Как выбрать трансформаторы для распределённых фотоэлектрических электростанций?

Согласование мощности трансформатора с распределённой генерацией на основе фотоэлектрических модулей

Определение номинальной мощности в кВА на основе переменного тока на выходе инвертора, переразмеровки по постоянному току и изменчивости солнечной радиации

Правильный выбор трансформатора по мощности начинается с анализа максимальной выходной мощности инвертора в сети переменного тока, например, около 100 кВт. В большинстве проектов предусматривается коэффициент переразмерения постоянного тока в диапазоне от 1,2× до 1,5×, поскольку солнечные электростанции нередко подвергаются всплескам солнечной освещённости, превышающим прогнозируемые при стандартных испытаниях. Рассмотрим типичную конфигурацию: массив постоянного тока мощностью 150 кВтp подключён к инвертору переменного тока мощностью 100 кВт. В этом случае разумно выбрать трансформатор номинальной мощностью не менее 125 кВА, чтобы обеспечить надёжную работу при кратковременных случаях ограничения выходной мощности (clipping), когда выработка временно превышает установленную мощность. С технической точки зрения следует учитывать несколько факторов. Во-первых, необходимо проверить продолжительность допустимой перегрузки инвертора — как правило, это 110–120 % от номинала в течение часа. Затем следует учесть местные климатические особенности: в пустынных регионах суточные колебания солнечной освещённости значительно резче, чем в прибрежных зонах, где интенсивность солнечного света в течение дня остаётся более стабильной. Не следует забывать и об деградации солнечных панелей: их эффективность снижается примерно на 0,5 % ежегодно; это, в свою очередь, способствует снижению нагрузки на последующее оборудование, поскольку со временем уменьшается уровень гармоник и тепловыделение.

Анализ термического снижения мощности и коэффициента загрузки для установок на крышах

Температура окружающей среды на крышах зачастую превышает 40 градусов Цельсия, что приводит к снижению мощности трансформатора примерно на 15–20 %, если не предпринимать никаких мер. Большинство коммерческих фотогальванических систем и так работают с коэффициентом загрузки менее 60 %, поэтому при совместном применении эффективных методов теплового управления имеется возможность рационального уменьшения номинальной мощности. Хорошо зарекомендовало себя принудительное воздушное охлаждение, а также негорючая изоляция, соответствующая стандарту IEEE C57.96, плюс регулярный контроль температуры в течение всего периода эксплуатации. Специфика площадки также имеет большое значение. Трансформаторы, установленные в замкнутых помещениях или в зонах с плохой вентиляцией, могут требовать базовых номиналов, повышенных на 25 % по сравнению с трансформаторами, размещёнными на открытом воздухе, где воздушный поток лучше. Как ASHRAE, так и IEEE опубликовали руководства по тепловому моделированию, подтверждающие данный подход.

Сухие трансформаторы против маслонаполненных трансформаторов: безопасность, эффективность и пригодность для конкретного объекта

Требования пожарной безопасности, вентиляции и установки внутри помещений для городских и коммерческих крыш

Для солнечных установок на городских и коммерческих крышах сухие трансформаторы стали предпочтительным решением благодаря своей негорючей конструкции. Обычно они оснащаются обмотками из эпоксидной смолы, пропитанной в вакуумно-давленной среде, что делает их значительно безопаснее по сравнению с традиционными маслонаполненными моделями. Маслонаполненные системы сопряжены со множеством проблем: горючий теплоноситель, потенциальные утечки, а также необходимость специальной инфраструктуры — например, взрывозащищённых помещений, дополнительных мер по containment (ограничению распространения) и надлежащих систем вентиляции. Сухие трансформаторы можно устанавливать непосредственно внутри зданий — в местах, где пространство ограничено, а требования к безопасности особенно строги: например, в шахтах лифтов, паркингах или на общих крышах, используемых несколькими арендаторами. Такие города, как Нью-Йорк и Токио, теперь прямо указывают в своих последних противопожарных нормах на необходимость применения сухих трансформаторов при подобных установках, поскольку в случае аварии такие трансформаторы, как правило, самостоятельно гасят возгорание.

Соответствие требованиям по эффективности (DOE 2016, IEC 60076-20) и последствия для совокупной стоимости владения в течение всего жизненного цикла

Современные сухие трансформаторы соответствуют ключевым нормативным требованиям к энергоэффективности, таким как DOE 2016 и IEC 60076-20, в том числе по допустимости гармоник. Некоторые из лучших моделей достигают КПД около 99,3 % при работе в диапазоне мощностей от 500 до 2500 кВА. Ранее маслонаполненные трансформаторы имели небольшое преимущество в плане КПД при максимальной нагрузке. Однако сегодня сухие трансформаторы экономически выгоднее в долгосрочной перспективе, особенно для солнечных электростанций, размещённых на различных площадках. Такие системы не требуют регулярного технического обслуживания, связанного с анализом масла, его фильтрацией или обращением с опасными жидкостями, требующими специальной утилизации. За период около 25 лет это позволяет компаниям сэкономить примерно от 20 до 30 % эксплуатационных расходов, несмотря на то, что первоначальная стоимость таких трансформаторов обычно на 15 % выше. Итог: более высокая рентабельность инвестиций и существенно упрощённое управление активами в будущем.

Обеспечение соответствия электросети с использованием трансформаторов, рассчитанных на гармоники

Соблюдение предельных значений общего коэффициента гармоник (THD) по стандарту IEEE 1547-2018 с применением трансформаторов с коэффициентом K и трансформаторов, подавляющих гармоники

Мощность, вырабатываемая инверторами в солнечных системах, создаёт гармонические искажения, которые зачастую превышают установленный стандартом IEEE 1547-2018 предел общего коэффициента гармонических искажений (THD) по напряжению — 5 % — в точках подключения. Для решения этой проблемы применяются специальные трансформаторы, называемые фильтрами гармоник, в которых обмотки выполнены с фазовым сдвигом, позволяющим устранить основные гармоники, такие как пятая и седьмая. В то же время трансформаторы с рейтингом по коэффициенту K в диапазоне от K4 до K20 специально разработаны для отвода тепла, вызванного гармониками, без повреждения изоляционных слоёв. Однако это не обычные трансформаторы. Стандартные модели при работе с нелинейными нагрузками значительно быстрее стареют, тогда как эти специализированные версии обеспечивают стабильную работу в штатном режиме эксплуатации солнечных систем, сохраняя температурный режим в допустимых пределах и соответствуя нормативным требованиям. Тепловизионные исследования, проведённые на реальных объектах, показывают, что такие оптимизированные трансформаторы работают примерно на 15 °C холоднее по сравнению с обычными трансформаторами при одинаковых искажённых нагрузках. Такая разница температур обеспечивает более длительный срок службы оборудования и снижает количество проблем в точках подключения в реальных условиях эксплуатации.

Обеспечение будущей совместимости с помощью интеллектуального мониторинга и возможностей прогнозного технического обслуживания

Интеграция SCADA, контроль температуры и частичных разрядов для повышения надёжности трансформаторов

Когда трансформаторы подключаются к системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), операторы могут в режиме реального времени контролировать их работу непосредственно из центрального пункта управления на всех удалённых солнечных электростанциях. Датчики температуры, встроенные в различные компоненты — обмотки, магнитопроводы, а также в масляные отсеки маслонаполненных трансформаторов, выявляют аномальные тепловые процессы задолго до того, как температура достигнет опасного уровня. Ещё одним важным инструментом является мониторинг частичных разрядов (PD), позволяющий регистрировать высокочастотные импульсы тока, которые сигнализируют о первых признаках проблем с изоляцией — а такие дефекты зачастую остаются незамеченными при проведении стандартных испытаний. Совокупность этих функций кардинально меняет подход к техническому обслуживанию: вместо строгого следования графику плановых проверок переходят к устранению неисправностей исключительно по мере необходимости. Полевые исследования, проведённые такими организациями, как EPRI и NREL, показывают, что такой подход снижает количество незапланированных отключений примерно на 40 %. Всё это накопленное данные формируют среду, в которой компании могут точнее прогнозировать срок службы оборудования, эффективнее управлять запасами запасных частей и стратегически планировать инвестиции, превращая техническое обслуживание трансформаторов из реактивной меры в активный инструмент повышения надёжности всей энергосистемы на протяжении всего жизненного цикла.

Часто задаваемые вопросы

Какова важность увеличения номинальной мощности постоянного тока (DC) в солнечных установках?

Увеличение номинальной мощности постоянного тока (DC) позволяет солнечным установкам справляться с всплесками солнечной радиации, превышающими прогнозируемые при стандартных испытаниях, обеспечивая возможность трансформаторам кратковременно выдерживать перегрузки без существенных потерь эффективности.

Являются ли сухие трансформаторы более предпочтительными по сравнению с маслонаполненными трансформаторами для установок на крышах?

Да, сухие трансформаторы зачастую более подходят для установок на крышах благодаря их негорючей конструкции, безопасности при эксплуатации в закрытых помещениях и соответствию современным нормам пожарной безопасности.

Каким образом энергоснабжающие организации могут обеспечить соответствие электросети гармоникам, генерируемым солнечными электростанциями?

Энергоснабжающие организации могут использовать трансформаторы, предназначенные для подавления гармоник, а также трансформаторы, рассчитанные на конкретные коэффициенты K, для управления гармониками и обеспечения соответствия требованиям стандартов IEEE.

Какую роль играет интеграция с системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) в техническом обслуживании трансформаторов?

Системы SCADA позволяют осуществлять мониторинг производительности в реальном времени, что помогает выявлять потенциальные проблемы на ранней стадии и, таким образом, обеспечивает прогнозное техническое обслуживание и снижает количество незапланированных остановок.