Konstruktion von Hochsetztransformatoren für Photovoltaik- und Batteriespeichersysteme: Steuerung des bidirektionalen Leistungsflusses, thermischer Belastung und Schutzmaßnahmen

Die zunehmende Integration von Photovoltaik-(PV-)Erzeugungsanlagen und Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) verändert die Art und Weise, wie Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien an elektrische Verteilnetze angeschlossen werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Solaranlagen, die hauptsächlich erzeugte Elektrizität ins Netz einspeisen, können hybride PV-BESS-Anlagen in mehreren Betriebsmodi arbeiten: Einspeisung von Solarenergie, Laden der Batterien aus dem Netz oder aus der Solargenerierung, Entladung gespeicherter Energie sowie Bereitstellung von Netzdienstleistungen.

Diese sich wandelnden Betriebsbedingungen stellen neue technische Anforderungen an die photovoltaische Stepp-Up-Umspannstation und ihre zugehörigen Transformatoren.

Ordnungsgemäß konstruierte transformator mit bidirektionalem Leistungsfluss muss unterschiedlichen Lastprofilen Rechnung tragen, eine akzeptable thermische Leistung aufrechterhalten, spezifizierten elektrischen Störungen standhalten und innerhalb eines koordinierten Schutzsystems betrieben werden.

Für Solar-EPC-Unternehmen, BESS-Integratoren, Netzbetreiber-Ingenieure und Konstrukteure industrieller Stromversorgungssysteme ist die Auswahl des Transformators daher ein entscheidender Faktor für Zuverlässigkeit und Lebenszykluskostenmanagement des Projekts.

Dieser Leitfaden untersucht die elektrischen, thermischen und Schutzbezogenen Herausforderungen bei der Integration von PV- und BESS-Anlagen und erläutert, wie ein geeigneter Aufwärtstransformator für moderne hybride erneuerbare Energieprojekte zu spezifizieren ist.

1. Verständnis hybrider PV-BESS-Stromversorgungssysteme

1.1 Wie Solar-plus-Speicher die Stromverteilung verändert

In einer konventionellen netzgekoppelten Photovoltaikanlage wandeln Wechselrichter Gleichstrom aus Photovoltaikmodulen in Wechselstrom um.

Ein Aufwärtstransformator erhöht die Ausgangsspannung des Wechselrichters auf das erforderliche Mittelspannungsniveau der Verteilung, beispielsweise 10 kV, 20 kV oder 35 kV.

Die Leistung fließt normalerweise von der Solarstromerzeugungsanlage zum Sammelnetz oder zum Versorgungsnetz, obwohl Hilfsverbraucher und bestimmte Betriebsbedingungen zu einer begrenzten Rückwärtsströmung führen können.

Wenn eine Batteriespeicheranlage (BESS) hinzugefügt wird, wird die elektrische Architektur komplexer.

Eine hybride PV-BESS-Anlage kann in mehreren Betriebsmodi arbeiten:

Betriebsmodus	Energiefluss	Transformatorberücksichtigung
Solarerzeugung	PV-Wechselrichter → Transformator → Netz	Kontinuierliche Erzeugungsbelastung
Laden der Batterie aus dem Netz	Netz → Transformator → BESS-PCS	Rückwärtsfluss der Wirkleistung
Entladen der Batterie	BESS-PCS → Transformator → Netz	Einspeisungslast und thermische Leistung
Solar- und BESS-Einspeisung	PV + BESS → Transformator → Netz	Kombinierte maximale Leistungsabgabe
Gitterauflager	Bidirektionaler aktiver/reaktiver Leistungsaustausch	Spannungsregelung und Koordination der Schutzeinrichtungen
Standby	Minimale aktive Leistungsübertragung	Leerlaufverluste und Hilfsleistungsbedarf

Bei Wechselstrom-gekoppelten Systemen können Photovoltaik-Wechselrichter und Batterie-Leistungswandlungssysteme (PCS) an ein gemeinsames Wechselstrom-Sammelnetz angeschlossen sein.

Ein dedizierter BESS-Transformator, ein gemeinsam genutzter Hochspannungstransformator oder mehrere Transformator-Konfigurationen können je nach Systemkapazität und elektrischer Architektur eingesetzt werden.

1.2 Warum bidirektionaler Leistungsfluss wichtig ist

Ein konventioneller Transformator ist im Allgemeinen in der Lage, Wechselstromleistung in beide Richtungen zu übertragen, sofern dessen Spannungs-, Strom-, Isolierungs-, thermische und Schutzgrenzwerte eingehalten werden.

Therefore, ein bidirektionaler Leistungsfluss erfordert nicht zwangsläufig eine vollständig andere magnetische Transformatorauslegung .

Die technische Herausforderung ergibt sich aus den Betriebsbedingungen, die mit hybriden Solar- und Speichersystemen verbunden sind.

Dazu gehören möglicherweise:

• Wiederholte Wechsel zwischen Laden und Entladen.

• Täglich schwankende Last.

• Vom Wechselrichter erzeugte Oberschwingungsströme.

• Austausch von Blindleistung.

• Mögliche Gleichstrom-Einspeisung.

• Unterschiedliche Fehlerstrombeiträge in verschiedenen Betriebsmodi.

• Spannungsänderungen im Sammelnetz.

• Längere Zeiträume betriebsbereiter Standby-Operation.

Ein Photovoltaik-Steiltransformator muss anhand dieser tatsächlichen Betriebsbedingungen und nicht allein anhand der Leistungsflussrichtung bewertet werden.

2. Thermische Belastung und Lastherausforderungen bei BESS-Steiltransformatoren

2.1 Thermisches Zyklieren während Laden und Entladen

Die thermische Leistungsfähigkeit ist ein wesentlicher Aspekt bei der Auswahl eines BESS-Steiltransformators .

Die Temperatur der Transformatorwicklungen und der isolierenden Flüssigkeit hängt vor allem von den elektrischen Verlusten, den Kühlbedingungen, der Umgebungstemperatur sowie der vorangegangenen Lasthistorie ab.

Eine Batteriespeicheranlage kann innerhalb eines einzigen Tages mehrere Lade- und Entladevorgänge durchlaufen.

Beispielsweise kann ein Batteriesystem während hoher Solarenergieerzeugung laden, am Abend während der Spitzenlast entladen und in Zwischenzeiten zusätzliche Netzservices bereitstellen.

Obwohl das Umkehren der Leistungsrichtung bei gleichem Effektivstrom nicht selbst zu zusätzlicher Erwärmung führt, können häufige Änderungen der Stromstärke wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungszyklen verursachen.

Diese Zyklen können Folgendes beeinflussen:

• Die Hot-Spot-Temperatur der Wicklungen.

• Die Alterungsrate der Isolierung.

• Die thermische Ausdehnung und Kontraktion.

• Die mechanische Belastung der Wicklungshaltestrukturen.

• Den langfristigen Zustand von Öl und Isolierung.

Die resultierende Temperaturschwankung hängt von der Lastdauer und den thermischen Zeitkonstanten des Transformators ab.

Daher sollte die Dimensionierung des Transformators das gesamte Betriebsprofil berücksichtigen und nicht nur die Nennleistung des PCS.

2.2 Bewertung der Hot-Spot-Temperatur des Transformators

Die Isolationslebensdauer des Transformators wird stark durch die Hot-Spot-Temperatur der Wicklungen beeinflusst.

Bei ölgekühlten Transformatoren kann die ungefähre Hot-Spot-Temperatur wie folgt dargestellt werden:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Wo:

• θH: Die Hot-Spot-Temperatur der Wicklungen.

• θA: Umgebungstemperatur.

• δθTO: Temperaturerhöhung des oberen Öls über die Umgebungstemperatur.

• δθH: Temperaturgradient der Wicklungshotspot über der Temperatur des oberen Öls.

Die tatsächliche Temperaturerhöhung variiert je nach Last, Kühlkonzept, Transformatorgeometrie und Betriebshistorie.

Ingenieure sollten die Belastung anhand einschlägiger Richtlinien wie IEEE C57.91 oder IEC 60076-7 bewerten, abhängig von den Projektvorgaben.

Für BESS-Anlagen kann ein repräsentatives zeitliches Lastprofil helfen, thermische Risiken zu identifizieren, die bei einer einfachen Berechnung anhand der Nennleistung nicht sichtbar werden.

2.3 Gleichstrom-Einspeisung und Kernsättigung

Leistungselektronische Wandler können unter bestimmten Bedingungen kleine Gleichstromanteile in ihre Wechselstromausgabe einspeisen.

Eine übermäßige Gleichstrom-Einspeisung kann eine magnetische Vorspannung im Transformator-Kern erzeugen und dadurch folgende Effekte hervorrufen:

• Erhöhter Magnetisierungsstrom.

• Kernsättigung.

• Zusätzliche Streuverluste.

• Lokale Heizung.

• Erhöhtes akustisches Geräusch.

• Ungewöhnliche Vibration.

Gut konzipierte netzgekoppelte Wechselrichter und PCS-Geräte enthalten jedoch Steuerungs- und Schutzfunktionen, die darauf ausgelegt sind, die Gleichstrom-Einspeisung einzuschränken.

Die Gleichstrom-Verschiebung sollte als Anforderung an die Netzqualität und die Gerätekompatibilität bewertet werden und nicht als unvermeidliche Folge des bidirektionalen Betriebs angesehen werden.

Hersteller von Transformatoren sollten beim Kompatibilitätscheck die vom PCS-Hersteller spezifizierten Grenzwerte für die Gleichstrom-Einspeisung anfordern.

3. Oberwellenverzerrung und Transformer Verluste in hybriden PV-BESS-Systemen

3.1 Warum Leistungselektronik-Wandler wichtig sind

Photovoltaik-Wechselrichter und Batterie-PCS-Geräte nutzen Halbleiterschaltungen und Regelalgorithmen, um elektrische Energie umzuwandeln.

Diese Umwandlungsprozesse können harmonische Stromanteile erzeugen.

Je nach Umrichtertopologie, Schaltfrequenz, Regelstrategie und Filterung können relevante harmonische Anteile die 5., 7., 11. und 13. Harmonische sowie hochfrequentere Komponenten umfassen.

Das tatsächliche harmonische Spektrum ist vom Gerätehersteller oder einer geeigneten Netzqualitätsuntersuchung zu beziehen.

Harmonische Ströme können folgende Effekte verstärken:

• Wirbelstromverluste in den Wicklungen.

• Streuverluste in konstruktiven Komponenten.

• Zusätzliche Erwärmung der Leiter.

• Die gesamte thermische Belastung des Transformators.

• Potenzielle elektrische Spannungen infolge von Resonanzeffekten im umgebenden System.

Da wirbelstrombedingte Verluste frequenzabhängig sind, kann eine Bewertung allein auf Grundlage des Effektivwerts des Grundfrequenzstroms bestimmte Verlustbeiträge unterschätzen.

3.2 Erfordern BESS-Transformatoren K-Faktor-Bewertungen?

Der K-Faktor wird üblicherweise verwendet, um die Fähigkeit eines Transformators zu beschreiben, bestimmte nichtlineare Lastcharakteristiken aufzunehmen, insbesondere bei bestimmten Trockentransformatoren.

Die Auswahl einer beliebigen K-4-, K-9- oder K-13-Bewertung ist jedoch keine universelle Anforderung für flüssigkeitsgefüllte Solar- und Energiespeicher-Hochspannungstransformatoren.

Bei mittelspannungsführenden flüssigkeitsgefüllten Transformatoren ist ein geeigneterer technischer Ansatz die Bewertung des erwarteten Oberschwingungsspektrums und der daraus resultierenden zusätzlichen Verluste.

IEEE C57.110 enthält Methoden zur Beurteilung der Transformatorleistungsfähigkeit unter nichtsinusförmigen Laststrombedingungen innerhalb des in dieser Norm definierten Anwendungsbereichs.

Empfohlene technische Schritte umfassen:

1. Beschaffung der Oberschwingungsstromdaten der PV-Wechselrichter und der BESS-PCS.

2. Bewertung der erwarteten Betriebsbedingungen sowohl im Lade- als auch im Entlademodus.

3. Berechnung zusätzlicher Wicklungs- und Streuverluste, soweit zutreffend.

4. Überprüfung des Wicklungstemperaturanstiegs und der Isolationsbelastung.

5. Ermitteln Sie, ob eine spezielle Wicklungskonstruktion, zusätzliche Kühlung oder eine Leistungsreduzierung erforderlich ist.

Dieser anwendungsspezifische Ansatz hilft, eine unnötige Übergroßauslegung des Transformators zu vermeiden und gleichzeitig die Langzeitleistung zu schützen.

3.3 Verringerung der harmonikabedingten thermischen Belastung

Je nach Wechselrichtereigenschaften und Projektanforderungen können folgende Konstruktionsmöglichkeiten für den Transformator in Betracht gezogen werden:

• Optimierte Leiterauslegung der Wicklungen.

• Geeignete Leiterverdrillung oder Wicklungsanordnung.

• Zusätzliche thermische Reserve.

• Verbesserte Kühlkapazität.

• Verlustbewertung unter vorgegebener harmonischer Belastung.

• Abgestimmte Filterung auf Wechselrichter- oder Systemebene.

Die harmonische Filterung ist im Allgemeinen eine systemtechnische Entscheidung, an der der PCS-Lieferant, der EPC-Unternehmer und der Planer für die Netzanschlussgestaltung beteiligt sind.

Allein durch das Transformatordesign lassen sich nicht alle Harmonischenprobleme innerhalb eines hybriden Kraftwerks lösen.

4. Spannungsregelung und Auswahl des Lastschalters für den bidirektionalen Leistungsfluss

4.1 Spannungsanstieg und Spannungsabfall in hybriden Systemen

Die Klemmenspannung des Transformators hängt von Richtung und Betrag der Wirk- und Blindleistung, der Transformatorimpedanz sowie den Eigenschaften des angeschlossenen Netzes ab.

Während der PV-Erzeugung oder der Entladung des BESS kann der Leistungsexport an bestimmten Anschlusspunkten zu einem Spannungsanstieg beitragen.

Während des Netzladevorgangs kann die zugeführte Leistung zu einem Spannungsabfall beitragen.

Die tatsächliche Spannungsreaktion hängt jedoch auch von der Blindleistungssteuerung, der Systemimpedanz, der vorgelagerten Spannungsregelung und den Betriebsbedingungen des Netzes ab.

Bei hybriden PV-BESS-Anlagen muss die Spannungsregelung daher zwischen Wechselrichter, Transformator und Netzanschlussanlage koordiniert werden.

4.2 Abgeschaltete Stufenschalter vs. Lastschalter

Zwei gängige Stufenschaltanordnungen werden bei Leistungstransformatoren eingesetzt.

Abgeschalteter Stufenschalter (DETC)

Ein abgeschalteter Stufenschalter erlaubt die Anpassung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators nur dann, wenn der Transformator gemäß den Anweisungen des Herstellers sicher abgeschaltet ist.

Vorteilen umfassen:

• Relativ einfache Konstruktion.

• Geringere Anschaffungskosten.

• Verringerte mechanische Komplexität.

• Geeignet, wo Betriebsspannungsschwankungen durch andere Geräte ausgeglichen werden können.

Lastschalter unter Last (OLTC)

Ein Lastschalter erlaubt Stufenanpassungen, während der Transformator weiterhin unter Spannung steht und Last trägt – innerhalb seiner konstruktiven und betrieblichen Grenzen.

OLTC-Systeme können geeignet sein, wenn die Netzspannungsbedingungen eine aktive Anpassung des Transformatorverhältnisses erfordern.

Ein OLTC ist jedoch nicht automatisch erforderlich, nur weil die BESS häufig lädt und entlädt.

Moderne netzgekoppelte Wechselrichter können Spannungs- und Blindleistungsregelung innerhalb ihrer Leistungsfähigkeit und gemäß den Anforderungen der Netzcode-Vorgaben bereitstellen.

Häufige Stufenschalterbetriebsvorgänge können zudem zusätzliche Wartungsanforderungen mit sich bringen.

Technische Empfehlung: Bevor OLTC-Ausrüstung spezifiziert wird, sind die Volt-Var-Funktionen des Wechselrichters, die Regelung im Mittelspannungsnetz, die Anforderungen an die Netzanschlussbedingungen sowie die erwartete Frequenz der Stufenschalterbetriebsvorgänge zu bewerten.

5. Auswahl der richtigen Photovoltaik-Hochspannungs-Umspannwerk-Architektur

5.1 Integrierte PV-BESS-Hochspannungs-Umspannwerke

Aphotovoltaische Stepp-Up-Umspannstation vereinen die elektrische Ausrüstung, die zur Verbindung von Niederspannungs-Erzeugungsanlagen für erneuerbare Energien mit einem Mittelspannungs-Sammelnetz erforderlich ist.

Je nach Auslegung kann ein integriertes Umspannwerk Folgendes umfassen:

• Hochspannungstransformator.

• Mittelspannungs-Schaltanlage oder Ringnetzschaltanlage (RMU).

• Niederspannungs-Einspeise-Schaltanlage.

• Schutz- und Steuergeräte.

• Messgeräte.

• Überspannungsschutz.

• Hilfsstromversorgungssysteme.

• Überwachungs- und Kommunikationsschnittstellen.

Eine integrierte Lösung kann die Anzahl separater vor Ort installierter Komponenten reduzieren und die Geräteanordnung vereinfachen.

Mögliche Projektnutzen umfassen eine reduzierte Flächennutzung vor Ort, werkseitig integrierte Verbindungen, verbesserte Gerätekoordination und einen optimierten Installationsplan.

Der endgültige Installationszeitplan hängt jedoch von den Bauarbeiten, der Genehmigung durch Versorgungsunternehmen, der Vor-Ort-Prüfung und dem gesamten Bauprogramm ab.

5.2 Integrierte Schaltanlage vs. modulare Geräteanordnung

Auswahlkriterium	Integrierte Hochspannungs-Umrichterstation	Modulare Geräteanordnung
Ausstattung der Ausrüstung	Fabrikseitig integriertes Paket	Getrennte Transformator- und Schaltanlageneinheiten
Bauplatzfläche	Möglicherweise kompakt	Hängt vom Geräteabstand ab
Fabrikintegration	Höherer Grad an Vormontage	Möglicherweise mehr Koordination vor Ort erforderlich
Wartungszugang	Muss in die Gehäusekonstruktion integriert werden	Kann eine größere räumliche Trennung der Geräte ermöglichen
Zukünftige Erweiterung	Hängt vom Package-Design ab	Bietet häufig eine größere Flexibilität bei der Anordnung
Typische Anwendung	Solar-/BESS-Blöcke und kompakte Standorte	Große oder komplexe Umspannwerke

Bei Hybridkraftwerken im Versorgungsmaßstab sollte die Gerätearchitektur anhand von Wartbarkeit, Erweiterungsanforderungen, elektrischen Abständen, Sicherheit und Gesamtkosten der Installation ausgewählt werden.

5.3 Transformator mit zwei Niederspannungswicklungen

Einige PV-BESS-Kraftwerke verwenden Transformatoren mit separaten Niederspannungswicklungen für den Photovoltaik-Wechselrichter und den Batterie-PCS.

Diese Konfiguration kann separate elektrische Schnittstellen für die beiden Umrichtersysteme bereitstellen, während eine gemeinsame Mittelspannungsverbindung genutzt wird.

Mögliche Vorteile umfassen:

• Unabhängige Niederspannungsanschlussanordnungen.

• Größere Flexibilität bei der Auswahl der Wicklungsspannung.

• Geringerer Bedarf an bestimmter externer Wechselstrom-Kombinationsausrüstung.

• Anwendungsspezifisches Impedanz- und Erdungsdesign.

Separate Wicklungen gewährleisten jedoch unter allen Betriebsbedingungen keine vollständige elektrische Trennung zwischen den angeschlossenen Systemen.

Fehlerströme, Wicklungskopplung, Spannungstransienten und Koordination der Schutzeinrichtungen müssen mithilfe des mehrwickligen Ersatzschaltbildes des Transformators bewertet werden.

Ein Design mit zwei Sekundärwicklungen sollte daher auf Grundlage der erforderlichen Leistungsdaten, Wicklungsspannungen, Vektorgruppe, Impedanzen und Kurzschlusskennwerte spezifiziert werden.

6. Transformer Schutz für bidirektionale PV-BESS-Betriebsweise

6.1 Richtungsabhängiger Überstromschutz

Der traditionelle Verteilungsnetzschutz kann auf der Annahme beruhen, dass Fehlerstrom hauptsächlich von der Versorgungsquelle zum angeschlossenen Verbraucher fließt.

Hybride PV-BESS-Systeme können je nach Betriebsmodus, Wechselrichtersteuerung und Netzkonfiguration unterschiedliche Kurzschlussstrombeitragswege einführen.

Richtungsabhängige Überstromfunktionen wie ANSI 67 und 67N können geeignet sein, wenn die Kurzschlussrichtung unterschieden werden muss.

Weitere Schutzfunktionen können umfassen:

ANSI-Funktion	Schutzfunktion	Anwendungsbetrachtung
50/51	Sofortige/zeitgesteuerte Überstromschutzeinrichtung	Phasenfehlerschutz
50N/51N	Erdüberstromschutz	Fehlerstromerkennung
67/67N	Richtungsabhängiger Überstromschutz	Fehlerdiskriminierung bei Vorhandensein mehrerer Fehlerquellen
87T	Transformator-Differenzialschutz	Erkennung interner Transformatorfehler
49	Thermischer Schutz	Überwachung thermischer Überlastung
27/59	Unter-/Überspannung	Abnorme Spannungsbedingungen
81U/81O	Unter-/Überfrequenz	Netzfrequenzstörungen

Die Auswahl des Schutzes hängt von der Transformatorgröße, der Erdungsanordnung, den Anforderungen der Netzcode-Vorgaben und der Anlagenarchitektur ab.

Richtungsschutz sollte nicht allein deshalb spezifiziert werden, weil die Wirkleistung umkehren kann; seine Notwendigkeit muss durch eine Koordinationsstudie zum Schutzkonzept nachgewiesen werden.

6.2 Überspannungsschutz und Isolationskoordination

Photovoltaik- und BESS-Anlagen können Blitzeinschläge, Schaltüberspannungen und Spannungsstörungen erfahren.

Die Isolationssysteme von Transformatoren müssen an die erwartete elektrische Umgebung angepasst sein.

Wichtige Parameter umfassen:

• Höchstspannung für Geräte.

• Blitzstoßspannungsfestigkeit.

• Festigkeit gegen Wechselspannung bei Netzfrequenz.

• Nennwerte von Überspannungsableitern.

• Erdungsanordnungen.

• Isolierungseigenschaften von Kabeln.

• Bedingungen für Schaltüberspannungen.

Metall-Oxid-Überspannungsableiter können gemäß den Anforderungen an die Systemisolationskoordination eingebaut werden.

Bei ihrer Auswahl sollten das Erdungssystem, die maximale Dauerbetriebsspannung, vorübergehende Überspannungsbedingungen und die erwartete Überspannungsumgebung berücksichtigt werden.

6.3 Transformatormonitoring und SCADA-Integration

Große PV-BESS-Anlagen umfassen häufig zentralisierte Systeme zur überwachenden Steuerung und Datenerfassung (SCADA).

Je nach Transformatorauslegung und Projektanforderungen kann das Monitoring Folgendes umfassen:

• Temperatur des oberen Öls.

• Anzeige oder Schätzung der Wicklungstemperatur.

• Flüssigkeitsstand.

• Status der Druckentlastungseinrichtung.

• Gasansammlungsschutz, sofern zutreffend.

• Zustand des Kühlsystems.

• Alarm- und Auslösekontakte.

Buchholz-Relais werden üblicherweise mit geeigneten Flüssigkeits-Transformator-Typen mit Ausgleichsbehälter (Conservator) verwendet, nicht jedoch mit jedem abgedichteten Verteilungstransformator.

Über eine geeignete Steuerschnittstelle können die Überwachungsdaten mit übergeordneten Leitsystemen (SCADA) oder Energiemanagementsystemen verbunden werden.

Eine solche Integration kann Zustandsüberwachung, Wartungsplanung und betriebliche Transparenz unterstützen.

7. IEEE- und IEC-Normen für PV-BESS-Steigerungstransformatoren

Internationale Projekte im Bereich erneuerbarer Energien müssen die jeweils geltenden Transformatornormen sowie lokale Anforderungen an den Netzanschluss erfüllen.

Die folgenden Normen bieten relevante technische Referenzen.

Standard	Anwendungsbereich	Relevanz für PV-BESS-Projekte
IEEE C57.159	Leitfaden für Transformatoren in dezentralen Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen	Anwendungsleitfaden für PV-Wechselrichtertransformatoren
IEEE C57.12.00	Allgemeine Anforderungen an flüssigkeitsgefüllte Transformatoren	Transformatorkonstruktion und -leistung
IEEE C57.110	Transformatorleistungsfähigkeit bei nichtsinusförmigen Lastströmen	Bewertung von Oberschwingungsverlusten und Belastung
IEEE C57.91	Belastung von mineralölgefüllten Transformatoren	Thermische Leistung und Isolationsalterung
IEC 60076-1	Allgemeine Anforderungen an Leistungstransformatoren	Bewertungen und allgemeine Spezifikationen
IEC 60076-2	Temperaturanstieg bei flüssigkeitsgekühlten Transformatoren	Thermische Prüfung und Grenzwerte
IEC 60076-5	Kurzschlussfestigkeit	Anforderungen an die Kurzschlussfestigkeit
IEC 60076-7	Lastleitfaden für Transformatoren mit Mineralölkühlung	Lastzyklus-Bewertung
IEC 60076-16	Transformatoren für Windenergieanlagen	Vorwiegend relevant für Aufspanntransformatoren von Windenergieanlagen
IEEE 1547	Anbindung dezentraler Energiequellen	Anforderungen an die Netzschnittstelle dezentraler Energiequellen innerhalb ihres Anwendungsbereichs

IEC/IEEE 60076-16 ist speziell für Anwendungen von Aufschalttransformatoren in Windkraftanlagen vorgesehen. Es darf nicht als eigenständiger Standard für PV-BESS-Transformatoren dargestellt werden.

Ebenso bietet IEEE C57.159 Leitlinien für Transformatoren in dezentralen Photovoltaikanlagen, ersetzt jedoch nicht die allgemeinen Standards für Transformatorauslegung, -prüfung und -anschluss an das Stromnetz.

Bei Hybridanlagen sollten Ingenieure die jeweils geltenden Anforderungen getrennt festlegen und prüfen, ob bestimmte Bestimmungen für die gewählte Transformatoranordnung relevant sind.

8. Auswahl von Isolierflüssigkeiten für Solar- und BESS-Transformatoren

Die Auswahl der Isolierflüssigkeit beeinflusst die elektrische Festigkeit, den Wärmeübergang, den Brandschutz sowie umweltbezogene Aspekte.

8.1 Transformatoren mit Mineralöl

Mineralöl bleibt ein verbreitetes Isolier- und Kühlmedium für flüssigkeitsgefüllte Transformatoren.

Zu seinen Vorteilen zählen etablierte Fertigungsverfahren, breite Verfügbarkeit, nachgewiesene Betriebserfahrung und im Allgemeinen wettbewerbsfähige Anschaffungskosten.

8.2 Natürliche Ester-Isolierflüssigkeiten

Natürliche Ester-Flüssigkeiten werden zunehmend für Anlagen in Betracht gezogen, bei denen Brandschutz und Umweltverträglichkeit wichtig sind.

Im Vergleich zu herkömmlichem mineralischem Isolieröl bieten geeignete natürliche Ester-Flüssigkeiten im Allgemeinen:

• Höhere Flammpunkte.

• Günstige biologische Abbaubarkeit.

• Andere Eigenschaften im Umgang mit Feuchtigkeit.

• Mögliche Vorteile in ausgewählten brandsensitiven Anwendungen.

Bestimmte kommerzielle natürliche Ester-Flüssigkeiten weisen Flammpunkte über 300 °C auf.

Die ausgewählte Flüssigkeit muss jedoch mit dem Transformatoren-Isolationssystem, den Dichtungen, der Kühlkonfiguration und den Wartungsverfahren kompatibel sein.

Bei der Auswahl der Kühlflüssigkeit sollten auch die geltenden Brandschutzvorschriften, die Anforderungen an die Eindämmung sowie die projektbezogenen Umweltspezifikationen berücksichtigt werden.

Weder natürliche Esterflüssigkeit noch Mineralöl sollten allein anhand einer einzigen Leistungscharakteristik ausgewählt werden.

9. Praktische Transformatorbemessung für ein hybrides PV-BESS-Projekt

Betrachten Sie eine beispielhafte hybride Anlage mit folgenden Auslegungsparametern:

• PV-Wechselrichterleistung: 3 MW.

• BESS-PCS-Abladungsleistung: 2 MW.

• BESS-PCS-Ladeleistung: 2 MW.

• Mittelspannungs-Sammelsystem: 35 kV.

• Gemeinsame Wechselstrom-Sammelanordnung.

Falls das Steuerungssystem es zulässt, dass PV und BESS gleichzeitig mit ihrer maximalen aktiven Leistung einspeisen, kann die kombinierte Leistung folgenden Wert erreichen:

3 MW + 2 MW = 5 MW

Bei einem angenommenen Leistungsfaktor von 0,95 beträgt die ungefähre Scheinleistungsanforderung:

S = P / PF

S = 5.000 kW / 0,95 = 5.263 kVA

Eine vorläufige technische Bewertung könnte daher Transformatoren mit einer Nennleistung oberhalb dieser berechneten Scheinleistung in Betracht ziehen, abhängig von der erforderlichen Betriebsart, den Kühlbedingungen und den geltenden Normen.

Die tatsächliche Auswahl muss jedoch zusätzliche Faktoren berücksichtigen.

Beispielsweise kann sich bei einer Begrenzung des gesamten Netzeinspeisevermögens durch die Anlagensteuerung auf 4 MW die entsprechende Transformatorlastanforderung unterscheiden.

Ebenso kann das Laden der Batterie je nachdem, ob Energie aus der Solarstromerzeugung, dem Netz oder beiden Quellen stammt, zusätzliche Leistungsflussszenarien erzeugen.

Die endgültige Transformator-Nennleistung sollte anhand einer vollständigen Betriebsmatrix festgelegt werden, die Folgendes umfasst:

1. Maximaler gleichzeitiger PV- und BESS-Einspeiseverlust.

2. Maximal zulässiger Netzbezug.

3. Betriebsgrenzen für Blindleistung.

4. Oberschwingungsbelastung.

5. Hilfsverbraucher des Transformators.

6. Umgebungstemperatur.

7. Zukünftige Kapazitätserweiterung.

8. Zulässige Überlastbedingungen.

Bei Mehrwicklungs-Transformatoren muss jede Wicklung zusätzlich anhand ihrer individuellen Nennleistung und ihrer Stromgrenzen bewertet werden.

Das zentrale Prinzip besteht darin, den Transformator für die maximal plausiblen elektrischen und thermischen Betriebsbedingungen auszulegen – nicht einfach nach der Summe der Nennleistungen der installierten Geräte.

10. Maßgeschneiderte PV-BESS-Transformatorlösungen von Jiangsu Dingxin Electric

Jiangsu Dingxin Electric ist ein Hersteller von Verteilungs- und Leistungstransformatoren sowie vorgefertigten Umspannwerken für internationale Elektroinfrastrukturmärkte.

Mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der Transformatorindustrie bietet Dingxin Fertigungs- und anwendungsorientierte Ingenieurunterstützung für Projekte im Bereich erneuerbare Energien, industrielle Verteilung sowie Versorgungsnetze.

10.1 Kundenspezifische Transformatoren für Solar- und Batteriespeicherprojekte

PV- und BESS-Anwendungen erfordern häufig andere elektrische Konfigurationen als herkömmliche kommerzielle Verteilungsprojekte.

Dingxin arbeitet mit Kunden zusammen, um projektspezifische Anforderungen zu prüfen, darunter:

• Nennleistungen von Mittelspannungstransformatoren.

• Anschlusskonfigurationen von PV-Wechselrichtern und BESS-PCS.

• Kombinationen aus Primär- und Sekundärspannungen.

• Einzelne oder mehrere Niederspannungswicklungen.

• Transformator-Schaltgruppen.

• Impedanzanforderungen.

• Auswahl der Isolierflüssigkeit.

• Kühlkonfigurationen.

• Außengehäuse-Konfigurationen.

• Zusatzgeräte für Schutz und Überwachung.

Für Projekte mit 35-kV-Sammelsystemen können maßgeschneiderte integrierte Umspannwerkskonzepte entsprechend der geforderten Spannung, Leistung, Schaltanlagenanordnung und Installationsbedingungen bewertet werden.

10.2 Ingenieurtechnische Unterstützung für bidirektionalen Leistungsfluss

Eine zuverlässige PV-BESS-Integration erfordert die Abstimmung zwischen Transformatorauslegung und systemübergreifender elektrischer Ingenieurtechnik.

Während der technischen Spezifikationsprüfung sind folgende Aspekte wichtig:

Thermische Bewertung: Bewertung der Lastzyklen, Umgebungstemperaturen und der Wicklungstemperaturerhöhung.

Harmonische Bewertung: Überprüfen Sie die Oberschwingungsdaten des Wechselrichters und der PCS, um festzustellen, ob zusätzliche Verlustberechnungen oder konstruktive Maßnahmen erforderlich sind.

Elektrische Konfiguration: Passen Sie die Wicklungsspannung, die Impedanz, die Schaltgruppe und die Erdungsanordnungen an das hybride Stromversorgungssystem an.

Schutzkompatibilität: Stimmen Sie die Transformatorschutzanforderungen mit den Systemschutzeinrichtungen und den Schaltanordnungen ab.

Prüfung und Dokumentation: Legen Sie vor der Fertigung die geltenden IEEE-/IEC-Anforderungen, die Abnahmeprüfbedingungen im Werk sowie die technische Dokumentation fest.

Dingxin kann Gespräche über kundenspezifische Transformatoren-Spezifikationen für Solar-EPC-Unternehmen, Anbieter erneuerbarer Energien und Partner für die Integration von BESS unterstützen.

Tatsächliche Produktnennwerte, Konformitätsstatus, Prüfumfang und verfügbare Ausführungen sind anhand der projektspezifischen technischen Dokumentation zu bestätigen.

11. Häufig gestellte Fragen zu PV-BESS-Transformern mit Spannungsanhebung

Was ist ein Transformator mit bidirektionalem Leistungsfluss?

Ein Transformator mit bidirektionalem Leistungsfluss ist ein Transformator, der in einem elektrischen System eingesetzt wird, in dem die Wirkleistung in beide Richtungen fließen kann.

Konventionelle Wechselstrom-Transformatoren können im Allgemeinen Leistung in beide Richtungen übertragen; bei hybriden Anwendungen mit erneuerbaren Energien sind jedoch möglicherweise zusätzliche Bewertungen der Lastzyklen, Oberschwingungen, Spannungsregelung und Schutzmaßnahmen erforderlich.

Wodurch unterscheidet sich ein BESS-Step-up-Transformator von einem konventionellen Solartransformator?

Ein BESS-Step-up-Transformator kann unter Lade-, Entlade-, Standby- und Blindleistungsunterstützungsbedingungen betrieben werden.

Im Vergleich zu einer konventionellen Solarstromerzeugungsanwendung kann sein Betriebsprofil unterschiedliche Lastzyklen und Anforderungen an die Netzqualität umfassen.

Die Transformatorauslegung sollte auf die tatsächlichen Eigenschaften des PCS und die Systembetriebsbedingungen abgestimmt sein.

Kann ein einziger Transformator sowohl PV-Wechselrichter als auch BESS-PCS-Geräte verbinden?

Ja. Eine gemeinsame Transformatoranordnung ist möglicherweise möglich, wenn die elektrische Architektur, Wicklungsbelastbarkeit, Spannungsebenen, Koordination der Schutzeinrichtungen und thermische Kapazität ordnungsgemäß ausgelegt werden.

Möglichkeiten umfassen einen gemeinsamen Niederspannungsbus oder eine Mehrwicklungs-Transformatorausführung.

Führt bidirektionaler Leistungsfluss zu Transformatorkernsättigung?

Nicht von allein.

Kernsättigung steht im Zusammenhang mit magnetischen Betriebsbedingungen wie einem übermäßigen Spannungs-zu-Frequenz-Verhältnis, Gleichstrom-Vorspannung oder bestimmten transienten Bedingungen.

Die Richtung des normalen Wechselstrom-Aktivleistungsflusses allein verursacht nicht zwangsläufig eine Transformatorkernsättigung.

Sind K-Faktor-Transformatoren für BESS-Anlagen zwingend vorgeschrieben?

Nein. Die Belastung durch Oberschwingungen sollte anhand des tatsächlichen Stromspektrums des PCS und der jeweils geltenden Transformator-Designmethodik bewertet werden.

Eine spezifische K-Faktor-Kennzeichnung darf nicht pauschal als zwingend für jeden flüssigkeitsgefüllten BESS-Transformator angesehen werden.

Ist ein OLTC für eine PV-BESS-Hochsetz-Unterstation erforderlich?

Nicht unbedingt.

Die Anforderungen an den Lastschalttransformator hängen von den Netzspannungsbedingungen, der Blindleistungsregelungsfähigkeit des Wechselrichters, der Netzregelungsstrategie und den Projektanforderungen ab.

Viele Anlagen verwenden spannungslose Stufenschalter in Kombination mit einer geeigneten Spannungsregelung auf Wechselrichter- und Netzebene.

Welche Normen gelten für PV-BESS-Transformatoren?

Relevante Referenzen umfassen IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 sowie anwendbare Lastführungsrichtlinien.

Die Anforderungen an die Netzanschlussverbindung müssen gesondert berücksichtigt werden.

Wie kann ein Transformatorenhersteller Hybrid-PV-BESS-Projekte unterstützen?

Ein Hersteller kann bei der projektspezifischen Auswahl des Transformators, der Wicklungskonfiguration, der Verlustbewertung, der Isolationsauslegung, der thermischen Leistungsbeurteilung, der Zubehörauswahl sowie der Dokumentation der Werksprüfungen unterstützen.

Die endgültige Gerätespezifikation sollte zwischen dem EPC-Unternehmer, dem PCS-Lieferanten, dem Netztechniker und dem Transformatorenhersteller abgestimmt werden.

12. Schlussfolgerung: Zuverlässige Konstruktion PV-BESS-Stromversorgungsinfrastruktur

Mit der zunehmenden Integration von Solarenergieerzeugung und Batteriespeichersystemen entwickelt sich die Auswahl von Transformatoren über die herkömmliche Nennleistung und Spannungsanpassung hinaus.

Eine zuverlässige photovoltaische Stepp-Up-Umspannstation muss die Betriebseigenschaften hybrider erneuerbarer Energiesysteme unterstützen und gleichzeitig eine angemessene thermische, elektrische und dielektrische Leistung gewährleisten.

Zu den entscheidenden ingenieurtechnischen Aspekten zählen:

• Zweirichtige Wirk- und Blindleistungsflüsse.

• Variable Lade- und Entladeprofile.

• Harmonische Stromcharakteristiken.

• Thermische Belastung und Isolationsalterung des Transformators.

• Spannungsregelung und Abgriffswahl.

• Fehlerstrom aus mehreren Quellen sowie Koordination der Schutzeinrichtungen.

• Anwendbare IEEE-/IEC-Normen.

• Anforderungen an Langzeitzuverlässigkeit und Wartung.

Bei Großprojekten im Bereich erneuerbarer Energien kann eine frühzeitige Abstimmung zwischen Transformatorherstellern, EPC-Unternehmern, PCS-Lieferanten und Netzbetreibern Integrationsrisiken verringern und die Gerätekompatibilität verbessern.

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Jiangsu Dingxin Electric bietet maßgeschneiderte Transformator- und integrierte Umspannwerkslösungen für Photovoltaik-Erzeugung, Batteriespeichersysteme und Mittelspannungs-Stromverteilung.

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Webseite: https://www.dishinelectric.com/