Kako izbrati transformatorje za razpršene fotovoltaične elektrarne?

Prilagajanje zmogljivosti transformatorja razpršeni fotovoltaični proizvodnji

Določanje kVA zmogljivosti na podlagi izmeničnega izhoda pretokovnika, prekomerne izmerjene enosmerne moči in spremenljivosti osvetlitve

Izbira ustreznega transformatorja po velikosti se začne z analizo največje izhodne moči pretvornika na izmenični tok, na primer približno 100 kW. Večina načrtov vključuje razmerja prevelikega izvajanja na DC-strani med 1,2× in 1,5×, saj sončne elektrarne pogosto izkušajo vrhove obsevanosti, ki presegajo napovedi standardnih preskusov. Vzemimo tipično namestitev z DC-poljem 150 kWp, povezanim z 100 kW pretvornikom. Transformator z nazivno močjo vsaj 125 kVA je v tem primeru smiseln, da lahko obravnava tiste redke dogodke omejevanja (clipping), ko proizvodnja začasno presega zmogljivost. Tehnično gledano je pomembnih več dejavnikov. Najprej preverite, koliko časa pretvornik zmore vzdržati preobremenitvene pogoje – običajno okoli 110–120 % največje nazivne moči do enega ure. Nato upoštevajte lokalne vremenske razmere. V puščavnih predelih so dnevno-nočni spiki obsevanosti bistveno bolj izraziti kot v obalnih predelih, kjer ostaja sončna svetloba skozi dan bolj enakomerna. Ne pozabite tudi na staranje modulov. Moduli vsako leto izgubijo približno pol odstotka učinkovitosti, kar dejansko zmanjšuje obremenitev opreme v nadaljnji verigi, saj se harmonike in toplota s časom manj nabirata.

Toplotna znižana izkoriščenost in analiza faktorja obremenitve za namestitve na strehah

Zunanje temperature na strehah pogosto presegajo 40 stopinj Celzija, kar zmanjša zmogljivost transformatorja za približno 15 do 20 odstotkov, če se za to ne sprejme nobenih ukrepov. Večina komercialnih fotovoltaičnih sistemov tako ali tako deluje pri manj kot 60-odstotnem faktorju obremenitve, zato je pri kombinaciji z učinkovitimi tehnikami toplotnega upravljanja prostor tudi za pametno zmanjšanje dimenzij. Zelo učinkovito je prisilno hlajenje z zrakom, poleg tega pa tudi nevnetljiva izolacija, ki izpolnjuje standarde IEEE C57.96, ter redni nadzori temperatur med obratovanjem. Pomembno je tudi specifično mesto namestitve. Transformatorji, nameščeni v zaprtih prostorih ali območjih z slabim prezračevanjem, morda potrebujejo osnovne nazivne vrednosti, ki so za do 25 odstotkov višje v primerjavi z zunanjimi namestitvami, kjer je pretok zraka boljši. Oba organizaciji, ASHRAE in IEEE, sta objavili smernice za toplotno modeliranje, ki podpirajo ta pristop.

Suhi transformatorji nasproti oljnemu izvedbi: varnost, učinkovitost in primernost za lokacijo

Zahteve glede požarne varnosti, prezračevanja in namestitve v zaprtih prostorih za mestne in komercialne strehe

Za urbanske in komercialne sončne instalacije na strehah so suhi transformatorji postali najpogosteje izbirana možnost zaradi njihove nevnetljive konstrukcije. Ti običajno vključujejo navitja iz epoksidne smole, impregnirane pod vakuumskim tlakom, kar jih naredi veliko varnejše kot tradicionalni oljno hladeni modeli. Oljno potopljene sisteme spremljajo različni problemi, kot so vnetljivo hladilno sredstvo, morebitne uhajanja ter zahteva po posebni infrastrukturi, na primer po eksplozijsko varnih skrinjah, dodatnih ukrepih za zadrževanje tekočin ter ustrezni prezračevalni opremi. Suhe transformatorje je mogoče namestiti neposredno znotraj stavb, tudi v prostorih z omejenim prostorom, kjer je varnostna regulativa najpomembnejša – na primer v liftarskih jaških, garažah ali na skupnih strehah večih najemnikov. Mesta, kot sta New York in Tokio, v svojih najnovejših protipožarnih predpisih za take instalacije posebej omenjajo suhe transformatorje, saj se pri okvari med obratovanjem sami ugasnejo.

Ujemanje z zahtevami učinkovitosti (DOE 2016, IEC 60076-20) in posledice za stroške življenjskega cikla

Današnji suhi transformatorji dosegajo ključne standarde učinkovitosti, določene v predpisih, kot so DOE 2016 in IEC 60076-20, kar se tiče tolerancije harmonikov. Nekateri najboljši modeli dosežejo celo učinkovitost okoli 99,3 % pri obratovanju v močnostnem obsegu od 500 do 2500 kVA. V preteklosti so imeli oljnati transformatorji nekoliko večjo učinkovitost pri nazivni obremenitvi. Danes pa so suhi transformatorji gospodarsko bolj smiselni na daljši rok, še posebej za sončne elektrarne, razpršene po različnih lokacijah. Ti sistemi ne potrebujejo redne vzdrževalne dejavnosti, povezane z analizo olja, filtriranjem ali ravnanjem z nevarnimi tekočinami, ki jih je treba ustrezno odstraniti. V času približno 25 let to podjetjem prihrani približno 20 do celo 30 odstotkov obratovalnih stroškov, čeprav so njihovi začetni stroški običajno za približno 15 % višji. Končni rezultat je torej višja donosnost naložbe in znatno lažje upravljanje sredstev v prihodnosti.

Zajemanje skladnosti z omrežjem z transformatorji, ki so ocenjeni za harmonike

Izpolnjevanje omejitev THD po IEEE 1547-2018 z uporabo transformatorjev z dejavnikom K in transformatorjev za zmanjševanje harmonikov

Moč, ki jo v sončnih sistemih ustvarjajo pretvorniki, povzroča harmonske izkrivitve, ki pogosto presegajo omejitev napetostne skupne harmonske izkrivitve (THD) 5 %, določeno v standardu IEEE 1547-2018 na točkah priključitve. Za reševanje tega problema se uporabljajo posebni transformatorji, imenovani zmanjševalniki harmonik, ki z različnimi faznimi zamiki navitij izločijo glavne harmonike, kot so peti in sedmi red. Medtem so transformatorji z ustreznimi K-faktorji (od K4 do K20) zgrajeni posebej za obravnavo toplote, ki jo povzročajo harmonike, brez poškodovanja njihovih izolacijskih plasti. To niso običajni transformatorji. Redni modeli se namreč zaradi nelinearnih obremenitev hitreje starajo, medtem ko ti specializirani modeli ohranjajo nižjo temperaturo in skladnost tudi med običajnim delovanjem sončnih sistemov. Termično slikanje v dejanskih namestitvah kaže, da ti optimizirani transformatorji ostanejo približno 15 °C hladnejši od običajnih transformatorjev pri podobnih izkrivljenih obremenitvah. Ta razlika v temperaturi pomeni daljšo življenjsko dobo opreme in manj težav na točkah priključitve v dejanskih pogojih.

Priprava na prihodnost z pametnim nadzorom in prediktivnimi vzdrževalnimi funkcijami

Integracija SCADA, nadzor temperature in delnega izboja za zanesljivost transformatorjev

Ko se transformatorji povežejo s sistemi SCADA, lahko operaterji v realnem času spremljajo njihovo delovanje neposredno iz centralne lokacije na vseh razpršenih sončnih elektrarnah. Temperaturni senzorji, vgrajeni v različne dele, kot so navitja, jedra in pri oljno napolnjenih enotah tudi znotraj oljnih prostorov, zaznajo nenavadne toplotne vzorce že dolgo pred tem, ko se temperature začnejo nevarno dvigovati. Drug pomemben orodje je spremljanje parnega razboja (PD), ki zaznava visokofrekvenčne tokovne vrhove, ki kažejo na zgodnje znake težav z izolacijo – nekaj, kar redni preizkusi morda povsem spregledajo. Te združene funkcije popolnoma spremenijo način vzdrževanja in s tem premaknejo osnovo od strogega sledenja urniku rednih pregledov k vzdrževanju le ob dejanski potrebi. Poljska dela organizacij, kot sta EPRI in NREL, kažejo, da ta pristop zmanjša nenamerni izpad približno za 40 odstotkov. Vsi ti podatki ustvarjajo okolje, v katerem podjetja lahko natančneje napovedujejo življenjsko dobo opreme, učinkoviteje upravljajo zaloge nadomestnih delov in strategično načrtujejo investicije, kar pomeni, da vzdrževanje transformatorjev ni več le reaktivno, temveč dejansko prispeva k izgradnji zanesljivosti sistema s časom.

Pogosta vprašanja

Kakšna je pomembnost prevelikega izmeničnega toka (DC) pri sončnih elektrarnah?

Prevelik DC omogoča sončnim elektrarnam, da obvladujejo vrhove osvetlitve, ki presegajo napovedi standardnih preskusov, kar zagotavlja, da transformatorji lahko sprejmejo začasne preobremenitve brez pomembnih izgub učinkovitosti.

Ali so suhi transformatorji bolj prednostni kot oljno potopni transformatorji za namestitev na strehe?

Da, suhi transformatorji so pogosto bolj primerni za namestitev na strehe zaradi njihove neprodužljive konstrukcije, varnosti v notranjih prostorih in skladnosti z modernimi predpisi o požarni varnosti.

Kako lahko energetski podjetji zagotovijo skladnost omrežja z harmoniki, ki jih povzročajo sončne elektrarne?

Energetski podjetji lahko uporabljajo transformatorje za zmanjševanje harmonikov ter tiste, ki so ocenjeni za določene K-faktorje, da nadzorujejo harmonike in ohranijo skladnost z omrežjem v skladu s standardi IEEE.

Kakšno vlogo igra integracija SCADA pri vzdrževanju transformatorjev?

Sistemi SCADA omogočajo spremljanje delovanja v realnem času, kar pomaga zgodaj zaznati morebitne težave in s tem omogoča prediktivno vzdrževanje ter zmanjšuje nepričakovane izklope.