Hogyan válasszunk transzformátorokat elosztott napelemes erőművekhez?

A transzformátor teljesítményének illesztése az elosztott napelemes termeléshez

A kVA-érték méretezése az inverter AC-kimenete, a DC-túlméretezés és az állandóan változó besugárzás alapján

A megfelelő méretű transzformátor kiválasztása azzal kezdődik, hogy megnézzük, mennyi váltóáramot tud maximálisan előállítani az inverter, például körülbelül 100 kW-ot. A legtöbb tervezés figyelembe veszi a DC-túlméretezési arányt, amely általában 1,2–1,5-szoros, mivel a napelemes rendszerek gyakran olyan sugárzási csúcsokat tapasztalnak, amelyek meghaladják a szokásos tesztek által előrejelzett értékeket. Vegyünk egy tipikus rendszert: egy 150 kWp DC tömböt egy 100 kW-os inverterhez kapcsolnak. Ebben az esetben ésszerű egy legalább 125 kVA névleges teljesítményű transzformátor, hogy kezelni tudja azokat a rövid ideig tartó túlterhelési eseményeket („clipping”), amikor a termelés ideiglenesen meghaladja a kapacitást. Több technikai tényező is számít. Először is ellenőrizni kell, mennyi ideig képes az inverter túlterhelési körülmények között működni – általában kb. 110–120 %-os túlterhelést bír el legfeljebb egy óráig. Ezután figyelembe kell venni a helyi időjárási mintákat is. A sivatagi területeken a napsugárzás naponta sokkal erősebb ingadozást mutat a nappal és az éjjel között, mint a partvidéki területeken, ahol a napsütés egész nap viszonylag egyenletes. Ne feledkezzünk meg a napelemek idővel bekövetkező minőségromlásáról sem. A panelek évente kb. 0,5 százalékkal veszítik el hatékonyságukat, ami valójában csökkenti a lefelé irányuló berendezések terhelését, mivel az idővel csökkenő harmonikus torzítás és hőfejlődés kevesebb terhelést jelent számukra.

Hőmérséklet-korrekció és terhelési tényező elemzése tetőre szerelt berendezések esetén

A tetőkön uralkodó környezeti hőmérséklet gyakran meghaladja a 40 °C-ot, ami – ha nem tesznek ellene semmit – körülbelül 15–20 százalékkal csökkenti a transzformátor teljesítményét. A legtöbb kereskedelmi célú napelemes rendszer úgyis kevesebb mint 60%-os terhelési tényezővel üzemel, így van lehetőség intelligens méretcsökkentésre is, amennyiben azt hatékony hőkezelési technikákkal kombinálják. Jól bevált megoldás a kényszerített levegőhűtés, valamint a tűzbiztos szigetelés, amely megfelel az IEEE C57.96 szabványnak, továbbá a működés során rendszeres hőmérséklet-ellenőrzés. A telephely sajátosságai is nagy jelentőséggel bírnak. Az olyan zárt térben vagy rossz szellőzésű környezetben elhelyezett transzformátorok alapértelmezett névleges teljesítménye akár 25%-kal is magasabb lehet, mint azoké, amelyeket jobb légáramlású kültéri helyen szereltek fel. Az ASHRAE és az IEEE is kiadott hőmodellezési irányelveket, amelyek ezt a megközelítést támogatják.

Száraz típusú vs. olajjal töltött transzformátorok: biztonság, hatékonyság és telephelyi alkalmasság

Tűzbiztonsági, szellőzési és beltéri telepítési korlátozások városi és kereskedelmi tetőkön

A városi és kereskedelmi tetőre telepített napelemes rendszerekhez a száraz típusú transzformátorok váltak az elsődleges választássá, mivel nem gyúlékony kialakításuk miatt biztonságosabbak. Ezek általában vákuumnyomás alatt impregnált epoxigyantás tekercsekkel készülnek, amelyek jelentősen biztonságosabbá teszik őket a hagyományos olajjal töltött modellekhez képest. Az olajjal hűtött rendszerek számos problémát vonnak maguk után, például gyúlékony hűtőközeg, potenciális szivárgások, valamint speciális infrastruktúrát igényelnek, mint például robbanásgátló alapok, további tartályozási intézkedések és megfelelő szellőztető rendszerek. A száraz típusú transzformátorokat közvetlenül épületek belsejében is el lehet helyezni olyan helyeken, ahol korlátozott a hely, és a biztonsági előírások a legfontosabbak – például liftaknákban, parkológarázsokban vagy több bérlő által megosztott tetőkön. Olyan városok, mint New York és Tokió, már konkrétan említik a száraz típusú transzformátorokat legújabb tűzvédelmi szabályaikban ezen típusú telepítéseknél, mivel működésük során – ha valami hibára fordul – általában önmagukat oltják le.

Hatékonysági megfelelés (DOE 2016, IEC 60076-20) és életciklus-költségek következményei

A mai száraz típusú transzformátorok elérik azokat a kulcsfontosságú hatékonysági szabványokat, amelyeket a szabályozások – például a DOE 2016 és az IEC 60076-20 – a harmonikus terhelésre vonatkozóan állítottak fel. A legjobb modellek közül néhány akár 99,3%-os hatékonyságot is elér 500–2500 kVA névleges teljesítménytartományban működés közben. Korábban az olajjal hűtött transzformátoroknak kis mértékben előnyük volt a maximális terhelésnél elérhető hatékonyság tekintetében. Ma azonban a száraz típusú transzformátorok hosszú távon gazdaságilag ésszerűbb megoldást jelentenek, különösen a különböző helyszíneken elosztott napenergia-berendezések esetében. Ezek a rendszerek nem igényelnek azt a rendszeres karbantartási munkát, amely az olajvizsgálatot, szűrést vagy a veszélyes folyadékok – amelyeket megfelelő módon kell megsemmisíteni – kezelését foglalja magában. Körülbelül 25 év alatt ez 20–30 százalékos megtakarítást eredményez a működtetési költségekben, annak ellenére, hogy általában kb. 15%-kal magasabb az elsődleges beszerzési költségük. Az eredmény: jobb tőkebefektetési megtérülés és lényegesen egyszerűbb eszközkezelés a jövőben.

Hálózati megfelelőség biztosítása harmonikus-terhelésre méretezett transzformátorokkal

Az IEEE 1547-2018 szabványban meghatározott összharmonikus torzítási (THD) határértékek teljesítése K-tényezős és harmonikus-kimittáló transzformátorok tervezésével

Az inverterek által napelemes rendszerekben termelt teljesítmény harmonikus torzításokat okoz, amelyek gyakran meghaladják az IEEE 1547-2018 szabványban a csatlakozási pontokra előírt 5%-os összharmonikus torzítási (THD) feszültséghatárt. E probléma kezelésére speciális transzformátorokat – úgynevezett harmonikus-kimittáló transzformátorokat – alkalmaznak, amelyek tekercselési elrendezése fáziseltolással készül, így kiküszöbölik a legjelentősebb harmonikusokat, például az ötödik és hetedik rendűeket. Ugyanakkor a K4-től K20-ig terjedő K-tényezővel jelölt transzformátorokat kifejezetten a harmonikusok által okozott hőterhelés kezelésére tervezték úgy, hogy szigetelőrétegeik ne sérüljenek meg. Ezek azonban nem a szokásos típusú transzformátorok. A hagyományos modellek nemlineáris terhelés mellett sokkal gyorsabban öregednek, míg ezek a specializált változatok akár normál napelemes üzemmel is hűvösek maradnak és megfelelnek a szabályozási előírásoknak. Valós üzembe helyezett rendszerekben végzett hőképalkotás során megállapították, hogy ezek az optimalizált transzformátorok körülbelül 15 °C-kal alacsonyabb hőmérsékleten működnek, mint a hasonló torzított terhelésnek kitett hagyományos modellek. Ez a hőmérsékletkülönbség hosszabb élettartamot biztosít a berendezéseknek, valamint kevesebb problémát okoz a csatlakozási pontokon a gyakorlati feltételek között.

Jövőbiztosítás intelligens monitorozással és előrejelző karbantartási funkciókkal

SCADA-integráció, hőmérséklet- és részleges kisülés-monitorozás a transzformátor megbízhatóságának biztosításához

Amikor a transzformátorokat SCADA-rendszerekhez csatlakoztatják, az üzemeltetők valós időben figyelhetik teljesítményüket központi helyről, még akkor is, ha a napelemes tömbök széles területen eloszlottak. A különböző alkatrészekbe – például a tekercsekbe, a magba, illetve olajtöltésű egységek esetében az olajtárolókba is – beépített hőmérséklet-érzékelők már jóval korábban észlelik a rendellenes hőmérséklet-eloszlást, mint amikor a hőmérséklet veszélyes szintre emelkedne. Egy másik fontos eszköz a parazita kisülés (PD) figyelése, amely azon magasfrekvenciás áramcsúcsokat érzékeli, amelyek a szigetelési problémák korai jelei – ezeket a jelenségeket a szokásos vizsgálatok gyakran teljesen kihagyhatják. Ezek a kombinált funkciók teljesen megváltoztatják a karbantartás módját: a szigorúan ütemezett ellenőrzésekről áttérnek a csak szükség szerinti hibaelhárításra. A mezőben végzett kutatásokat például az EPRI és az NREL szervezetek végezték, és kimutatták, hogy ezen megközelítés segítségével az váratlan leállások száma körülbelül 40 százalékkal csökken. Az összegyűjtött adatok lehetővé teszik, hogy a cégek pontosabban becsüljék meg a berendezések élettartamát, hatékonyabban kezeljék a pótalkatrészkészletet, és stratégiai szempontból tervezhessék beruházásaikat – így a transzformátor-karbantartás nem csupán reaktív, hanem olyan tevékenység is, amely fokozatosan növeli a rendszer megbízhatóságát.

GYIK

Mi a DC-túlméretezés jelentősége a napelemes rendszerekben?

A DC-túlméretezés lehetővé teszi, hogy a napelemes rendszerek kezeljék azokat az irradiációs csúcsokat, amelyek meghaladják a szokásos tesztek által előrejelzett értékeket, így biztosítva, hogy a transzformátorok ideiglenes túlterheléseket is elbírjanak jelentős hatásfok-veszteség nélkül.

Előnyösebbek-e a száraz típusú transzformátorok a olajjal hűtött transzformátoroknál tetőre szerelhető alkalmazások esetén?

Igen, a száraz típusú transzformátorok gyakran alkalmasabbak tetőre szerelhető alkalmazásokhoz, mivel nem gyúlékonyak, biztonságosak beltéri helyeken, és megfelelnek a modern tűzvédelmi előírásoknak.

Hogyan biztosíthatják a villamosenergia-szolgáltatók a hálózati szabályozási előírások betartását a napelemek által generált harmonikusok tekintetében?

A villamosenergia-szolgáltatók harmonikusok csökkentésére alkalmas transzformátorokat és adott K-tényezőre méretezett transzformátorokat használhatnak a harmonikusok kezelésére és az IEEE-szabványoknak megfelelő hálózati szabályozási előírások betartásának biztosítására.

Milyen szerepet játszik a SCADA-integráció a transzformátorok karbantartásában?

Az SCADA-rendszerek lehetővé teszik a valós idejű teljesítményfigyelést, segítve a lehetséges problémák korai észlelését, így előrejelző karbantartást tesznek lehetővé, és csökkentik a váratlan leállásokat.