20) και επιπτώσεις στο κόστος κύκλου ζωής

Οι σημερινοί ξηροί μετασχηματιστές επιτυγχάνουν αυτά τα βασικά πρότυπα απόδοσης που καθορίζονται από ρυθμιστικές διατάξεις όπως οι DOE 2016 και IEC 60076-20 για την ανοχή σε αρμονικές συνιστώσες. Ορισμένα από τα καλύτερα μοντέλα επιτυγχάνουν πραγματικά απόδοση περίπου 99,3 % κατά τη λειτουργία τους σε ισχύς μεταξύ 500 και 2500 kVA. Παλαιότερα, οι μετασχηματιστές με εμβύθιση σε λάδι είχαν ελαφρώς καλύτερη απόδοση στο μέγιστο φορτίο. Ωστόσο, σήμερα οι ξηροί μετασχηματιστές είναι οικονομικά πιο λογική επιλογή με την πάροδο του χρόνου, ιδιαίτερα για εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας που εκτείνονται σε διαφορετικές τοποθεσίες. Αυτά τα συστήματα δεν απαιτούν τη συνεχή συντήρηση που συνδέεται με τον έλεγχο, το φιλτράρισμα του λαδιού ή το χειρισμό επικίνδυνων υγρών, τα οποία πρέπει να απορρίπτονται κατάλληλα. Σε περίοδο περίπου 25 ετών, αυτό εξοικονομεί στις επιχειρήσεις περίπου 20 έως 30 % στο συνολικό κόστος λειτουργίας, παρά το γεγονός ότι το αρχικό κόστος τους είναι συνήθως κατά 15 % υψηλότερο. Το συμπέρασμα είναι καλύτερες αποδόσεις επένδυσης και πολύ απλούστερη διαχείριση των περιουσιακών στοιχείων στο μέλλον.

Διασφάλιση συμμόρφωσης με το δίκτυο μέσω μετασχηματιστών κατάλληλων για αρμονικά

Πλήρωση των ορίων THD του προτύπου IEEE 1547-2018 με χρήση σχεδιασμών μετασχηματιστών K-factor και μετασχηματιστών μειωτικών αρμονικών

Η ισχύς που παράγεται από τους αντιστροφείς στα ηλιακά συστήματα δημιουργεί αρμονικές παραμορφώσεις, οι οποίες συχνά υπερβαίνουν το όριο της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) του 5% για την τάση, όπως καθορίζεται από το πρότυπο IEEE 1547-2018 στα σημεία σύνδεσης. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, ειδικοί μετασχηματιστές, γνωστοί ως «αντιαρμονικοί μετασχηματιστές», χρησιμοποιούν τυλίγματα με μετατοπισμένη φάση προκειμένου να εξαλείψουν τις κύριες αρμονικές, όπως οι πέμπτης και έβδομης τάξης. Παράλληλα, οι μετασχηματιστές που κατατάσσονται σε κατηγορίες K-παράγοντα από K4 έως K20 κατασκευάζονται ειδικά για να αντέχουν τη θερμότητα που προκαλείται από τις αρμονικές, χωρίς να καταστρέφεται το μονωτικό τους στρώμα. Ωστόσο, δεν πρόκειται για συνηθισμένους μετασχηματιστές. Οι συνηθισμένοι τύποι τείνουν να γηράσκουν πολύ πιο γρήγορα όταν λειτουργούν με μη γραμμικά φορτία, ενώ αυτές οι ειδικές εκδόσεις διατηρούν χαμηλές θερμοκρασίες και συμμορφώνονται με τους κανονισμούς ακόμη και κατά την κανονική λειτουργία των ηλιακών συστημάτων. Η θερμική απεικόνιση που πραγματοποιήθηκε σε πραγματικές εγκαταστάσεις δείχνει ότι αυτοί οι βελτιστοποιημένοι μετασχηματιστές παραμένουν περίπου 15 βαθμούς Κελσίου ψυχρότεροι από τους συνηθισμένους μετασχηματιστές υπό παρόμοιες παραμορφωμένες συνθήκες φόρτισης. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας σημαίνει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού και λιγότερα προβλήματα στα σημεία σύνδεσης σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.

Μελλοντική Εξασφάλιση με Έξυπνη Παρακολούθηση και Προληπτική Συντήρηση

Ενσωμάτωση SCADA, παρακολούθηση θερμοκρασίας και μερικής εκκένωσης για την αξιοπιστία του μετασχηματιστή

Όταν οι μετασχηματιστές συνδέονται με συστήματα SCADA, οι χειριστές μπορούν να παρακολουθούν την απόδοσή τους σε πραγματικό χρόνο από ένα κεντρικό σημείο, σε όλους εκείνους τους διάσπαρτους πάνελ ηλιακών συλλεκτών. Αισθητήρες θερμοκρασίας ενσωματωμένοι σε διάφορα μέρη, όπως οι τυλίξεις, οι πυρήνες και —για τους μετασχηματιστές γεμισμένους με λάδι— επίσης στους χώρους λαδιού τους, εντοπίζουν ασυνήθιστα πρότυπα θέρμανσης πολύ πριν αρχίσει να επικρατεί επικίνδυνη υπερθέρμανση. Ένα άλλο σημαντικό εργαλείο είναι η παρακολούθηση των μερικών εκκενώσεων (PD), η οποία ανιχνεύει εκείνες τις υψηλής συχνότητας κορυφές ρεύματος που υποδηλώνουν πρώιμα σημάδια προβλημάτων μόνωσης, τα οποία μπορεί να παραλειφθούν εντελώς από τις συνηθισμένες δοκιμές. Αυτά τα συνδυασμένα χαρακτηριστικά μεταβάλλουν εντελώς τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η συντήρηση, μετατοπίζοντας την από μια αυστηρά προγραμματισμένη προσέγγιση προς μια προσέγγιση «όταν χρειάζεται», όπου οι επισκευές πραγματοποιούνται μόνο όταν προκύψει πραγματική ανάγκη. Πεδιακές μελέτες από οργανισμούς όπως το EPRI και το NREL δείχνουν ότι αυτή η προσέγγιση μειώνει τις απρόβλεπτες διακοπές λειτουργίας κατά περίπου 40 τοις εκατό. Όλη αυτή η συλλογή δεδομένων δημιουργεί ένα περιβάλλον όπου οι εταιρείες μπορούν να προβλέπουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού, να διαχειρίζονται πιο αποτελεσματικά τα αποθέματα ανταλλακτικών και να σχεδιάζουν στρατηγικά τις επενδύσεις τους, καθιστώντας τη συντήρηση των μετασχηματιστών όχι απλώς αντιδραστική, αλλά μια δραστηριότητα που συμβάλλει στη δημιουργία και βελτίωση της αξιοπιστίας του συστήματος με την πάροδο του χρόνου.

Συχνές ερωτήσεις

Ποια είναι η σημασία της υπερδιάστασης DC στις ηλιακές εγκαταστάσεις;

Η υπερδιάσταση DC επιτρέπει στις ηλιακές εγκαταστάσεις να αντιμετωπίζουν αιχμές ακτινοβολίας που υπερβαίνουν τις προβλέψεις των τυπικών δοκιμών, διασφαλίζοντας ότι οι μετασχηματιστές μπορούν να αντέξουν προσωρινά υπερφορτίσεις χωρίς σημαντικές απώλειες απόδοσης.

Είναι οι ξηροί μετασχηματιστές πλεονεκτικοί σε σχέση με τους εμβαπτιζόμενους σε λάδι μετασχηματιστές για εγκαταστάσεις σε οροφές;

Ναι, οι ξηροί μετασχηματιστές είναι συχνά πιο κατάλληλοι για εγκαταστάσεις σε οροφές λόγω του μη εύφλεκτου σχεδιασμού τους, της ασφάλειάς τους σε εσωτερικούς χώρους και της συμμόρφωσής τους με τους σύγχρονους κανονισμούς πυροπροστασίας.

Πώς μπορούν οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας να διασφαλίσουν τη συμμόρφωση με το δίκτυο όσον αφορά τις αρμονικές που παράγονται από ηλιακές εγκαταστάσεις;

Οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιήσουν μετασχηματιστές μειωτικούς αρμονικών και μετασχηματιστές που έχουν βαθμολογηθεί για συγκεκριμένους συντελεστές K, προκειμένου να διαχειριστούν τις αρμονικές και να διατηρήσουν τη συμμόρφωση με το δίκτυο σύμφωνα με τα πρότυπα του IEEE.

Ποιο ρόλο διαδραματίζει η ενσωμάτωση SCADA στη συντήρηση μετασχηματιστών;

Τα συστήματα SCADA επιτρέπουν την παρακολούθηση της απόδοσης σε πραγματικό χρόνο, βοηθώντας να εντοπιστούν εγκαίρως πιθανά προβλήματα, με αποτέλεσμα να καθίσταται δυνατή η προληπτική συντήρηση και να μειώνονται οι απρόβλεπτες διακοπές λειτουργίας.