Як вибрати трансформатори для розподілених фотоелектричних електростанцій?

Узгодження потужності трансформатора з розподіленою генерацією фотоелектричної енергії

Визначення номінальної потужності у кВА на основі змінного струму на виході інвертора, перевищення постійного струму та змінності інсоляції

Правильний вибір трансформатора за потужністю починається з аналізу максимальної вихідної потужності інвертора у змінному струмі, наприклад, близько 100 кВт. У більшості проектів враховують коефіцієнт перевантаження постійного струму в діапазоні від 1,2× до 1,5×, оскільки сонячні електростанції часто піддаються спалахам ізлучення, що перевищують прогнозовані значення стандартних випробувань. Розглянемо типову конфігурацію: постійний струм від сонячної електростанції потужністю 150 кВтп подається на інвертор потужністю 100 кВт. У цьому випадку доцільно обрати трансформатор номінальною потужністю щонайменше 125 кВА, щоб забезпечити надійне функціонування під час тимчасового перевищення виробництва над потужністю системи (події «обрізання»). Кілька технічних факторів мають значення. По-перше, необхідно з’ясувати, як довго інвертор здатен працювати в умовах перевантаження — зазвичай це 110–120 % від номінальної потужності протягом до однієї години. По-друге, слід врахувати місцеві кліматичні умови: у пустельних регіонах добові коливання ізлучення набагато різкіші, ніж у прибережних районах, де сонячне світло протягом дня залишається більш стабільним. Також не слід забувати про деградацію сонячних панелей: їх ефективність знижується приблизно на 0,5 % щороку, що, фактично, сприяє зменшенню навантаження на обладнання, розташоване далі по ланцюгу, оскільки гармоніки та тепловиділення з часом зростають менш інтенсивно.

Термічне зниження номінальної потужності та аналіз коефіцієнта завантаження для встановлення на дахах

Навколишня температура на дахах часто перевищує 40 °C, що призводить до зменшення потужності трансформатора приблизно на 15–20 %, якщо не застосовувати жодних заходів. Більшість комерційних фотогальванічних систем і так працюють із коефіцієнтом завантаження менше 60 %, тому є можливість розумного зменшення номінальної потужності в поєднанні з ефективними методами теплового управління. Ефективно працює примусова повітряна охолодження разом із негорючою ізоляцією, що відповідає стандартам IEEE C57.96, а також регулярний контроль температури протягом усього часу експлуатації. Також дуже важливі специфічні особливості місця встановлення. Трансформатори, встановлені в замкнених приміщеннях або зонах із поганою вентиляцією, можуть потребувати базових номіналів, що на 25 % вищі порівняно з трансформаторами, розміщеними назовні, де кращий приплив повітря. Як ASHRAE, так і IEEE опублікували керівництва щодо теплового моделювання, які підтримують цей підхід.

Сухі трансформатори порівняно з маслонаповненими: безпека, ефективність та придатність для конкретного місця встановлення

Вимоги щодо пожежної безпеки, вентиляції та внутрішньої установки для міських і комерційних дахів

Для сонячних установок на міських та комерційних дахах сухі трансформатори стали основним варіантом завдяки своїм негорючим конструктивним особливостям. Зазвичай вони мають обмотки з епоксидної смоли, імпрегновані у вакуумно-тисковому середовищі, що робить їх значно безпечнішими порівняно з традиційними маслонаповненими моделями. Маслонаповнені системи пов’язані з цілою низкою проблем: горючий теплоносій, потенційні протікання, а також необхідність спеціальної інфраструктури — наприклад, вибухозахисних підвалів, додаткових заходів щодо утримання рідини та належних систем вентиляції. Сухі трансформатори можна встановлювати безпосередньо всередині будівель у місцях, де обмежено простір, а вимоги до безпеки є найважливішими: наприклад, у шахтах ліфтів, паркінгах або на спільних дахах, що належать кільком орендарям. У таких містах, як Нью-Йорк і Токіо, у новіших нормах пожежної безпеки для подібних установок спеціально зазначаються саме сухі трансформатори, оскільки в разі аварії під час експлуатації вони, як правило, «гасять себе самі».

Відповідність вимогам щодо ефективності (DOE 2016, IEC 60076-20) та наслідки для вартості життєвого циклу

Сучасні сухі трансформатори відповідають ключовим нормативним вимогам щодо ефективності, встановленим такими стандартами, як DOE 2016 та IEC 60076-20, щодо стійкості до гармонік. Деякі з найкращих моделей досягають ефективності близько 99,3 % при роботі в діапазоні потужностей від 500 до 2500 кВА. Раніше масляні трансформатори мали певну перевагу у максимальній ефективності навантаження. Однак сьогодні сухі трансформатори економічно вигідніші в довгостроковій перспективі, особливо для сонячних електростанцій, розташованих у різних місцях. Такі системи не потребують регулярного технічного обслуговування, пов’язаного з аналізом, фільтрацією масла чи роботою з небезпечними рідинами, які мають бути правильно утилізовані. Протягом приблизно 25 років це дозволяє компаніям заощаджувати близько 20–30 % на експлуатаційних витратах, хоча початкова вартість таких трансформаторів, як правило, на 15 % вища. Підсумковий результат — вищий рівень доходу на інвестиції та значно простіше управління активами в майбутньому.

Забезпечення відповідності мережі за допомогою трансформаторів, розрахованих на гармоніки

Дотримання меж загального коефіцієнта нелінійних спотворень (THD) згідно зі стандартом IEEE 1547-2018 за допомогою трансформаторів із коефіцієнтом K та трансформаторів, що зменшують вплив гармонік

Потужність, що генерується інверторами в сонячних системах, створює гармонійні спотворення, які часто перевищують граничне значення загального коефіцієнта гармонік (THD) у 5 % за напругою, встановлене стандартом IEEE 1547-2018 у точках підключення. Щоб вирішити цю проблему, спеціальні трансформатори, відомі як гармонійні компенсатори, використовують обмотки з фазовим зсувом для усунення основних гармонік, таких як п’ята та сьома гармоніки. У той же час трансформатори з рейтингом за коефіцієнтом K у діапазоні від K4 до K20 розроблені спеціально для відведення тепла, що виникає через гармоніки, без пошкодження їхніх ізоляційних шарів. Однак це не звичайні трансформатори. Звичайні моделі схильні набагато швидше старіти при роботі з нелінійними навантаженнями, тоді як ці спеціалізовані версії забезпечують охолодження та відповідність вимогам навіть під час звичайної експлуатації сонячних систем. Теплові зображення, отримані на реальних об’єктах, показують, що ці оптимізовані трансформатори мають температуру приблизно на 15 °C нижчу порівняно зі звичайними трансформаторами, що працюють при аналогічних спотворених навантаженнях. Ця різниця температур означає більший термін служби обладнання та меншу кількість проблем у точках підключення в реальних умовах експлуатації.

Забезпечення майбутньої сумісності за допомогою розумного моніторингу та передбачувального технічного обслуговування

Інтеграція з системою SCADA, моніторинг температури та часткових розрядів для забезпечення надійності трансформаторів

Коли трансформатори підключають до систем SCADA, оператори можуть відстежувати їх роботу в режимі реального часу безпосередньо з центрального пункту керування на всіх розташованих на значній відстані сонячних електростанціях. Датчики температури, вбудовані в різні компоненти — такі як обмотки, магнітопроводи, а також у масляні відсіки для маслонаповнених трансформаторів — виявляють незвичайні теплові патерни задовго до того, як температура почне наближатися до небезпечного рівня. Ще одним важливим інструментом є моніторинг часткових розрядів (PD), який реєструє високочастотні сплески струму, що свідчать про початкові ознаки проблем з ізоляцією — такі порушення часто залишаються непомітними при звичайних перевірках. Ці комплексні функції повністю змінюють підхід до технічного обслуговування: замість строгого дотримання графіку планових оглядів використовується стратегія обслуговування за потребою. Польові дослідження таких організацій, як EPRI та NREL, показують, що такий підхід зменшує кількість несподіваних відключень приблизно на 40 відсотків. Уся ця збірка даних створює умови, за яких компанії можуть точніше прогнозувати термін служби обладнання, ефективніше управляти запасами запасних частин і стратегічно планувати інвестиції, перетворюючи технічне обслуговування трансформаторів з реактивного в проактивний процес, що поступово підвищує надійність системи.

ЧаП

Яке значення має перевищення потужності постійного струму (DC oversizing) у сонячних установках?

Перевищення потужності постійного струму (DC oversizing) дозволяє сонячним установкам витримувати сплески інсоляції, що перевищують прогнозовані за стандартними випробуваннями значення, забезпечуючи тим самим здатність трансформаторів витримувати тимчасові перевантаження без істотних втрат ефективності.

Чи є сухі трансформатори більш вигідними порівняно з масляними трансформаторами для встановлення на дахах?

Так, сухі трансформатори часто краще підходять для встановлення на дахах завдяки їх негорючій конструкції, забезпеченню безпеки при розміщенні в приміщеннях та відповідності сучасним нормам пожежної безпеки.

Як комунальні підприємства можуть забезпечити відповідність мережі до гармонік, генерованих сонячними електростанціями?

Комунальні підприємства можуть використовувати трансформатори з компенсацією гармонік та трансформатори, розраховані на певні коефіцієнти K, щоб контролювати гармоніки й забезпечувати відповідність мережі відповідно до стандартів IEEE.

Яку роль відіграє інтеграція з системою SCADA у технічному обслуговуванні трансформаторів?

Системи SCADA дозволяють відстежувати продуктивність у реальному часі, що сприяє ранньому виявленню потенційних проблем і, як наслідок, забезпечує прогнозне технічне обслуговування та зменшує кількість неочікуваних зупинок.