Návrh zvyšujících transformátorů pro fotovoltaické elektrárny a akumulaci energie v bateriích: řízení obousměrného výkonového toku, tepelného namáhání a ochrany

Roste integrace fotovoltaické (PV) výroby a bateriových úložných systémů (BESS), čímž se mění způsob, jakým elektrárny využívající obnovitelné zdroje připojují k distribučním elektrickým sítím.

Na rozdíl od tradičních solárních zařízení, která převážně exportují vyrobenou elektřinu, hybridní zařízení PV-BESS mohou pracovat v několika režimech: exportovat sluneční energii, nabíjet baterie ze sítě nebo ze solární výroby, vybíjet uloženou energii a poskytovat síťové podporné služby.

Tyto se měnící provozní podmínky klade nové technické požadavky na fotovoltaickou stanici pro zvýšení napětí a její příslušné transformátory.

Řádně navržené transformátor pro obousměrný tok výkonu musí zvládat různé profily zatížení, udržovat přijatelný tepelný výkon, odolávat stanoveným elektrickým rušením a fungovat v rámci koordinovaného systému ochrany.

Pro dodavatele fotovoltaických EPC projektů, integrační firmy pro systémy akumulace energie (BESS), inženýry distribučních soustav a návrháře průmyslových napájecích systémů je proto výběr transformátoru klíčovou součástí zajištění spolehlivosti projektu a řízení celoživotních nákladů.

Tato příručka analyzuje elektrické, tepelné a ochranné výzvy spojené s integrací fotovoltaických (PV) a bateriových (BESS) systémů a vysvětluje, jak specifikovat vhodný zvyšující transformátor pro moderní hybridní projekty obnovitelných zdrojů energie.

1. Pochopení hybridních fotovoltaicko-bateriových (PV-BESS) energetických systémů

1.1 Jak solární systémy s akumulací mění rozvod elektrické energie

V konvenčním fotovoltaickém zařízení připojeném k síti převádějí střídače stejnosměrný proud (DC) z fotovoltaických modulů na střídavý proud (AC).

Zvyšující transformátor zvyšuje výstupní napětí střídače na požadovanou úroveň střídavého napětí středního rozsahu, například 10 kV, 20 kV nebo 35 kV.

Elektřina obvykle proteká ze zařízení pro výrobu solární energie směrem k distribuční síti nebo veřejné elektrické síti, i když mohou auxiliární zátěže a některé provozní podmínky způsobit omezený tok v opačném směru.

Při začlenění bateriového systému pro ukládání energie se elektrická architektura stává složitější.

Hybridní instalace fotovoltaických panelů a bateriového systému pro ukládání energie (PV-BESS) může pracovat v několika režimech:

Provozní režim	Tok energie	Zvažování transformátoru
Solar generation	Fotovoltaický měnič → Transformátor → Síť	Trvalé zatížení výrobou
Nabíjení baterie ze sítě	Síť → Transformátor → Měnič bateriového systému pro ukládání energie (BESS PCS)	Zpětný tok činného výkonu
Vybijení baterie	BESS PCS → transformátor → síť	Zatížení při exportu a tepelný výkon
Export solární energie a BESS	FV + BESS → transformátor → síť	Kombinovaný maximální výstup
Podpora sítě	Obousměrná výměna činné/jalového výkonu	Regulace napětí a koordinace ochran
Pohotovostní režim	Minimální přenos činného výkonu	Ztráty naprázdno a pomocná spotřeba

V systémech se střídavým (AC) vazebním obvodem mohou fotovoltaické invertory a systémy pro převod výkonu baterií (PCS) být připojeny ke společné síti střídavého proudu.

V závislosti na kapacitě systému a elektrické architektuře lze použít vyhrazený transformátor pro BESS, sdílený zvyšovací transformátor nebo více transformátorové konfigurace.

1.2 Proč je důležitý obousměrný tok výkonu

Konvenční transformátor je obecně schopen přenášet střídavý výkon v obou směrech za předpokladu, že jsou dodrženy jeho limity napětí, proudu, izolace, teploty a ochrany.

Proto, obousměrný tok výkonu nevyžaduje z principu zcela odlišný magnetický návrh transformátoru .

Inženýrskou výzvou jsou provozní podmínky spojené s hybridními solárními a akumulačními systémy.

Mezi ně patří:

• Opakované přepínání mezi nabíjením a vybíjením.

• Proměnné zatížení během dne.

• Harmonické proudy generované invertorem.

• Výměna jalového výkonu.

• Možná injekce stejnosměrného proudu.

• Různý příspěvek poruchového proudu v různých provozních režimech.

• Změny napětí v rámci sběrné sítě.

• Dlouhodobý provoz v režimu napájeného pohotovostního provozu.

Fotovoltaický zvyšovací transformátor je třeba vyhodnotit na základě těchto skutečných provozních podmínek, nikoli pouze směru výkonového toku.

2. Tepelné namáhání a zátěžové výzvy u BESS zvyšovacích transformátorů

2.1 Tepelné cyklování během nabíjení a vybíjení

Tepelný výkon je hlavním kritériem při výběru BESS zvyšovacího transformátoru .

Teplota vinutí transformátoru a izolační kapaliny závisí především na elektrických ztrátách, podmínkách chlazení, teplotě okolního prostředí a předchozí historii zatížení.

Akumulátorová elektrárna může během jediného dne procházet několika cykly nabíjení a vybíjení.

Například akumulátorový systém může být nabíjen v době vysoké solární produkce, vybíjen v době večerního špičkového zatížení a poskytovat dodatečné služby síti v mezidobích.

I když obrácení směru výkonového toku samo o sobě nezpůsobuje při stejném efektivním (RMS) proudu další zahřívání, časté změny velikosti proudu mohou vyvolat opakující se cykly zahřívání a ochlazování.

Tyto cykly mohou ovlivnit:

• Teplotu horkého místa vinutí.

• Rychlost stárnutí izolace.

• Tepelnou roztažnost a smršťování.

• Mechanické zatížení konstrukcí upevňujících vinutí.

• Dlouhodobý stav oleje a izolace.

Výsledná změna teploty závisí na době zatížení a tepelných časových konstantách transformátoru.

Velikost transformátoru proto musí být navržena s ohledem na celý provozní profil, nikoli pouze na jmenovitý výkon PCS.

2.2 Hodnocení teploty horkého bodu transformátoru

Životnost izolace transformátoru je výrazně ovlivněna teplotou horkého bodu vinutí.

U olejem chlazených transformátorů lze přibližnou teplotu horkého bodu vyjádřit jako:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Kde:

• θH: Teplotu horkého místa vinutí.

• θA: Teplota okolí.

• δθTO: Nárůst teploty oleje v horní části nad okolní teplotou.

• δθH: Teplotní gradient horkého místa vinutí nad teplotou oleje v horní části.

Skutečný nárůst teploty se mění v závislosti na zatížení, konstrukci chlazení, geometrii transformátoru a provozní historii.

Inženýři by měli vyhodnotit zatížení pomocí příslušných pokynů, například IEEE C57.91 nebo IEC 60076-7, v závislosti na specifikaci projektu.

U instalací BESS může reprezentativní časová zátěžová křivka pomoci identifikovat tepelná rizika, která se nemusí projevit při jednoduchém výpočtu jmenovité kapacity.

2.3 Vstřik stejnosměrného proudu a nasycení jádra

Měniče výkonové elektroniky mohou za určitých podmínek zavádět malé stejnosměrné složky do své střídavé výstupního signálu.

Příliš velký vstřik stejnosměrného proudu může způsobit magnetický posun v jádru transformátoru, což může vést k:

• Zvýšenému magnetizačnímu proudu.

• Saturace jádra.

• Další rozptýlené ztráty.

• Místní zahřívání.

• Zvýšený akustický šum.

• Neobvyklé vibrace.

Výrobky invertorů připojených k síti a zařízení PCS jsou však dobře navrženy tak, aby zahrnovaly řídicí a ochranné funkce určené k omezení vstupu stejnosměrného proudu.

Posun stejnosměrného proudu by měl být posuzován jako požadavek na kvalitu elektrické energie a kompatibilitu zařízení, nikoli jako nevyhnutelný důsledek obousměrného provozu.

Výrobci transformátorů by měli od výrobců zařízení PCS požadovat stanovené limity vstupu stejnosměrného proudu při posuzování kompatibility.

3. Harmonické zkreslení a Transformátor Ztráty v hybridních fotovoltaických systémech s akumulací elektrické energie

3.1 Proč jsou elektronické měniče výkonu důležité

Fotovoltaické invertory a zařízení pro řízení baterií (PCS) využívají polovodičového spínání a řídicích algoritmů k přeměně elektrické energie.

Tyto procesy přeměny mohou způsobit vznik harmonických složek proudu.

V závislosti na topologii měniče, frekvenci spínání, řídicí strategii a filtraci mohou být relevantními harmonickými složkami například 5., 7., 11. a 13. harmonická složka, stejně jako složky vyšších frekvencí.

Skutečné harmonické spektrum je nutné získat od výrobce zařízení nebo z vhodné studie kvality elektrické energie.

Harmonické proudy mohou zvýšit:

• Ztráty vířivými proudy ve vinutí.

• Rozptýlené ztráty ve strukturálních komponentách.

• Dodatečné zahřívání vodičů.

• Celkové tepelné zatížení transformátoru.

• Potenciální elektrické namáhání související s rezonancí v širším systému.

Protože ztráty vířivými proudy související s harmonickými složkami závisí na frekvenci, vyhodnocení pouze efektivní hodnoty proudu základní frekvence může podcenit určité příspěvky ke ztrátám.

3.2 Vyžadují transformátory BESS hodnocení K-faktoru?

K-faktor se běžně používá k popisu schopnosti transformátoru zvládat specifikované charakteristiky nelineární zátěže, zejména v některých aplikacích suchých transformátorů.

Výběr libovolného hodnocení K-4, K-9 nebo K-13 však není univerzální požadavek pro kapalinou chlazené transformátory pro fotovoltaické a akumulační systémy s navýšením napětí.

Pro střední napětí kapalinou plněné transformátory je vhodnějším inženýrským přístupem vyhodnotit očekávané spektrum harmonických složek a výsledné dodatečné ztráty.

IEEE C57.110 poskytuje metody relevantní pro posouzení schopnosti transformátoru za podmínek nesinusoidního zatěžovacího proudu v rámci své definované oblasti platnosti.

Doporučené inženýrské kroky zahrnují:

1. Získejte údaje o harmonickém proudu střídače FV a měniče akumulačního systému BESS.

2. Hodnoťte očekávané provozní podmínky v režimu nabíjení i vybíjení.

3. Vypočítejte dodatečné ztráty ve vinutí a rozptýlené ztráty, pokud jsou použitelné.

4. Ověřte nárůst teploty vinutí a zatížení izolace.

5. Určete, zda je nutná speciální konstrukce vinutí, dodatečné chlazení nebo snížení jmenovitého výkonu.

Tento přístup zaměřený na konkrétní aplikaci pomáhá zabránit nadměrnému zvětšení transformátoru, aniž by byla ohrožena jeho dlouhodobá výkonnost.

3.3 Snížení tepelného namáhání způsobeného harmonickými složkami

V závislosti na vlastnostech střídače a požadavcích projektu mohou inženýrské možnosti pro transformátor zahrnovat:

• Optimalizovaný návrh vodičů vinutí.

• Příslušnou transpozici vodičů nebo uspořádání vinutí.

• Další tepelná rezerva.

• Zlepšená chladicí schopnost.

• Hodnocení ztrát za specifikovaného harmonického zatížení.

• Koordinované filtrování na úrovni střídače nebo systému.

Harmonické filtrování je obecně technické rozhodnutí na úrovni systému, které zahrnuje dodavatele PCS, EPC dodavatele a návrháře připojení k síti.

Návrh transformátoru sám o sobě nemůže vyřešit všechny problémy s harmonickými složkami v hybridní elektrárně.

4. Regulace napětí a výběr odpínače pro obousměrný výkon

4.1 Zvýšení a pokles napětí v hybridních systémech

Napětí na svorkách transformátoru závisí na směru a velikosti činného a jalového výkonu, impedanci transformátoru a vlastnostech připojené sítě.

Během výroby PV nebo vybíjení BESS může export výkonu způsobit zvýšení napětí v určitých bodech připojení.

Během nabíjení ze sítě může dojít k poklesu napětí v důsledku odebíraného výkonu.

Skutečná odezva napětí však závisí také na regulaci jalového výkonu, impedanci soustavy, regulaci napětí v horním směru a provozních podmínkách sítě.

V hybridních instalacích fotovoltaických elektráren s bateriovými úložišti energie (PV-BESS) musí být regulace napětí proto koordinována mezi střídačem, transformátorem a systémem připojení ke síti.

4.2 Odpojené přepínače odboček versus přepínače odboček za provozu

V silových transformátorech se používají dvě běžné konfigurace přepínačů odboček.

Odpojený přepínač odboček (DETC)

Odpojený přepínač odboček umožňuje úpravu poměru vinutí transformátoru pouze tehdy, je-li transformátor bezpečně odpojen podle výrobce.

Výhody zahrnují:

• Relativně jednoduchá konstrukce.

• Nižší počáteční náklady.

• Snížená mechanická složitost.

• Použitelnost v případech, kdy lze kolísání provozního napětí řídit jiným zařízením.

Vypínač odboček za zatížení (OLTC)

Zařízení OLTC umožňuje úpravu odboček, aniž by bylo nutné transformátor odpojit od sítě nebo snížit zátěž, avšak v rámci jeho konstrukčních a provozních omezení.

Systémy OLTC mohou být vhodné v případech, kdy podmínky napětí v síti vyžadují aktivní úpravu převodového poměru transformátoru.

OLTC však není automaticky vyžadováno pouze na základě častého nabíjení a vybíjení BESS.

Moderní zdroje založené na invertorech mohou poskytovat regulaci napětí a jalového výkonu v rámci svých možností a požadavků síťových pravidel.

Časté přepínání odboček může rovněž vyžadovat dodatečnou údržbu.

Inženýrský doporučení: Před specifikací zařízení OLTC vyhodnoťte schopnosti invertoru v oblasti regulace napětí a jalového výkonu (Volt-VAR), regulaci napětí v síti středního napětí, požadavky na připojení do sítě a očekávanou frekvenci přepínání odboček.

5. Výběr vhodné architektury fotovoltaické povýšovací stanice

5.1 Komplexní fotovoltaické povýšovací stanice PV-BESS

Afotovoltaickou stanici pro zvýšení napětí kombinuje elektrické zařízení potřebné pro připojení zařízení využívajících nízko napěťovou obnovitelnou energii k středně napěťové sběrné síti.

V závislosti na svém konstrukčním provedení může integrovaná transformovna obsahovat:

• Zvyšující distribuční transformátor.

• Středně napěťové rozváděče nebo kroužkové rozváděče (RMU).

• Nízko napěťové vstupní rozváděče.

• Zařízení pro ochranu a řízení.

• Měřicí zařízení.

• Přepěťová ochrana.

• Pomocné elektrické systémy.

• Rozhraní pro monitorování a komunikaci.

Integrované řešení může snížit počet samostatných součástí instalovaných na místě a zjednodušit uspořádání zařízení.

Možné výhody projektu zahrnují snížení plochy areálu, továrně integrované připojení, zlepšenou koordinaci zařízení a optimalizované plánování instalace.

Finální harmonogram instalace však závisí na stavebních pracích, schválení komunikačních služeb, zkouškách na místě a celkovém stavebním programu.

5.2 Integrovaná přepínací stanice versus modulární uspořádání zařízení

Faktor výběru	Integrovaná zvyšovací přepínací stanice	Modulární uspořádání zařízení
Rozložení zařízení	Továrně integrovaný balíček	Samostatné transformátory a rozvaděče
Plocha areálu	Potenciálně kompaktní	Závisí na vzdálenosti mezi zařízeními
Integrace do výrobního závodu	Vyšší stupeň předmontáže	Může být vyžadována větší koordinace na stavbě
Přístup pro údržbu	Musí být zohledněno již při návrhu obalu	Může zajistit větší oddělení zařízení
Budoucí expanzi	Závisí na návrhu celého balení	Často nabízí větší flexibilitu uspořádání
Typické použití	Bloky pro solární elektrárny a akumulátory (BESS) a kompaktní plochy	Velké nebo složité rozvodny

U hybridních elektráren velkého výkonu pro veřejnou síť by měla být architektura zařízení vybrána na základě údržby, požadavků na rozšiřitelnost, elektrických vzdáleností, bezpečnosti a celkových nákladů na instalaci.

5.3 Návrh transformátoru se dvěma nízkonapěťovými vinutími

Některé elektrárny s fotovoltaickými panely a bateriovými úložišti energie (PV-BESS) používají transformátory se samostatnými nízkonapěťovými vinutími pro fotovoltaický invertor a bateriový měnič (PCS).

Tato konfigurace umožňuje poskytnout dvěm měničovým systémům samostatné elektrické rozhraní při současném sdílení společného středního napětí.

Možné výhody zahrnují:

• Samostatná uspořádání nízkonapěťových připojení.

• Větší flexibilita při výběru napětí vinutí.

• Snížená potřeba určitých externích zařízení pro kombinování střídavého proudu.

• Návrh impedance a uzemnění specifický pro danou aplikaci.

Samostatná vinutí však neposkytují za všech provozních podmínek úplnou elektrickou izolaci mezi připojenými systémy.

Poruchové proudy, vazba vinutí, přechodné napětí a koordinace ochran je nutno vyhodnotit pomocí ekvivalentního obvodu transformátoru s více vinutími.

Konstrukce s dvojnásobným sekundárním vinutím by proto měla být specifikována na základě požadovaných výkonových parametrů, napětí vinutí, vektorové skupiny, impedancí a charakteristik při zkratu.

6. Transformátor Ochrana pro obousměrný provoz PV-BESS

6.1 Směrová ochrana proti přetížení proudem

Tradiční distribuční ochrana může vycházet z předpokladu, že poruchový proud protéká převážně ze sítě směrem k připojeným zátěžím.

Hybridní systémy FV-BESS mohou vytvářet různé cesty příspěvku poruchového proudu v závislosti na provozním režimu, řízení střídače a konfiguraci sítě.

Směrové funkce ochrany proti přetížení proudem, jako jsou ANSI 67 a 67N, mohou být vhodné v případech, kdy je nutné rozlišit směr poruchového proudu.

Jiné funkce ochrany mohou zahrnovat:

Funkce podle ANSI	Ochranná funkce	Uvažování o použití
50/51	Okamžitá/časová ochrana proti přetížení proudem	Ochrana proti poruchám ve fázích
50N/51N	Ochrana proti přetížení uzemňovacím proudem	Detekce zemní poruchy
67/67N	Směrová nadproudová ochrana	Rozlišení poruch při existenci více zdrojů
87T	Diferenciální ochrana transformátoru	Detekce vnitřních poruch transformátoru
49	Tepelná ochrana	Sledování tepelného přetížení
27/59	Podnapětí/nadnapětí	Neobvyklé napěťové podmínky
81U/81O	Podkmitovost/nadkmitovost	Poruchy kmitočtu sítě

Výběr ochrany závisí na velikosti transformátoru, konfiguraci uzemnění, požadavcích síťového předpisu a architektuře elektrárny.

Směrovou ochranu by nemělo být specifikováno pouze proto, že se může obrátit činný výkon; její nutnost je třeba stanovit prostřednictvím studie koordinace ochran.

6.2 Přepěťová ochrana a koordinace izolace

Fotovoltaické elektrárny a systémy akumulace energie (BESS) mohou být vystaveny přepětím způsobeným bleskem, přepínacími přechodnými jevy a poruchami napětí.

Izolační systémy transformátorů musí být koordinovány s očekávaným elektrickým prostředím.

Důležitými parametry jsou:

• Nejvyšší napětí pro zařízení.

• Úroveň odolnosti proti bleskovým přepětím.

• Odolnost izolace proti napětí síťové frekvence.

• Parametry ochranných jiskřištěk.

• Uzemňovací uspořádání.

• Vlastnosti izolace kabelu.

• Přechodné spínací podmínky.

Oxidové přepěťové ochrany lze začlenit v souladu s požadavky na koordinaci izolace systému.

Při jejich výběru je třeba zohlednit uzemňovací systém, maximální trvalé provozní napětí, dočasné přepětí a očekávané prostředí přepětí.

6.3 Monitorování transformátoru a integrace se systémem SCADA

Velké elektrárny fotovoltaických panelů a akumulátorových úložišť energie (PV-BESS) často zahrnují centralizované systémy dozorového řízení a sběru dat (SCADA).

V závislosti na konstrukci transformátoru a požadavcích projektu může monitorování zahrnovat:

• Teplotu oleje v horní části.

• Indikaci nebo odhad teploty vinutí.

• Úroveň kapaliny.

• Stav zařízení pro uvolnění tlaku.

• Ochrana proti hromadění plynu, pokud je to příslušné.

• Stav chladicího systému.

• Kontakty pro poplach a vypnutí.

Relé Buchholz se obvykle používají u vhodných olejových transformátorů s nádobou na olej (conservator), nikoli u každého uzavřeného distribučního transformátoru.

Monitorovací data lze prostřednictvím vhodného řídicího rozhraní připojit k systémům SCADA nebo správy energie na úrovni celého závodu.

Tato integrace může podporovat monitorování stavu, plánování údržby a provozní přehlednost.

7. Normy IEEE a IEC pro Transformátory pro zvýšení napětí v systémech FVE–BESS

Mezinárodní projekty v oblasti obnovitelných zdrojů energie musí splňovat příslušné normy pro transformátory a místní požadavky na připojení k síti.

Následující normy poskytují relevantní technické odkazy.

Standardní	Oblast působnosti	Význam pro projekty fotovoltaických systémů s akumulací energie (PV-BESS)
IEEE C57.159	Průvodce transformátory v distribuovaných fotovoltaických výrobních systémech	Pokyny pro použití transformátorů fotovoltaických invertorů
IEEE C57.12.00	Obecné požadavky na olejové transformátory	Konstrukce a výkon transformátorů
IEEE C57.110	Zatížitelnost transformátorů při nesinusoidálních zátěžových proudech	Hodnocení ztrát a zatížení způsobených harmonickými složkami
IEEE C57.91	Zatížení olejových transformátorů	Tepelný výkon a stárnutí izolace
IEC 60076-1	Obecné požadavky na výkonové transformátory	Jmenovité hodnoty a obecné specifikace
IEC 60076-2	Zvýšení teploty u transformátorů s kapalinovým chlazením	Tepelní zkoušky a limity
IEC 60076-5	Odolnost proti zkratu	Požadavky na odolnost proti zkratu
IEC 60076-7	Průvodce zatížením pro transformátory plněné minerálním olejem	Hodnocení zatěžovacího cyklu
IEC 60076-16	Transformátory pro aplikace větrných elektráren	Především relevantní pro zvyšovací transformátory větrných elektráren
IEEE 1547	Propojení distribuovaných zdrojů energie	Požadavky na rozhraní DER s elektrickou sítí v rámci jejího rozsahu

IEC/IEEE 60076-16 je speciálně určena pro aplikace transformátorů zvyšujících napětí u větrných elektráren. Nesmí být prezentována jako specializovaný standard pro transformátory fotovoltaických elektráren a akumulátorových systémů (PV-BESS).

Podobně norma IEEE C57.159 poskytuje pokyny pro transformátory používané u distribuovaných fotovoltaických systémů, avšak nepodléhá nahrazení obecných norem pro návrh, zkoušení a připojení transformátorů k síti.

U hybridních instalací by měli inženýři jednotlivě stanovit použitelné požadavky a ověřit, zda se konkrétní ustanovení vztahují na vybranou konfiguraci transformátoru.

8. Výběr izolačních kapalin pro transformátory slunečních elektráren a akumulátorových systémů (BESS)

Výběr izolační kapaliny ovlivňuje dielektrický výkon, přenos tepla, protipožární ochranu a environmentální aspekty.

8.1 Transformátory s minerálním olejem

Minerální olej stále zůstává běžným izolačním a chladicím prostředkem pro transformátory s kapalným chlazením.

Mezi jeho výhody patří zavedené výrobní postupy, široká dostupnost, ověřené provozní zkušenosti a obecně konkurenceschopná počáteční cena.

8.2 Přírodní esterové izolační kapaliny

Přírodní esterové kapaliny jsou čím dál častěji uvažovány pro instalace, kde je důležitá bezpečnost proti požáru a environmentální výkonnost.

Ve srovnání se standardními minerálními izolačními oleji vhodné přírodní esterové kapaliny obecně nabízejí:

• Vyšší teploty vzplanutí.

• Výhodné vlastnosti biologické rozložitelnosti.

• Odlišné vlastnosti řízení obsahu vlhkosti.

• Potenciální výhody v některých aplikacích citlivých na požár.

Některé komerční přírodní esterové kapaliny mají teplotu vzplanutí nad 300 °C.

Vybraná kapalina však musí být kompatibilní s izolačním systémem transformátoru, těsněními, chladicím uspořádáním a údržbovými postupy.

Výběr kapaliny by měl také zohledňovat příslušné předpisy týkající se požární ochrany, požadavky na uzavření a environmentální specifikace projektu.

Ani přírodní esterová kapalina, ani minerální olej by neměly být vybírány na základě jediné výkonnostní charakteristiky.

9. Praktické dimenzování transformátoru pro hybridní projekt FVE-BESS

Uvažujme ilustrativní hybridní instalaci s následujícími návrhovými parametry:

• Jmenovitý výkon invertoru FVE: 3 MW.

• Jmenovitý výkon výstupu PCS BESS: 2 MW.

• Jmenovitý výkon vstupu PCS BESS: 2 MW.

• Střední napětí sběrné soustavy: 35 kV.

• Běžné uspořádání střídavé sběrné soustavy.

Pokud řídicí systém umožňuje současné vyvádění maximálního činného výkonu z FVE i z BESS, může celkový výstup dosáhnout:

3 MW + 2 MW = 5 MW

Při předpokládaném účiníku 0,95 činí přibližný požadavek na zdánlivý výkon:

S = P / PF

S = 5 000 kW / 0,95 = 5 263 kVA

Předběžné technické posouzení by proto mohlo uvažovat transformátory s jmenovitým výkonem vyšším než tento vypočtený zdánlivý výkon, a to za předpokladu požadované provozní zátěže, podmínek chlazení a platných norem.

Skutečný výběr však musí zohlednit další faktory.

Například pokud řídicí systém elektrárny omezuje celkový výkon dodávaný do sítě na 4 MW, může být odpovídající zátěž transformátoru odlišná.

Podobně může nabíjení baterií vytvářet další scénáře toku výkonu v závislosti na tom, zda je energie dodávána ze solární výroby, ze sítě nebo z obou zdrojů.

Konečný jmenovitý výkon transformátoru by měl být stanoven na základě úplné provozní matice, která zahrnuje:

1. Maximální současný výkon PV a BESS dodávaný do sítě.

2. Maximální povolený odběr ze sítě.

3. Meze provozu pro jalový výkon.

4. Zatížení harmonickými složkami.

5. Pomocné zátěže transformátoru.

6. Teplota okolí.

7. Rozšíření kapacity v budoucnu.

8. Povolené přetížené provozní podmínky.

U vícevinutých transformátorů musí být každá vinutí vyhodnocena také samostatně podle jejího individuálního jmenovitého výkonu a proudových limitů.

Klíčovým principem je dimenzování transformátoru podle maximálních reálně možných elektrických a tepelných provozních podmínek, nikoli pouze podle součtu jmenovitých výkonů instalovaného zařízení.

10. Řešení vlastních zvyšujících transformátorů pro fotovoltaické systémy a systémy akumulace energie (PV-BESS) od společnosti Jiangsu Dingxin Electric

Jiangsu Dingxin Electric je výrobcem distribučních transformátorů, silových transformátorů a předem vyrobených rozvodných stanic, který dodává své produkty na mezinárodní trhy elektroenergetické infrastruktury.

S více než 30letou zkušeností v odvětví transformátorů poskytuje Dingxin výrobní a aplikace zaměřenou inženýrskou podporu pro projekty v oblasti obnovitelných zdrojů energie, průmyslové distribuce a veřejných služeb.

10.1 Přizpůsobené transformátory pro solární a bateriové úložné projekty

Aplikace fotovoltaických (PV) systémů a bateriových úložných systémů (BESS) často vyžadují odlišné elektrické konfigurace než běžné komerční distribuční projekty.

Dingxin spolupracuje se zákazníky při posouzení projektově specifických požadavků týkajících se:

• Hodnocení středního napětí transformátorů.

• Způsobu připojení střídačů PV a řídicích systémů BESS (PCS).

• Kombinací primárního a sekundárního napětí.

• Jednoho nebo více nízkonapěťových vinutí.

• Skupin vektorů transformátorů.

• Požadavků na impedanci.

• Výběr izolační kapaliny.

• Uspořádání chlazení.

• Konfigurace venkovních krytů.

• Příslušenství pro ochranu a monitorování.

U projektů s 35 kV sběrnými systémy lze vyhodnotit přizpůsobené integrované návrhy transformatorních stanice podle požadovaného napětí, výkonu, uspořádání rozvaděčů a podmínek instalace.

10.2 Technická podpora pro obousměrný tok výkonu

Spolehlivá integrace FVE-BESS vyžaduje koordinaci mezi návrhem transformátoru a elektrickým inženýrstvím na úrovni celého systému.

Během revize technických specifikací patří mezi důležité aspekty:

Tepelné posouzení: Hodnocení zatěžovacích cyklů, okolní teploty a nárůstu teploty vinutí.

Hodnocení harmonických složek: Zkontrolujte údaje o harmonických složkách invertoru a PCS, abyste zjistili, zda jsou nutné další výpočty ztrát nebo konstrukční opatření.

Elektrická konfigurace: Ujistěte se, že napětí vinutí, impedance, vektorová skupina a uzemňovací uspořádání odpovídají hybridnímu napájecímu systému.

Kompatibilita ochrany: Synchronizujte požadavky na ochranu transformátoru s reléovou ochranou systému a přepínacími uspořádáními.

Zkoušky a dokumentace: Před výrobou stanovte příslušné požadavky IEEE/IEC, kritéria přijetí na výrobní lince a technickou dokumentaci.

Společnost Dingxin může podporovat diskuse o individuálně navržených specifikacích transformátorů pro dodavatele fotovoltaických EPC projektů, vývojáře obnovitelných zdrojů energie a partnery zabývající se integrací BESS.

Skutečné provozní parametry výrobku, stav souladu s normami, rozsah zkoušek a dostupné konfigurace je třeba ověřit proti technické dokumentaci konkrétního projektu.

11. Často kladené otázky týkající se zvyšovacích transformátorů pro PV-BESS

Co je transformátor s obousměrným výkonovým tokem?

Transformátor s obousměrným výkonovým tokem je transformátor používaný v elektrickém systému, ve kterém může činný výkon protékat v obou směrech.

Klasické střídavé transformátory obecně dokážou přenášet výkon v obou směrech, avšak hybridní aplikace obnovitelných zdrojů energie mohou vyžadovat další posouzení zátěžových cyklů, harmonických složek, regulace napětí a ochrany.

Čím se liší transformátor pro zvýšení napětí u BESS od klasického slunečního transformátoru?

Transformátor pro zvýšení napětí u BESS může pracovat v režimech nabíjení, vybíjení, pohotovostního provozu a podpory jalového výkonu.

Ve srovnání s klasickou aplikací solární generace může jeho provozní profil zahrnovat odlišné zátěžové cykly a požadavky na kvalitu výkonu.

Konstrukce transformátoru by měla odpovídat skutečným charakteristikám PCS a provozním podmínkám systému.

Je možné připojit jak fotovoltaické invertory, tak zařízení PCS pro BESS jedním transformátorem?

Ano. Společné uspořádání transformátoru může být možné, pokud jsou elektrická architektura, jmenovité hodnoty vinutí, úrovně napětí, koordinace ochran a tepelná kapacita správně navrženy.

Možnosti zahrnují společnou nízkonapěťovou sběrnici nebo transformátor s více vinutími.

Způsobuje obousměrný výkonový tok nasycení jádra transformátoru?

Ne samotná.

Nasycení jádra je spojeno s magnetickými provozními podmínkami, jako je například nadměrný poměr napětí k frekvenci, stejnosměrní posun (DC bias) nebo určité přechodné jevy.

Směr normálního střídavého činného výkonu sám o sobě nepůsobí nasycení jádra transformátoru.

Jsou transformátory s koeficientem K povinné pro instalace BESS?

Ne. Zatížení harmonickými složkami je třeba vyhodnotit na základě skutečného spektra proudu PCS a použité metodiky návrhu transformátoru.

Konkrétní označení transformátoru koeficientem K by nemělo být považováno za povinné pro každý kapalinou chlazený transformátor BESS.

Je pro fotovoltaickou-BESS stanici s povýšením napětí vyžadován OLTC?

Ne nutně.

Požadavky na OLTC závisí na podmínkách napětí sítě, schopnostech invertoru poskytovat jalový výkon, strategii regulace sítě a specifikacích projektu.

Mnoho instalací využívá odpojené polohy přepínače kombinované s vhodnou regulací napětí na úrovni invertoru a sítě.

Jaké normy se vztahují na transformátory pro fotovoltaické elektrárny s akumulací energie (PV-BESS)?

Příslušné odkazy mohou zahrnovat IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 a platné pokyny pro zatěžování.

Požadavky na připojení k síti je nutné posuzovat samostatně.

Jak může výrobce transformátorů podporovat hybridní projekty PV-BESS?

Výrobce může podporovat výběr transformátoru specifického pro daný projekt, konfiguraci vinutí, vyhodnocení ztrát, návrh izolace, posouzení tepelného výkonu, výběr příslušenství a dokumentaci továrních zkoušek.

Konečná specifikace zařízení by měla být koordinována mezi EPC dodavatelem, dodavatelem systémů řízení výkonu (PCS), inženýrem sítě a výrobcem transformátorů.

12. Závěr: Inženýrské řešení spolehlivosti Infrastruktura výkonu FVE-BESS

Vzhledem k rostoucí integraci solární výroby a bateriových úložišť elektrické energie se výběr transformátorů vyvíjí dál než jen tradiční shoda jmenovitého výkonu a napětí.

Spolehlivý fotovoltaickou stanici pro zvýšení napětí musí podporovat provozní charakteristiky hybridních systémů obnovitelných zdrojů energie a zároveň udržovat vhodný tepelný, dielektrický a elektrický výkon.

Kritické inženýrské aspekty zahrnují:

• Obousměrný tok činné i jalové energie.

• Proměnné profily nabíjení a vybíjení.

• Charakteristiky harmonických proudů.

• Tepelné zatížení transformátoru a stárnutí izolace.

• Regulaci napětí a výběr zapojení na převodovém stupni.

• Poruchové proudy z více zdrojů a koordinaci ochran.

• Platné normy IEEE/IEC.

• Požadavky na dlouhodobou spolehlivost a údržbu.

U rozsáhlých projektů obnovitelných zdrojů energie může včasná koordinace mezi výrobci transformátorů, dodavateli EPC, dodavateli systémů PCS a inženýry distribučních sítí snížit rizika integrace a zlepšit kompatibilitu zařízení.

Vyžádejte si přizpůsobený transformátor pro zvýšení napětí v systému FV-BESS.

Navrhujete hybridní projekt sluneční energie s akumulací nebo modernizujete stávající podstanici pro obnovitelné zdroje energie?

Společnost Jiangsu Dingxin Electric nabízí přizpůsobená řešení transformátorů a integrovaných podstanic pro fotovoltaickou výrobu, akumulaci elektrické energie v bateriích a distribuci střídavého proudu středního napětí.

Náš tým může prověřit vaše elektrické požadavky, včetně výkonu transformátoru, napětí systému, uspořádání vinutí, ochranných příslušenství a platných technických norem.

Kontaktujte společnost Dingxin Electric, abyste požádali o revizi specifikací transformátoru pro váš konkrétní projekt nebo o technickou žádost o nabídku (RFQ).

Webová stránka: https://www.dishinelectric.com/