Feszültségnövelő transzformátorok tervezése napelemes (PV) és akkumulátoros energiatároló rendszerekhez: kétirányú teljesítményáramlás, hőterhelés és védelem kezelése

A napelemes (PV) termelés és az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) egyre nagyobb mértékű beépítése átalakítja a megújuló energiaerőművek csatlakozását az elektromos elosztóhálózatokhoz.

Ellentétben a hagyományos napelemes berendezésekkel, amelyek elsősorban a termelt villamos energiát exportálják, a hibrid PV-BESS létesítmények több üzemmódban is működhetnek: napelemes energia exportálása, akkumulátorok feltöltése a hálózatról vagy a napelemes termelésből, tárolt energia leadása, valamint hálózati támogató szolgáltatások nyújtása.

Ezek a változó üzemfeltételek új mérnöki követelményeket támasztanak a napelemes feszültségnövelő alállomással és a kapcsolódó transzformátorokkal szemben.

Megfelelően tervezett kétirányú teljesítményáramlást támogató transzformátor képesnek kell lennie a változó terhelési profilok kezelésére, az elfogadható hőmérsékleti teljesítmény fenntartására, az előírt elektromos zavarok elviselésére, valamint egy összehangolt védőrendszeren belüli működésre.

A napenergiás EPC-kivitelezők, a BESS-integrátorok, a közműmérnökök és az ipari villamosenergia-rendszerek tervezői számára a transzformátor kiválasztása ezért kritikus fontosságú a projekt megbízhatóságának és életciklus-költség-kezelésének biztosításához.

Ez az útmutató vizsgálja a napelemes (PV) és akkumulátoros (BESS) rendszerek integrációjának villamos, hőmérsékleti és védőtechnikai kihívásait, és magyarázza el, hogyan lehet megadni egy megfelelő feszültségnövelő transzformátort modern hibrid megújuló energiaprojektekhez.

1. A PV-BESS hibrid energiaellátó rendszerek megértése

1.1 Hogyan változtatja meg a napelem + tároló a villamosenergia-elosztást

Egy hagyományos, hálózatra csatlakoztatott napelemes erőműben a napelem-inverterek a napelem-modulokból származó egyenáramot váltják át váltóárammá.

Egy feszültségnövelő transzformátor növeli az inverter kimeneti feszültségét a szükséges közepes feszültségű elosztási szintre, például 10 kV-ra, 20 kV-ra vagy 35 kV-ra.

A teljesítmény általában a napelemes generáló berendezésektől a gyűjtőhálózat vagy a közműhálózat felé folyik, bár segédterhelések és egyes üzemelési feltételek korlátozott visszafolyást eredményezhetnek.

Amikor akkumulátoros energiatárolót vezetnek be, az elektromos architektúra összetettebbé válik.

Egy hibrid napelemes–akkumulátoros rendszer több üzemmódban is működhet:

Működési Mód	Energiaáramlás	Transzformátor figyelembevétele
Napenergia generáció	Napelem-inverter → Transzformátor → Hálózat	Folyamatos generációs terhelés
Akkumulátor töltése a hálózatról	Hálózat → Transzformátor → BESS PCS	Fordított aktív teljesítményáramlás
Akkumulátor kisütése	BESS PCS → transzformátor → hálózat	Export terhelés és hőteljesítmény
Napelem- és akkumulátorrendszer-export	Napelem + akkumulátorrendszer → transzformátor → hálózat	Kombinált maximális kimenet
Hálózattámogatás	Kétirányú aktív/reaktív teljesítménycsere	Feszültségszabályozás és védelemkoordináció
Készenléti állapot	Minimális aktív teljesítmény-átvitel	Üresjárási veszteségek és segédigény

Az AC-kapcsolású rendszerekben a napelem-inverterek és az akkumulátoros energiatároló rendszerek (PCS) csatlakozhatnak egy közös AC-gyűjtőhálózathoz.

A rendszer kapacitásától és elektromos architektúrájától függően külön BESS-transzformátor, megosztott feszültségnövelő transzformátor vagy több transzformátorból álló konfiguráció is használható.

1.2 Miért fontos a kétirányú teljesítményáramlás

Egy hagyományos transzformátor általában képes AC-teljesítményt mindkét irányban átvinni, feltéve, hogy tiszteletben tartja a feszültség-, áram-, szigetelési, hőmérsékleti és védelmi korlátozásait.

Ezért, a kétirányú teljesítményáramlás nem feltétlenül igényel teljesen más mágneses tervezést a transzformátornál .

A mérnöki kihívás a hibrid napenergia- és tárolórendszerekhez kapcsolódó üzemeltetési feltételekből ered.

Ezek közé tartozhatnak:

• A többszöri váltás a töltés és a kisütés között.

• A napi változó terhelés.

• Inverter által generált harmonikus áramok.

• Virtuális teljesítmény-csere.

• Lehetséges egyenáramú áraminjekció.

• Különböző hibáram-ellátás különböző üzemmódokban.

• Feszültségváltozások a gyűjtőhálózaton.

• Hosszú ideig tartó, feszültség alatt álló várakozási üzem.

Egy napelemes feszültségnövelő transzformátort nemcsak az áramlás iránya, hanem ezekre a tényleges üzemfeltételekre is ki kell értékelni.

2. Hőterhelés és terhelési kihívások BESS feszültségnövelő transzformátoroknál

2.1 Hőciklusok töltés és kisütés közben

A hőteljesítmény egy fő szempont a kiválasztásnál BESS feszültségnövelő transzformátor kiválasztásánál .

A transzformátor tekercsek és szigetelőfolyadék hőmérséklete elsősorban az elektromos veszteségektől, a hűtési körülményektől, a környezeti hőmérséklettől és az előző terhelési történettől függ.

Egy akkumulátoros tárolótelep egyetlen nap alatt több töltési és kisütési ciklust is átélhet.

Például egy akkumulátorrendszer napfényes időben tölthet, este csúcsidőben tudhatja le az energiát, és közbeeső időszakokban további hálózati szolgáltatásokat nyújthat.

Bár a teljesítményáramlás megfordítása önmagában nem okoz plusz melegedést ugyanazon az effektív áramerősségnél, a gyakori áramerősség-változások ismétlődő melegedési és hűlési ciklusokat eredményezhetnek.

Ezek a ciklusok befolyásolhatják:

• A tekercsek forrópontjának hőmérsékletét.

• A szigetelés öregedési sebességét.

• A hőtágulást és hőösszehúzódást.

• A tekercs-tartószerkezetek mechanikai terhelését.

• A hosszú távú olaj- és szigetelési állapotot.

Az eredményül kapott hőmérsékletváltozás a terhelés időtartamától és a transzformátor hőmérsékleti időállandóitól függ.

Ennek következtében a transzformátor méretezése a teljes üzemelési profilra, nem csupán a névleges PCS teljesítménynél megadott értékre kell, hogy figyelmet fordítson.

2.2 A transzformátor forrópont-hőmérsékletének értékelése

A transzformátor szigetelésének élettartama erősen függ a tekercsek forrópont-hőmérsékletétől.

Olajban hűtött transzformátorok esetében a közelítő forrópont-hőmérséklet a következőképpen fejezhető ki:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Ahol:

• θH: A tekercsek forrópontjának hőmérsékletét.

• θA: Környezeti hőmérséklet.

• δθTO: Felső olajréteg hőmérséklet-emelkedése a környezeti hőmérséklet fölé.

• δθH: A tekercs forrópontjának hőmérséklet-gradiense a felső olajhőmérséklet felett.

A tényleges hőmérséklet-emelkedés terheléstől, hűtési kialakítástól, transzformátor geometriájától és üzemeltetési előzményektől függően változik.

A mérnököknek a terhelés értékelését az alkalmazható irányelvek szerint – például az IEEE C57.91 vagy az IEC 60076-7 szabványok szerint – kell elvégezniük, a projekt specifikációitól függően.

A BESS telepítések esetében egy reprezentatív idősoros terhelésprofil segíthet azon hőmérsékleti kockázatok azonosításában, amelyek egyszerű névleges teljesítmény-kalkuláció során nem jelennek meg.

2.3 Egyenáram-bevezetés és vasmag telítődése

A teljesítményelektronikai átalakítók bizonyos feltételek mellett kis egyenáram-összetevőket vezethetnek be váltakozó áramú kimenetükbe.

A túlzott egyenáram-bevezetés mágneses eltolódást okozhat a transzformátor vasmagjában, ami potenciálisan a következőkhez vezethet:

• Növekedett gerjesztőáram.

• Vasmag telítődése.

• További szórt veszteségek.

• Helyileg korlátozott felmelegedés.

• Növekedett akusztikus zaj.

• Abnormális rezgés.

Azonban a jól megtervezett hálózatra csatlakozó inverterek és PCS-felszerelések olyan vezérlési és védőfunkciókat tartalmaznak, amelyek célja a DC-áram beinjektálásának korlátozása.

A DC-elcsúszás értékelését a villamosenergia-minőség és a berendezések kompatibilitásának követelményeként kell kezelni, nem pedig feltételezni, hogy elkerülhetetlen következménye a kétirányú működésnek.

A transzformátorok gyártói a kompatibilitás értékelésekor kérniük kell a PCS-gyártótól a megadott DC-beinjektálási határértékeket.

3. Harmonikus torzítás és Transzformátor Veszteségek hibrid napelem–BESS-rendszerekben

3.1 Miért fontosak a teljesítményelektronikai átalakítók

A fotovoltaikus inverterek és az akkumulátoros PCS-felszerelések félvezető kapcsolókat és vezérlési algoritmusokat használnak az elektromos energia átalakításához.

Ezek az átalakítási folyamatok harmonikus áramösszetevőket vezethetnek be.

A konverter topológiájától, a kapcsolási frekvenciától, a vezérlési stratégiától és a szűréstől függően a releváns harmonikus összetevők közé tartozhatnak az 5., a 7., a 11. és a 13. harmonikusok, valamint magasabb frekvenciájú összetevők.

A tényleges harmonikus spektrumot a felszerelés gyártójától vagy egy megfelelő villamosenergia-minőségi tanulmányból kell megszerezni.

A harmonikus áramok növelhetik:

• A tekercsek örvényáram-veszteségét.

• A szerkezeti elemekben keletkező szórt veszteségeket.

• A vezetékek további felmelegedését.

• A transzformátor teljes hőterhelését.

• A szélesebb rendszerben potenciális rezonancia okozta villamos terhelést.

Mivel a harmonikus kapcsolódó örvényáram-veszteségek frekvenciafüggőek, a csupán az alapfrekvenciás effektív áram értékelése bizonyos veszteség-hozzájárulásokat alábecsülhet.

3.2 Szükséges-e K-tényezős minősítés a BESS transzformátorokhoz?

A K-tényezőt gyakran használják a transzformátor képességének leírására a megadott nemlineáris terhelési jellemzők elviselésére, különösen egyes száraz típusú transzformátor-alkalmazásokban.

Azonban egy tetszőlegesen kiválasztott K-4, K-9 vagy K-13 minősítés nem univerzális követelmény a közepes feszültségű, folyadékkal töltött napenergiás és energiatárolós feszültségnövelő transzformátorok esetében.

Közepes feszültségű, folyadékkal töltött transzformátoroknál egy megfelelőbb mérnöki megközelítés az elvárt harmonikus spektrum és az ebből eredő további veszteségek értékelése.

Az IEEE C57.110 szabvány módszereket tartalmaz a transzformátor képességének értékeléséhez nem szinuszos terhelőáram-körülmények mellett, annak meghatározott hatáskörén belül.

Ajánlott mérnöki lépések a következők:

1. Szerezze be a napelem-inverter és a BESS PCS harmonikus áramadatait.

2. Értékelje a várható üzemeltetési körülményeket mind a töltési, mind a kisütési üzemmódban.

3. Számítsa ki a további tekercselési és szórt veszteségeket, amennyiben alkalmazhatók.

4. Ellenőrizze a tekercselés hőmérséklet-emelkedését és szigetelés terhelését.

5. Határozza meg, szükséges-e speciális tekercselési kivitel, további hűtés vagy teljesítménycsökkentés.

Ez az alkalmazás-specifikus megközelítés segít elkerülni a felesleges transzformátor-túlméretezést, miközben védi a hosszú távú működési teljesítményt.

3.3 A harmonikusokhoz kapcsolódó hőterhelés csökkentése

Az inverter jellemzőitől és a projekt követelményeitől függően a transzformátor mérnöki megoldásai közé tartozhatnak:

• Optimalizált tekercselési vezetőkialakítás.

• Megfelelő vezetők kereszthelyezése vagy tekercselési elrendezés.

• További hőmérsékleti tartalék.

• Javított hűtési képesség.

• Vesztességértékelés meghatározott harmonikus terhelés mellett.

• A frekvenciaváltón vagy a rendszerszinten koordinált szűrés.

A harmonikus szűrés általában egy rendszerszintű mérnöki döntés, amelybe bevonják a PCS-szolgáltatót, az EPC-kivitelezőt és a hálózatra csatlakoztatás tervezőjét.

A transzformátor tervezése önmagában nem oldja meg minden harmonikus problémát egy hibrid erőműben.

4. Feszültségszabályozás és irányított teljesítményáramlásra alkalmas kapcsolóberendezés kiválasztása

4.1 Feszültségnövekedés és feszültségesés hibrid rendszerekben

A transzformátor végponti feszültsége függ az aktív és a meddő teljesítmény irányától és nagyságától, a transzformátor impedanciájától, valamint a csatlakoztatott hálózat jellemzőitől.

A napelemes generáció vagy a BESS kisütése során a betáplált teljesítmény hozzájárulhat a feszültségnövekedéshez bizonyos csatlakozási pontokon.

A hálózatról történő töltés során a behurcolt teljesítmény hozzájárulhat a feszültségeséshez.

Azonban a tényleges feszültségválasz függ a meddőteljesítmény-szabályozástól, a rendszer impedanciájától, a felső feszültségszabályozástól és a hálózat üzemeltetési feltételeitől.

Ezért a hibrid napelem-BESS (akku) berendezéseknél a feszültségszabályozást az inverteren, a transzformátoron és a hálózatra csatlakoztatási rendszeren keresztül koordinálni kell.

4.2 Kikapcsolt üzemmódú szabályozók vs terhelés alatti szabályozók

Két gyakori szabályozó-elrendezést alkalmaznak erőtranszformátorokban.

Kikapcsolt üzemmódú szabályozó (DETC)

A kikapcsolt üzemmódú szabályozó csak akkor teszi lehetővé a transzformátor menetszám-arányának beállítását, ha a transzformátor biztonságosan kikapcsolt állapotban van a gyártó utasításai szerint.

Előnnye közé tartozik:

• Viszonylag egyszerű felépítés.

• Alacsonyabb kezdőköltség.

• Csökkent mechanikai bonyolultság.

• Megfelelő olyan helyeken, ahol a működési feszültség-ingadozásokat más berendezésekkel lehet kezelni.

Terhelés alatti kapcsoló (OLTC)

Az OLTC lehetővé teszi a szabályozóképesség beállítását, miközben a transzformátor továbbra is feszültség alatt áll és terhelés alatt működik, a kialakításának és üzemeltetési korlátozásainak megfelelően.

Az OLTC rendszerek akkor lehetnek megfelelők, ha a hálózati feszültségi viszonyok aktív transzformátor-áttétel-beállítást igényelnek.

Azonban az OLTC nem kötelező egyszerűen azért, mert a BESS gyakran töltődik és ürül.

A modern inverter-alapú erőforrások feszültség- és meddőteljesítmény-szabályozást nyújtanak a saját képességeik és a hálózati kódok előírásai szerint.

A gyakori szabályozóképesség-műveletek további karbantartási igényeket is okozhatnak.

Műszaki ajánlás: Az OLTC berendezések megadása előtt értékelni kell az inverterek feszültség–meddőteljesítmény (Volt-VAR) képességeit, a közepes feszültségű hálózat szabályozását, a hálózatra kapcsolódási követelményeket, valamint a várható szabályozóképesség-műveletek gyakoriságát.

5. A megfelelő napelemes feszültségnövelő alállomás-architektúra kiválasztása

5.1 Integrált napelemes–BESS feszültségnövelő alállomások

Anapelemes feszültségnövelő alállomással összevonja az alacsony feszültségű megújuló energiaforrások közepes feszültségű gyűjtőhálózatra való csatlakoztatásához szükséges villamosberendezéseket.

A tervezésétől függően egy integrált alállomás tartalmazhat:

• Feszültségnövelő elosztótranszformátort.

• Közepes feszültségű kapcsolóberendezést vagy gyűrűs főelosztó egységet (RMU).

• Alacsony feszültségű bejáratú kapcsolóberendezést.

• Védő- és vezérlőberendezéseket.

• Mérőberendezéseket.

• Áramütés elleni védelem.

• Segéd elektromos rendszereket.

• Figyelő- és kommunikációs interfészeket.

Egy integrált megoldás csökkentheti a külön, helyszínen telepített komponensek számát, és egyszerűsítheti a berendezések elrendezését.

A lehetséges projektelőnyök közé tartozik a telephely területének csökkenése, a gyári integrált csatlakozások, a berendezések jobb összehangolása és az egyszerűsített telepítési tervezés.

Ennek ellenére a végső telepítési ütemterv függ az építőmérnöki munkáktól, a közüzemi engedélyektől, a helyszíni teszteléstől és az általános építési programtól.

5.2 Integrált alállomás vs. moduláris berendezéselrendezés

Kiválasztási tényező	Integrált feszültségnövelő alállomás	Moduláris berendezéselrendezés
Berendezés elrendezése	Gyári integrálású csomag	Különálló transzformátor- és kapcsolóberendezés-egységek
Helyszín elfoglalt területe	Potenciálisan kompakt	A berendezések távolságától függ
Gyári integráció	Magasabb fokú előgyártás	Több terepi koordinációra lehet szükség
Karbantartási Hozzáférés	Be kell építeni a burkolat tervezésébe	Nagyobb berendezés-elválasztást biztosíthat
A jövőbeli bővítést	A csomagolási tervezéstől függ	Gyakran nagyobb elrendezési rugalmasságot kínál
Tipikus alkalmazás	Napelem/BESS blokkok és kompakt helyszínek	Nagy vagy összetett alállomások

Közüzemi méretű hibrid erőművek esetén a berendezés architektúráját a karbantarthatóság, bővíthetőségi igények, villamos távolságok, biztonság és az összes telepített költség alapján kell kiválasztani.

5.3 Kétfokozatú alacsonyfeszültségű transzformátor tervezése

Egyes napelem-akkumulátor-rendszer (PV-BESS) erőművek transzformátorokat használnak, amelyeknek külön alacsonyfeszültségű tekercsei vannak a napelem-inverterhez és az akkumulátor PCS-hez.

Ez a konfiguráció külön elektromos interfészeket biztosíthat a két átalakítórendszer számára, miközben közös közepes feszültségű csatlakozást osztanak meg.

Lehetséges előnyök:

• Független alacsonyfeszültségű csatlakozási elrendezések.

• Nagyobb rugalmasság a tekercsfeszültség-kiválasztásban.

• Csökkent igény egyes külső váltóáramú összekötő berendezésekre.

• Alkalmazásspecifikus impedancia- és földelési tervezés.

A külön tekercsek azonban nem biztosítanak teljes elektromos elválasztást a csatlakoztatott rendszerek között minden üzemeltetési feltétel mellett.

A hibával járó áramokat, a tekercsek kölcsönhatását, a feszültség-tranzienst és a védelemkoordinációt a transzformátor többtekercses helyettesítő kapcsolási rajza alapján kell értékelni.

Ezért egy kettős másodlagos (dual-secondary) kialakítást a szükséges teljesítményadatok, tekercsfeszültségek, vektorcsoport, impedanciák és rövidzárási jellemzők alapján kell meghatározni.

6. Transzformátor Védőberendezés a kétirányú napelem-akkumulátor-rendszer (PV-BESS) üzemeltetéshez

6.1 Irányított túramenetvédelem

A hagyományos elosztási védelem feltételezheti, hogy a hibával járó áram főként a közműellátástól a csatlakoztatott fogyasztók felé folyik.

A hibrid napelem-akkumulátoros rendszerek különböző hibával járó áramellátási útvonalakat vezethetnek be, az üzemelési mód, az invertervezérlés és a hálózati konfiguráció függvényében.

Olyan irányított túramenetvédelmi funkciók – például az ANSI 67 és 67N – megfelelőek lehetnek, ahol a hiba irányát meg kell különböztetni.

Egyéb védőfunkciók közé tartozhatnak:

ANSI-funkció	Védelmi funkció	Alkalmazási tényezők
50/51	Azonnali/időkésleltetett túramenetvédelem	Fázishibavédelem
50N/51N	Földelési túramenetvédelem	Földelési hibadetektálás
67/67N	Irányított túramáram-védés	Hibaelkülönítés több forrás esetén
87T	Transzformátor differenciál	Belső transzformátorhibák észlelése
49	Hővédelem	Hőterhelés-figyelés
27/59	Alacsony/magas feszültség	Rendellenes feszültségi viszonyok
81U/81O	Alacsony/magas frekvencia	Hálózati frekvenciaváltozások

A védőberendezés kiválasztása a transzformátor méretétől, a földelési konfigurációtól, a hálózkód követelményeitől és az erőmű architektúrájától függ.

Az irányított védelem nem szabad, hogy kizárólag az aktív teljesítmény megfordulásán alapuljon; szükségességét védelmi koordinációs tanulmány alapján kell meghatározni.

6.2 Áramütés- és szigeteléskoordinációs védelem

A napelemes és BESS berendezések villám által keltett túlfeszültségeknek, kapcsolási tranzienseknek és feszültségzavaroknak is kitettek lehetnek.

A transzformátor szigetelési rendszerét az elvárt elektromos környezettel össze kell hangolni.

Fontos paraméterek:

• A berendezés legnagyobb feszültsége.

• Villámimpulzus-állósági szint.

• Teljesítményfrekvenciás dielektromos állósági feszültség.

• Túlfeszültség-elvezetők névleges értékei.

• Földelési elrendezések.

• A kábel szigetelésének jellemzői.

• Kapcsolási átmeneti feltételek.

A rendszer szigetelési koordinációs követelményei szerint fémes-oxidos túlfeszültség-védőket lehet beépíteni.

Kiválasztásuknál figyelembe kell venni a földelési rendszert, a maximális folyamatos üzemi feszültséget, az ideiglenes túlfeszültségi feltételeket és a várható túlfeszültségi környezetet.

6.3 Transzformátor-figyelés és SCADA-integráció

A nagy méretű napelem–akkumulátor-rendszer (PV-BESS) erőművek gyakran központosított felügyeleti vezérlési és adatgyűjtő (SCADA) rendszereket tartalmaznak.

A transzformátor tervezésétől és a projekt követelményeitől függően a figyelés a következőket is magában tarthatja:

• Felső olajhőmérséklet.

• Tekercsek hőmérsékletének megjelenítése vagy becslése.

• Folyadékszint.

• Nyomáscsökkentő eszköz állapota.

• Gyűjtött gáz védelme, ahol alkalmazható.

• Hűtőrendszer állapota.

• Riasztó- és lekapcsoló érintkezők.

A Buchholz-relék általában megfelelő konzervátoros típusú folyadékkal hűtött transzformátorokhoz kapcsolódnak, nem minden zárt elosztótranszformátorhoz.

A figyelési adatok csatlakoztathatók egy megfelelő vezérlőfelületen keresztül az üzem szintjén működő SCADA- vagy energiamenedzsment-rendszerekhez.

Ez az integráció támogathatja az állapotfigyelést, a karbantartási tervezést és az üzemeltetési átláthatóságot.

7. Az IEEE és az IEC szabványai PV-BESS feszültségnövelő transzformátorokhoz

A nemzetközi megújuló energia projekteknek meg kell felelniük a vonatkozó transzformátor-szabványoknak és a helyi hálózati csatlakozási követelményeknek.

Az alábbi szabványok releváns műszaki hivatkozásokat nyújtanak.

Alapértelmezett	Hatáskör	Kapcsolódás a PV-BESS-projektekhez
IEEE C57.159	Útmutató a megosztott napelemes áramfejlesztő rendszerekben használt transzformátorokhoz	Napelem-inverter transzformátor alkalmazási útmutatója
IEEE C57.12.00	Folyadékkal hűtött transzformátorok általános követelményei	Transzformátorok kialakítása és teljesítménye
IEEE C57.110	Transzformátorok képessége nem szinuszos terhelési áramok mellett	Harmonikus veszteség és terhelés értékelése
IEEE C57.91	Ásványolajjal hűtött transzformátorok terhelése	Hőteljesítmény és hőszigetelés öregedése
IEC 60076-1	Teljesítménytranszformátorok általános követelményei	Jellemző értékek és általános műszaki adatok
IEC 60076-2	Folyadékkal hűtött transzformátorok hőmérséklet-emelkedése	Hőpróbák és korlátozások
IEC 60076-5	Rövidzárlati terhelés elviselésének képessége	Rövidzárlati terhelés elviselésére vonatkozó követelmények
IEC 60076-7	Ásványolajjal hűtött transzformátorok terhelési útmutatója	Terhelési ciklus értékelése
IEC 60076-16	Szélturbinákhoz használt transzformátorok	Főként a szélturbinák feszültségemelő transzformátoraira vonatkozik
IEEE 1547	Elosztott energiatermelő berendezések hálózatra kapcsolása	A szabvány hatáskörébe tartozó elosztott energiatermelő berendezések (DER) hálózati interfész-követelményei

Az IEC/IEEE 60076-16 kifejezetten szélenergiás lépcsőfokozó transzformátorokra vonatkozik. Nem tekinthető kizárólagos napelemes és akkumulátoros (PV-BESS) transzformátor-szabványnak.

Hasonlóképpen az IEEE C57.159 iránymutatást nyújt elosztott napelemes transzformátorok alkalmazásához, de nem helyettesíti az általános transzformátor-tervezési, -vizsgálati és -hálózatra kapcsolási szabványokat.

Hibrid telepítések esetén a mérnököknek külön-külön kell megadniuk a vonatkozó követelményeket, és ellenőrizniük kell, hogy az egyes rendelkezések érvényesek-e a kiválasztott transzformátor-konfigurációra.

8. A napelemes és akkumulátoros (BESS) transzformátorok szigetelőfolyadékának kiválasztása

A szigetelőfolyadék kiválasztása befolyásolja a dielektromos teljesítményt, a hőátvitelt, a tűzvédelmet és a környezeti szempontokat.

8.1 Ásványi olajos transzformátorok

Az ásványi olaj továbbra is gyakori szigetelő és hűtőközeg folyadékhűtéses transzformátorokban.

Előnyei közé tartozik a megszokott gyártási gyakorlat, a széles körű elérhetőség, a jól ismert üzemeltetési tapasztalat és általában versenyképes kezdőköltség.

8.2 Természetes észter szigetelőfolyadékok

A természetes észter folyadékok egyre gyakrabban kerülnek szóba olyan berendezések esetében, ahol a tűzbiztonság és a környezeti teljesítmény kiemelt fontosságú.

A hagyományos ásványi szigetelőolajhoz képest a megfelelő természetes észter folyadékok általában a következőket kínálják:

• Magasabb gyulladáspontot.

• Kedvező lebonthatósági tulajdonságokat.

• Más nedvességkezelési tulajdonságokat.

• Lehetséges előnyöket kiválasztott, tűzérzékeny alkalmazásokban.

Egyes kereskedelmi természetes észter folyadékok gyulladáspontja 300 °C feletti.

Ugyanakkor a kiválasztott folyadéknak kompatibilisnek kell lennie a transzformátor szigetelőrendszerével, tömítéseivel, hűtési rendszerével és karbantartási eljárásaival.

A folyadék kiválasztása során figyelembe kell venni a vonatkozó tűzvédelmi szabályozásokat, a tartályozási követelményeket és a projekt környezeti előírásait.

Sem a természetes észterfolyadékot, sem a ásványolajat nem szabad egyetlen teljesítményjellemző alapján kiválasztani.

9. Gyakorlati transzformátor-méretezés hibrid napelem- és akkumulátoros tárolórendszeres (PV-BESS) projekt esetén

Vegyünk példaként egy hibrid telepítést az alábbi tervezési paraméterekkel:

• Napelem-inverter kapacitása: 3 MW.

• BESS PCS kisütési kapacitása: 2 MW.

• BESS PCS töltési kapacitása: 2 MW.

• Közepes feszültségű gyűjtőrendszer: 35 kV.

• Közös váltóáramú gyűjtőelrendezés.

Ha a vezérlőrendszer lehetővé teszi, hogy a napelemrendszer és a BESS egyszerre, maximális aktív teljesítményükön exportáljanak, a kombinált kimenet elérheti:

3 MW + 2 MW = 5 MW

Egy feltételezett teljesítménytényező (0,95) mellett a közelítő látszólagos teljesítmény-igény:

S = P / PF

S = 5000 kW / 0,95 = 5263 kVA

Ezért egy előzetes műszaki értékelés figyelembe veheti ezen kiszámított látszólagos teljesítmény fölötti transzformátor-teljesítményeket, a szükséges üzemelési üzemmód, hűtési körülmények és alkalmazandó szabványok függvényében.

A tényleges kiválasztás azonban további tényezőket is vizsgálnia kell.

Például ha a gyári vezérlőegység a teljes exportot 4 MW-ra korlátozza, akkor a megfelelő transzformátor-terhelési igény eltérő lehet.

Hasonlóképpen a telepített akkumulátorcsomag (BESS) töltése további teljesítményáramlásokat eredményezhet, attól függően, hogy az energiát napelemes rendszerből, a hálózatból vagy mindkét forrásból szállítják.

A végső transzformátor-teljesítményt egy teljes üzemelési mátrix alapján kell meghatározni, amely tartalmazza:

1. A maximális egyidejű napelemes (PV) és akkumulátoros (BESS) exportot.

2. A maximálisan engedélyezett hálózati betáplálás.

3. A meddőteljesítmény üzemeltetési határai.

4. Harmonikus terhelés.

5. A transzformátor segédberendezéseinek fogyasztása.

6. Környezeti hőmérséklet.

7. Jövőbeli kapacitásbővítés.

8. Engedélyezett túlterhelési feltételek.

Többtekercses transzformátorok esetén minden egyes tekercset külön is értékelni kell a saját névleges teljesítménye és áramkorlátja alapján.

A kulcselv az, hogy a transzformátort a legnagyobb valószínű elektromos és hőmérsékleti üzemeltetési feltételekre méretezzék, nem csupán a telepített berendezések névleges teljesítményének összege alapján.

10. Jiangsu Dingxin Electric egyedi napelem–BESS feszültségnövelő transzformátor-megoldásai

A Jiangsu Dingxin Electric elosztótranszformátorokat, erőtranszformátorokat és előre gyártott alállomásokat gyártó vállalat, amely nemzetközi villamosenergia-infrastruktúra-piacokat szolgál ki.

Több mint 30 éves transzformátoripari tapasztalattal rendelkező vállalatként a Dingxin gyártási és alkalmazásorientált mérnöki támogatást nyújt megújuló energiás, ipari elosztási és közműprojektekhez.

10.1 Egyedi transzformátorok napelemes és akkumulátoros tárolóprojektekhez

A napelemes (PV) és az akkumulátoros energiatároló-rendszerek (BESS) gyakran eltérő elektromos konfigurációt igényelnek a hagyományos kereskedelmi elosztási projektektől.

A Dingxin együttműködik az ügyfelekkel a projektspecifikus követelmények átvizsgálásában, ideértve:

• Közepes feszültségű transzformátorok névleges teljesítményét.

• A PV-inverterek és a BESS PCS-k csatlakozási elrendezését.

• Elsődleges és másodlagos feszültségkombinációkat.

• Egy vagy több alacsony feszültségű tekercset.

• A transzformátorok vektorcsoportjait.

• Az impedancia-követelményeket.

• Szigetelőfolyadék-kiválasztás.

• Hűtési elrendezések.

• Kültéri burkolatok konfigurációi.

• Védő- és figyelőkiegészítők.

35 kV-os gyűjtőrendszerrel kapcsolatos projekteknél az egyedi, integrált alállomás-tervek értékelhetők a szükséges feszültség, teljesítmény, kapcsolóberendezés-elrendezés és telepítési feltételek alapján.

10.2 Mérnöki támogatás kétirányú teljesítményáramlásra

A megbízható napelem–akkumulátorrendszer-integrációhoz a transzformátor tervezésének és a rendszerszintű villamosmérnöki munkának összehangolására van szükség.

A műszaki leírás átvizsgálása során fontos szempontok:

Hőmérsékleti értékelés: A terhelési ciklusok, a környezeti hőmérsékletek és a tekercsek hőmérséklet-emelkedése értékelendő.

Harmonikus értékelés: Az inverter és a PCS harmonikus adatainak átvizsgálása annak meghatározására, hogy szükség van-e további veszteségszámításokra vagy tervezési intézkedésekre.

Elektromos konfiguráció: A tekercselés feszültségének, impedanciájának, vektorcsoportjának és földelési elrendezéseinek illesztése a hibrid energiarendszerhez.

Védőberendezések kompatibilitása: A transzformátor védőberendezési követelményeinek összehangolása a rendszerrel használt relé- és kapcsolóberendezésekkel.

Tesztelés és dokumentáció: A vonatkozó IEEE/IEC előírások, gyári átvételi kritériumok és műszaki dokumentáció meghatározása a gyártás megkezdése előtt.

A Dingxin támogathatja a napenergiás EPC-kivitelezők, a megújuló energiafejlesztők és a BESS-integrációs partnerek egyedi transzformátor-specifikációkkal kapcsolatos tárgyalásait.

A tényleges termékjellemzők, megfelelőségi státusz, tesztkör és elérhető konfigurációk megerősítését a projekt-specifikus műszaki dokumentáció alapján kell elvégezni.

11. Gyakran ismételt kérdések a PV-BESS feszültségnövelő transzformátorokkal kapcsolatban

Mi az a kétirányú teljesítményáramlású transzformátor?

A kétirányú teljesítményáramlású transzformátor egy olyan transzformátor, amelyet olyan villamos rendszerben alkalmaznak, ahol az aktív teljesítmény mindkét irányban áramolhat.

A hagyományos váltakozó áramú transzformátorok általában mindkét irányban képesek teljesítményt átvinni, de a hibrid megújuló energiaforrás-alapú alkalmazások esetében további értékelésre lehet szükség a terhelési ciklusok, a harmonikusok, a feszültségszabályozás és a védelem tekintetében.

Miben különbözik egy BESS feszültségnövelő transzformátor egy hagyományos napelemes transzformátortól?

Egy BESS feszültségnövelő transzformátor feltöltés, lemerítés, várakozási állapot és meddőteljesítmény-támogatás üzemmódokban is működhet.

Egy hagyományos napelemes termelési alkalmazáshoz képest az üzemelési profilja eltérő terhelési ciklusokat és teljesítményminőségi követelményeket is magában foglalhat.

A transzformátor tervezését a tényleges PCS-jellemzőkhez és a rendszer üzemelési feltételeihez kell igazítani.

Lehet-e egyetlen transzformátorra csatlakoztatni mind a PV-invertereket, mind a BESS PCS-berendezéseket?

Igen. A megosztott transzformátor-elrendezés akkor lehetséges, ha az elektromos architektúra, a tekercsek méretezése, a feszültségszintek, a védelemkoordináció és a hőmérsékleti kapacitás megfelelően tervezett.

Lehetőségek például egy közös alacsonyfeszültségű busz vagy egy többtekercses transzformátor kialakítása.

Okozza-e a kétirányú teljesítményáramlás a transzformátor szaturációját?

Nem önmagában.

A mag szaturációja a mágneses üzemelési feltételekkel kapcsolatos, például túlzott feszültség–frekvencia aránnyal, egyenáramú eltolódással vagy bizonyos átmeneti állapotokkal.

A normál váltakozó áramú aktív teljesítményáramlás iránya önmagában nem okozza a transzformátor magjának szaturációját.

K-tényezős transzformátorok kötelezőek-e a BESS telepítésekhez?

Nem. A harmonikus terhelést a tényleges PCS áramspektrum és a vonatkozó transzformátor-tervezési módszertan alapján kell értékelni.

Egy adott K-tényezős megjelölés nem tekinthető minden folyadékba merülő BESS transzformátor esetében kötelezőnek.

Szükséges-e OLTC egy PV-BESS feszültségnövelő alállomáson?

Nem feltétlenül.

Az OLTC követelményei a hálózati feszültségviszonyoktól, az inverter reaktív teljesítmény-képességétől, a hálózati szabályozási stratégiától és a projekt specifikációitól függenek.

Sok telepítés kikapcsolt kapcsolóberendezéses megoldást alkalmaz, amelyet megfelelő inverteres és hálózatszintű feszültségszabályozással kombinálnak.

Mely szabványok vonatkoznak a PV-BESS transzformátorokra?

A vonatkozó hivatkozások közé tartozhatnak az IEEE C57.159, az IEEE C57.12.00, az IEEE C57.110, az IEC 60076-1, az IEC 60076-2, az IEC 60076-5, valamint az alkalmazható terhelési útmutatók.

A hálózatra csatlakozási követelményeket külön kell figyelembe venni.

Hogyan támogathatja egy transzformátor-gyártó a hibrid PV-BESS projekteket?

Egy gyártó támogathatja a projekt-specifikus transzformátor-kiválasztást, a tekercselési konfigurációt, a veszteségértékelést, az izolációs tervezést, a hőmérsékleti teljesítmény értékelését, a kiegészítők kiválasztását és a gyári vizsgálati dokumentációkat.

A végső berendezés-specifikációt az EPC-kivitelező, a PCS-szolgáltató, a hálózati mérnök és a transzformátor-gyártó közösen kell összehangolni.

12. Következtetés: Megbízható műszaki megoldások Napelemes akkumulátoros energiatároló rendszer (PV-BESS) teljesítményinfrastruktúrája

Ahogy a napelemes áramtermelés és az akkumulátoros energiatárolás egyre inkább integrálódik, a transzformátorok kiválasztása túllépi a hagyományos névleges teljesítmény- és feszültségmegfeleltetést.

Megbízható napelemes feszültségnövelő alállomással a transzformátoroknak támogatniuk kell a hibrid megújuló energiaforrás-alapú rendszerek működési jellemzőit, miközben megfelelő hőmérsékleti, dielektromos és villamos teljesítménytartalékot biztosítanak.

Kritikus mérnöki szempontok:

• Kétirányú aktív és meddő teljesítményáramlás.

• Változó töltési és kisütési profilok.

• Harmonikus áramjellemzők.

• Transzformátor hőterhelése és szigetelés öregedése.

• Feszültségszabályozás és kapcsolószektor-választás.

• Több forrásból származó rövidzárlati áram és védelemkoordináció.

• Alkalmazható IEEE/IEC-szabványok.

• Hosszú távú megbízhatósági és karbantartási követelmények.

Nagy léptékű megújuló energiaprojektek esetén a transzformátor-gyártók, az EPC-kivitelezők, a PCS-szolgáltatók és a villamosmérnökök korai egyeztetése csökkentheti az integrációs kockázatokat és javíthatja a berendezések kompatibilitását.

Egyedi napelemes akkumulátoros (PV-BESS) feszültségnövelő transzformátor kérése

Hibrid napenergia- és tárolórendszer projektet tervez, vagy egy meglévő megújuló energiás alállomást bővít?

A Jiangsu Dingxin Electric egyedi transzformátor- és integrált alállomás-megoldásokat kínál napelemes áramtermeléshez, akkumulátoros energiatároláshoz és közepes feszültségű villamosenergia-elosztáshoz.

Csapatunk átvizsgálhatja villamos műszaki igényeit, ideértve a transzformátor teljesítményét, a rendszer feszültségét, a tekercselési konfigurációt, a védőkiegészítőket és az alkalmazandó műszaki szabványokat.

Lépjen kapcsolatba a Dingxin Electric-tel egy projekt-specifikus transzformátor-műszaki leírás átvizsgálata vagy technikai RFQ kérése érdekében.

Weboldal: https://www.dishinelectric.com/