จะเลือกหม้อแปลงสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจายได้อย่างไร?

การจับคู่กำลังของหม้อแปลงให้สอดคล้องกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจาย

การคำนวณค่าเรตติ้ง kVA ตามค่าเอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์ การออกแบบ DC ที่มีกำลังเกิน (DC oversizing) และความแปรผันของความเข้มรังสีดวงอาทิตย์

การเลือกหม้อแปลงที่มีขนาดเหมาะสมเริ่มต้นจากการพิจารณาความสามารถในการส่งออกไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) สูงสุดของอินเวอร์เตอร์ เช่น ประมาณ 100 กิโลวัตต์ ในการออกแบบส่วนใหญ่ มักคำนึงถึงอัตราส่วนการเพิ่มกำลังไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เกินค่าที่ระบุไว้ (DC oversizing ratio) ระหว่าง 1.2 เท่า ถึง 1.5 เท่า เนื่องจากโครงการพลังงานแสงอาทิตย์มักประสบกับภาวะความเข้มรังสีแสงแดด (irradiance) สูงผิดปกติซึ่งเกินกว่าที่การทดสอบมาตรฐานจะทำนายไว้ ตัวอย่างเช่น การติดตั้งระบบแบบทั่วไปที่ใช้แผงโซลาร์เซลล์ขนาด 150 กิโลวัตต์-พี (kWp) แบบ DC ต่อกับอินเวอร์เตอร์ขนาด 100 กิโลวัตต์ ดังนั้น หม้อแปลงที่มีกำลังขั้นต่ำ 125 กิโลโวลต์-แอมแปร์ (kVA) จึงเหมาะสมในกรณีนี้ เพื่อรองรับเหตุการณ์การตัดยอด (clipping events) ที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราวเมื่อการผลิตไฟฟ้าชั่วคราวเกินขีดจำกัดกำลังของระบบ ปัจจัยทางเทคนิคหลายประการมีความสำคัญ ประการแรก ควรตรวจสอบระยะเวลาที่อินเวอร์เตอร์สามารถทำงานภายใต้สภาวะโหลดเกินได้ โดยทั่วไปแล้วอินเวอร์เตอร์สามารถรองรับโหลดเกินได้ประมาณ 110–120% ของกำลังขั้นสูงสุดเป็นเวลาไม่เกินหนึ่งชั่วโมง จากนั้นพิจารณารูปแบบสภาพอากาศในพื้นที่ สำหรับพื้นที่ทะเลทราย มักมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มรังสีแสงแดดอย่างรุนแรงระหว่างกลางวันกับกลางคืน เมื่อเทียบกับพื้นที่ชายฝั่งซึ่งแสงแดดมีความสม่ำเสมอตลอดทั้งวันมากกว่า นอกจากนี้ อย่าลืมพิจารณาการเสื่อมประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ด้วย ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วแผงจะสูญเสียประสิทธิภาพประมาณร้อยละ 0.5 ต่อปี ซึ่งจริงๆ แล้วช่วยลดภาระความเครียดต่ออุปกรณ์ที่อยู่ด้านหลังระบบลง เพราะการเกิดฮาร์โมนิก (harmonics) และความร้อนสะสมจะลดลงตามกาลเวลา

การวิเคราะห์การลดกำลังเนื่องจากอุณหภูมิสูงและการวิเคราะห์ปัจจัยโหลดสำหรับการติดตั้งบนหลังคา

อุณหภูมิแวดล้อมบนหลังคามักสูงกว่า 40 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำให้กำลังของหม้อแปลงลดลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ หากไม่มีการดำเนินการใดๆ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ระบบโฟโตโวลเทอิกเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ทำงานที่ปัจจัยโหลดต่ำกว่า 60% อยู่แล้ว ดังนั้นจึงมีพื้นที่เพียงพอสำหรับการลดขนาดอย่างชาญฉลาดร่วมกับเทคนิคการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ การระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับให้ผลลัพธ์ที่ดี ควบคู่ไปกับฉนวนกันความร้อนที่ไม่ติดไฟและสอดคล้องตามมาตรฐาน IEEE C57.96 รวมทั้งการตรวจสอบอุณหภูมิเป็นระยะตลอดระยะเวลาการใช้งาน ลักษณะเฉพาะของสถานที่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน หม้อแปลงที่ติดตั้งในพื้นที่ปิดหรือบริเวณที่มีการระบายอากาศไม่ดีอาจจำเป็นต้องมีค่าเรตติ้งฐานสูงขึ้นถึง 25% เมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่ติดตั้งกลางแจ้งซึ่งมีการไหลเวียนของอากาศที่ดีกว่า ทั้ง ASHRAE และ IEEE ได้เผยแพร่แนวทางการสร้างแบบจำลองทางความร้อนที่สนับสนุนแนวทางนี้

หม้อแปลงแบบแห้งเทียบกับหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมัน: ความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และความเหมาะสมกับสถานที่ติดตั้ง

ข้อจำกัดด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัย การระบายอากาศ และการติดตั้งภายในอาคารสำหรับหลังคาเมืองและหลังคาเชิงพาณิชย์

สำหรับการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์บนหลังคาในเขตเมืองและอาคารเชิงพาณิชย์ หม้อแปลงแบบแห้ง (dry type transformers) ได้กลายเป็นตัวเลือกอันดับหนึ่ง เนื่องจากคุณสมบัติการออกแบบที่ไม่ติดไฟ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีขดลวดที่เคลือบด้วยเรซินอีพอกซีแบบสุญญากาศภายใต้ความดัน (vacuum pressure impregnated epoxy resin windings) ทำให้มีความปลอดภัยมากกว่าหม้อแปลงแบบใช้น้ำมันแบบดั้งเดิมอย่างเห็นได้ชัด ขณะที่ระบบหม้อแปลงแบบจุ่มน้ำมัน (oil immersed systems) นั้นมีปัญหานานัปการ เช่น ของเหลวหล่อเย็นที่ติดไฟได้ ความเสี่ยงของการรั่วซึม และจำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานพิเศษ เช่น ห้องเก็บแบบกันระเบิด ระบบกักเก็บเพิ่มเติม รวมถึงระบบระบายอากาศที่เหมาะสม หม้อแปลงแบบแห้งสามารถติดตั้งได้ภายในตัวอาคารเอง แม้ในพื้นที่ที่มีพื้นที่จำกัดและข้อกำหนดด้านความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุด เช่น ช่องลิฟต์ โรงจอดรถ หรือหลังคาที่ใช้ร่วมกันโดยผู้เช่าหลายราย เมืองต่าง ๆ เช่น นิวยอร์กและโตเกียว ได้ระบุอย่างชัดเจนในข้อบังคับด้านการดับเพลิงฉบับล่าสุดของตนว่า ต้องใช้หม้อแปลงแบบแห้งสำหรับการติดตั้งประเภทนี้ เนื่องจากหม้อแปลงชนิดนี้มีแนวโน้มที่จะดับตัวเองโดยอัตโนมัติหากเกิดความผิดปกติระหว่างการปฏิบัติงาน

การสอดคล้องตามเกณฑ์ประสิทธิภาพ (DOE 2016, IEC 60076-20) และผลกระทบต่อต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

หม้อแปลงแบบแห้งในปัจจุบันสามารถบรรลุมาตรฐานประสิทธิภาพหลักที่กำหนดโดยระเบียบข้อบังคับ เช่น DOE 2016 และ IEC 60076-20 ซึ่งเกี่ยวข้องกับความสามารถในการทนต่อฮาร์โมนิกได้แล้ว บางรุ่นชั้นนำที่สุดสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงถึงประมาณร้อยละ 99.3 เมื่อทำงานที่ความจุระหว่าง 500 ถึง 2500 kVA ในอดีต หม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมันมีข้อได้เปรียบเล็กน้อยในแง่ประสิทธิภาพที่โหลดสูงสุด แต่ปัจจุบัน หม้อแปลงแบบแห้งให้ผลตอบแทนทางเศรษฐกิจที่ดีกว่าในระยะยาว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งกระจายอยู่ทั่วหลายสถานที่ ระบบที่กล่าวมาไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอเช่น การตรวจสอบน้ำมัน การกรองน้ำมัน หรือการจัดการของเหลวอันตรายที่ต้องกำจัดอย่างเหมาะสม ตลอดระยะเวลาประมาณ 25 ปี บริษัทสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานได้ราวร้อยละ 20 ถึงแม้กระทั่งร้อยละ 30 แม้ว่าต้นทุนเริ่มต้นจะสูงกว่าประมาณร้อยละ 15 ก็ตาม สรุปคือ ให้ผลตอบแทนจากการลงทุนที่ดีกว่า และการจัดการสินทรัพย์ในอนาคตทำได้ง่ายขึ้นมาก

การรับรองความสอดคล้องกับระบบจ่ายไฟฟ้าโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้าที่ออกแบบสำหรับรับมือกับฮาร์โมนิก

การปฏิบัติตามขีดจำกัดค่า THD ตามมาตรฐาน IEEE 1547-2018 โดยใช้การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าแบบ K-factor และหม้อแปลงไฟฟ้าที่ลดผลกระทบจากฮาร์โมนิก

พลังงานที่อินเวอร์เตอร์สร้างขึ้นในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ก่อให้เกิดการบิดเบือนแบบฮาร์โมนิก (harmonic distortions) ซึ่งมักเกินขีดจำกัดของค่าความบิดเบือนแบบฮาร์โมนิกโดยรวม (Total Harmonic Distortion: THD) ที่กำหนดไว้ที่ร้อยละ 5 ตามมาตรฐาน IEEE 1547-2018 สำหรับจุดเชื่อมต่อ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ หม้อแปลงพิเศษที่เรียกว่า 'หม้อแปลงลดฮาร์โมนิก (harmonic mitigators)' ใช้การจัดเรียงขดลวดที่มีเฟสเลื่อนกันเพื่อกำจัดฮาร์โมนิกหลัก เช่น ฮาร์โมนิกลำดับที่ห้าและลำดับที่เจ็ด ขณะเดียวกัน หม้อแปลงที่ออกแบบให้มีค่า K-factor ตั้งแต่ K4 ถึง K20 ถูกผลิตขึ้นโดยเฉพาะเพื่อรองรับความร้อนที่เกิดจากฮาร์โมนิก โดยไม่ทำลายชั้นฉนวนของตัวหม้อแปลง อย่างไรก็ตาม หม้อแปลงเหล่านี้ไม่ใช่หม้อแปลงทั่วไปแต่อย่างใด รุ่นทั่วไปมักเสื่อมสภาพเร็วกว่ามากเมื่อทำงานกับโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear loads) แต่หม้อแปลงรุ่นพิเศษเหล่านี้สามารถรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับปลอดภัยและสอดคล้องตามข้อกำหนดได้แม้ในระหว่างการดำเนินงานปกติของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ผลการถ่ายภาพความร้อนจากการติดตั้งจริงแสดงให้เห็นว่า หม้อแปลงที่ผ่านการปรับแต่งนี้มีอุณหภูมิต่ำกว่าหม้อแปลงทั่วไปประมาณ 15 องศาเซลเซียส เมื่อเผชิญกับโหลดที่มีการบิดเบือนในระดับเท่ากัน ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ส่งผลให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์ยาวนานขึ้น และลดปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อภายใต้สภาวะการใช้งานจริง

การเตรียมความพร้อมสำหรับอนาคตด้วยระบบตรวจสอบอัจฉริยะและเทคโนโลยีการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์

การผสานรวมกับระบบ SCADA การตรวจสอบอุณหภูมิและการปล่อยประจุบางส่วนเพื่อความน่าเชื่อถือของหม้อแปลงไฟฟ้า

เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าถูกเชื่อมต่อกับระบบ SCADA ผู้ปฏิบัติงานสามารถตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานของหม้อแปลงแบบเรียลไทม์ได้ทันทีจากศูนย์ควบคุมกลาง แม้จะมีการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์กระจายอยู่ทั่วพื้นที่กว้างก็ตาม เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่ฝังไว้ภายในส่วนต่างๆ เช่น ขดลวด แกนเหล็ก และสำหรับหม้อแปลงชนิดเติมน้ำมันก็จะติดตั้งไว้ภายในช่องบรรจุน้ำมันด้วย ซึ่งสามารถตรวจจับรูปแบบความร้อนผิดปกติได้ล่วงหน้าเป็นเวลานาน ก่อนที่อุณหภูมิจะสูงขึ้นจนเข้าสู่ระดับอันตราย อีกเครื่องมือสำคัญหนึ่งคือการตรวจสอบการปล่อยประจุส่วนเกิน (PD monitoring) ซึ่งสามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่มีความถี่สูงซึ่งเป็นสัญญาณบ่งชี้ปัญหาเบื้องต้นของฉนวนไฟฟ้า—ซึ่งการทดสอบตามปกติอาจไม่สามารถตรวจพบได้เลยเลย คุณสมบัติทั้งหมดที่กล่าวมารวมกันนี้เปลี่ยนแปลงวิธีการบำรุงรักษาโดยสิ้นเชิง จากเดิมที่ยึดมั่นกับการตรวจสอบตามตารางเวลาอย่างเคร่งครัด มาเป็นการซ่อมแซมหรือบำรุงรักษาเฉพาะเมื่อมีความจำเป็นเท่านั้น ผลการศึกษาภาคสนามโดยองค์กรต่างๆ เช่น EPRI และ NREL แสดงให้เห็นว่าแนวทางนี้สามารถลดการหยุดทำงานแบบไม่คาดคิดลงได้ประมาณร้อยละ 40 การเก็บรวบรวมข้อมูลทั้งหมดนี้สร้างสภาพแวดล้อมที่บริษัทสามารถทำนายอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น จัดการสต๊อกอะไหล่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และวางแผนการลงทุนอย่างมีกลยุทธ์ ส่งผลให้การบำรุงรักษาหม้อแปลงไฟฟ้าไม่ใช่เพียงการตอบสนองต่อปัญหาเท่านั้น แต่ยังกลายเป็นกิจกรรมที่ช่วยเสริมสร้างความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวมอย่างต่อเนื่องอีกด้วย

คำถามที่พบบ่อย

ความสำคัญของการออกแบบระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ให้มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็นในระบบติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์คืออะไร

การกำหนดขนาดระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ให้ใหญ่เกินความจำเป็นช่วยให้ระบบติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์สามารถรองรับช่วงเวลาที่มีความเข้มของรังสีแสงอาทิตย์สูงผิดปกติ ซึ่งสูงกว่าค่าที่การทดสอบมาตรฐานทำนายไว้ จึงมั่นใจได้ว่าหม้อแปลงจะสามารถรับภาระเกินชั่วคราวได้โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ

หม้อแปลงแบบแห้งมีข้อได้เปรียบเหนือหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมันสำหรับการติดตั้งบนหลังคาหรือไม่

ใช่ หม้อแปลงแบบแห้งมักเหมาะสมกว่าสำหรับการติดตั้งบนหลังคา เนื่องจากมีการออกแบบให้ไม่ติดไฟ ปลอดภัยต่อการใช้งานในพื้นที่ภายในอาคาร และสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านการป้องกันอัคคีภัยสมัยใหม่

หน่วยงานจำหน่ายไฟฟ้าจะสามารถรับประกันความสอดคล้องกับระบบโครงข่ายไฟฟ้าเมื่อมีฮาร์โมนิกส์เกิดขึ้นจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างไร

หน่วยงานจำหน่ายไฟฟ้าสามารถใช้หม้อแปลงที่ลดฮาร์โมนิกส์และหม้อแปลงที่ได้รับการรับรองให้ใช้งานได้กับค่า K-factor ที่ระบุไว้เพื่อควบคุมฮาร์โมนิกส์และรักษาความสอดคล้องกับระบบโครงข่ายไฟฟ้าตามมาตรฐาน IEEE

การผสานรวมระบบ SCADA มีบทบาทอย่างไรต่อการบำรุงรักษาหม้อแปลง

ระบบ SCADA ช่วยให้สามารถตรวจสอบประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยในการตรวจจับปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้ตั้งแต่เนิ่นๆ จึงทำให้สามารถดำเนินการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ได้ และลดการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิด