Jak wybrać transformatory do rozproszonych elektrowni fotowoltaicznych?

Dopasowanie mocy transformatora do mocy generowanej przez rozproszone elektrownie PV

Dobór mocy znamionowej w kVA na podstawie wyjściowej mocy przemiennika, nadmiernego wymiarowania obwodu prądu stałego oraz zmienności nasłonecznienia

Dobór odpowiedniego transformatora o odpowiedniej mocy zaczyna się od analizy maksymalnej mocy wyjściowej prądu przemiennego (AC) falownika, np. około 100 kW. W większości projektów uwzględnia się współczynniki nadmiernego wymiarowania obwodu prądu stałego (DC) w zakresie od 1,2× do 1,5×, ponieważ instalacje fotowoltaiczne często doświadczają szczytów natężenia promieniowania przekraczających wartości przewidywane w standardowych testach. Przyjmijmy typowy układ składający się z 150 kWp DC paneli słonecznych połączonych z falownikiem o mocy 100 kW. W tym przypadku rozsądne jest zastosowanie transformatora o mocy znamionowej co najmniej 125 kVA, aby obsłużyć okazjonalne zdarzenia ograniczania mocy (clipping), gdy chwilowa produkcja przekracza moc znamionową układu. Kilka czynników ma znaczenie techniczne. Po pierwsze, należy sprawdzić, jak długo falownik jest w stanie pracować w warunkach przeciążenia – zwykle wynosi to od 110% do 120% mocy znamionowej przez czas do jednej godziny. Następnie należy wziąć pod uwagę lokalne wzory pogodowe: w regionach pustynnych zmiany natężenia promieniowania między dniem a nocą są znacznie bardziej gwałtowne niż w obszarach przybrzeżnych, gdzie nasłonecznienie pozostaje przez cały dzień bardziej stabilne. Nie należy również zapominać o degradacji paneli: ich sprawność maleje średnio o około 0,5% rocznie, co w rzeczywistości przyczynia się do zmniejszenia obciążenia urządzeń znajdujących się dalej w układzie, ponieważ harmoniczne i ciepło gromadzą się w mniejszym stopniu wraz upływem czasu.

Analiza obniżenia mocy cieplnej i współczynnika obciążenia dla instalacji na dachach

Temperatury otoczenia na dachach często przekraczają 40 stopni Celsjusza, co powoduje zmniejszenie mocy transformatora o około 15–20 procent, jeśli nie podjęto żadnych działań korygujących. Większość komercyjnych systemów fotowoltaicznych i tak pracuje z współczynnikiem obciążenia poniżej 60%, więc istnieje możliwość inteligentnego zmniejszenia mocy znamionowej w połączeniu z efektywnymi technikami zarządzania temperaturą. Skuteczne okazują się chłodzenie wymuszone powietrzem oraz niepalne materiały izolacyjne spełniające normę IEEE C57.96, a także regularne pomiary temperatury w trakcie eksploatacji. Istotne są również szczegóły lokalizacji. Transformatory zamontowane w zamkniętych przestrzeniach lub miejscach o słabej wentylacji mogą wymagać mocy znamionowej nawet o 25% wyższej niż transformatory umieszczone na zewnątrz, gdzie przepływ powietrza jest lepszy. Zarówno ASHRAE, jak i IEEE opublikowały wytyczne dotyczące modelowania cieplnego wspierające tę metodę.

Transformatory suchego typu kontra transformatory olejowe: bezpieczeństwo, sprawność i przydatność do danej lokalizacji

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa przeciwpożarowego, wentylacji oraz instalacji wewnątrz pomieszczeń dla dachów miejskich i komercyjnych

W przypadku instalacji fotowoltaicznych na dachach budynków miejskich i komercyjnych transformatory suchego typu stały się rozwiązaniem preferowanym ze względu na ich konstrukcję niepalną. Zazwyczaj wyposażone są one w uzwojenia z żywicy epoksydowej zainiektowanej pod próżnią i pod ciśnieniem, co czyni je znacznie bezpieczniejszymi niż tradycyjne transformatory olejowe. Systemy zanurzone w oleju wiążą się z różnego rodzaju problemami, takimi jak łatwopalny środek chłodzący, potencjalne wycieki oraz konieczność stosowania specjalnej infrastruktury – np. wytrzymałych na wybuch pomieszczeń technicznych, dodatkowych środków zapobiegawczych przed rozlewem oleju oraz odpowiednich systemów wentylacji. Transformatory suchego typu można instalować bezpośrednio wewnątrz budynków, również w miejscach o ograniczonej przestrzeni i surowych wymogach bezpieczeństwa – np. w szybach wind, na parkingach garażowych lub na wspólnych dachach wielu najemców. Miasta takie jak Nowy Jork i Tokio wymieniają obecnie transformatory suchego typu w swoich najnowszych przepisach przeciwpożarowych dotyczących tego rodzaju instalacji, ponieważ w przypadku awarii podczas eksploatacji mają one tendencję do samoczynnego gaszenia się.

Zgodność z wymogami dotyczącymi efektywności (DOE 2016, IEC 60076-20) oraz skutki dla całkowitych kosztów cyklu życia

Współczesne transformatory suchego typu spełniają kluczowe normy efektywności określone w przepisach takich jak DOE 2016 i IEC 60076-20 w zakresie tolerancji harmonicznych. Niektóre z najlepszych modeli osiągają nawet około 99,3 % efektywności przy mocy znamionowej w zakresie od 500 do 2500 kVA. Dawniej transformatory zanurzone w oleju miały niewielką przewagę pod względem efektywności przy obciążeniu maksymalnym. Obecnie jednak transformatory suchego typu są ekonomicznie bardziej opłacalne na dłuższą metę, szczególnie w instalacjach fotowoltaicznych rozproszonych na różnych terenach. Takie systemy nie wymagają regularnej konserwacji związanej z badaniem oleju, jego filtrowaniem ani obsługą niebezpiecznych cieczy, które należy prawidłowo utylizować. W okresie około 25 lat firmy oszczędzają w ten sposób około 20–30 % kosztów eksploatacji, mimo że początkowy koszt zakupu jest zwykle o ok. 15 % wyższy. Ostatecznym rezultatem jest lepsza rentowność inwestycji oraz znacznie łatwiejsze zarządzanie aktywami w perspektywie długoterminowej.

Zapewnienie zgodności z siecią przy użyciu transformatorów zaprojektowanych z uwzględnieniem harmonicznych

Spełnianie limitów THD zgodnie ze standardem IEEE 1547-2018 przy użyciu transformatorów o współczynniku K oraz transformatorów redukujących wpływ harmonicznych

Moc generowana przez falowniki w systemach fotowoltaicznych powoduje zniekształcenia harmoniczne, które często przekraczają ustaloną w normie IEEE 1547-2018 granicę 5% całkowitego współczynnika zniekształceń harmonicznych (THD) napięcia w punktach przyłączenia. Aby rozwiązać ten problem, stosuje się specjalne transformatory zwane tłumikami harmonicznych, które wykorzystują układy uzwojeń przesuniętych fazowo w celu eliminacji dominujących harmonicznych, takich jak harmoniczne piątego i siódmego rzędu. Tymczasem transformatory o klasie obciążalności K (współczynnik K), o wartościach od K4 do K20, są konstruowane specjalnie tak, aby wytrzymać ciepło generowane przez składowe harmoniczne bez uszkadzania warstw izolacyjnych. Nie są to jednak typowe transformatory. Standardowe modele zużywają się znacznie szybciej pod wpływem obciążeń nieliniowych, natomiast te specjalizowane wersje zapewniają chłodzenie i zgodność z wymaganiami nawet w trakcie normalnej pracy systemów fotowoltaicznych. Badania termowizyjne przeprowadzone w rzeczywistych instalacjach wykazały, że te zoptymalizowane transformatory pozostają średnio o ok. 15 °C chłodniejsze niż standardowe transformatory podobnie obciążone zniekształconymi prądami. Różnica temperatur oznacza dłuższą żywotność urządzeń oraz mniejszą liczbę problemów w punktach przyłączenia w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

Zabezpieczenie przyszłości dzięki inteligentnym funkcjom monitoringu i konserwacji predykcyjnej

Integracja z systemem SCADA, monitorowanie temperatury oraz częściowych wyładowań w celu zapewnienia niezawodności transformatorów

Gdy transformatory są podłączone do systemów SCADA, operatorzy mogą monitorować ich pracę w czasie rzeczywistym bezpośrednio ze scentralizowanego miejsca, obejmującego wszystkie rozproszone układy paneli słonecznych. Czujniki temperatury wbudowane w różne elementy — takie jak uzwojenia, rdzenie oraz (w przypadku transformatorów olejowych) również w komorach oleju — wykrywają nietypowe wzorce nagrzewania znacznie wcześniej, niż temperatura osiągnie niebezpieczne poziomy. Innym ważnym narzędziem jest monitoring wyładowań cząstkowych (PD), który rejestruje wysokoczęstotliwościowe skoki prądu sygnalizujące wczesne oznaki uszkodzeń izolacji — zjawiska, które standardowe badania mogą całkowicie przeoczyć. Te połączone funkcje całkowicie zmieniają podejście do konserwacji, przesuwając się od rygorystycznie przestrzeganych, zaplanowanych przeglądów ku naprawom wykonywanym wyłącznie w razie potrzeby. Badania terenowe przeprowadzone przez organizacje takie jak EPRI i NREL wykazały, że takie podejście redukuje nieplanowane wyłączenia o około 40 procent. Wszelkie te dane tworzą środowisko, w którym firmy mogą lepiej przewidywać żywotność urządzeń, efektywniej zarządzać zapasami części zamiennych oraz strategicznie planować inwestycje, czyniąc konserwację transformatorów nie tylko reaktywną, ale także czynnikiem budującym niezawodność całego systemu w dłuższej perspektywie czasowej.

Często zadawane pytania

Jakie jest znaczenie przewymiarowania obwodu prądu stałego w instalacjach fotowoltaicznych?

Przewymiarowanie obwodu prądu stałego pozwala instalacjom fotowoltaicznym radzić sobie z szczytami natężenia promieniowania przekraczającymi prognozy wynikające ze standardowych testów, zapewniając, że transformatory są w stanie przyjmować chwilowe przeciążenia bez istotnych strat wydajności.

Czy transformatory suchego typu są bardziej korzystne niż transformatory olejowe w przypadku instalacji na dachach?

Tak, transformatory suchego typu są często bardziej odpowiednie dla instalacji na dachach ze względu na ich konstrukcję niepalną, bezpieczeństwo w pomieszczeniach zamkniętych oraz zgodność z nowoczesnymi przepisami przeciwpożarowymi.

W jaki sposób operatorzy sieci mogą zapewnić zgodność sieci z harmonicznymi generowanymi przez systemy fotowoltaiczne?

Operatorzy sieci mogą stosować transformatory redukujące harmoniczne oraz transformatory o określonej klasie współczynnika K w celu kontrolowania harmonicznych i utrzymania zgodności z siecią zgodnie ze standardami IEEE.

Jaką rolę odgrywa integracja z systemem SCADA w utrzymaniu transformatorów?

Systemy SCADA umożliwiają monitorowanie wydajności w czasie rzeczywistym, co pozwala na wcześniejsze wykrywanie potencjalnych problemów, umożliwiając tym samym konserwację predykcyjną i zmniejszając nieplanowane wyłączenia.