Proiectarea transformatorilor de ridicare a tensiunii pentru sisteme fotovoltaice (PV) și stocarea energetică cu baterii: gestionarea fluxului bidirecțional de putere, a solicitărilor termice și a protecției

Integrarea tot mai amplă a generării fotovoltaice (PV) și a sistemelor de stocare a energiei prin baterii (BESS) transformă modul în care centralele de energie regenerabilă se conectează la rețelele electrice de distribuție.

Spre deosebire de instalațiile solare convenționale, care exportă în principal electricitatea generată, facilitățile hibride PV-BESS pot funcționa în mai multe moduri: exportul energiei solare, încărcarea bateriilor din rețea sau din generarea solară, descărcarea energiei stocate și furnizarea de servicii de susținere a rețelei.

Aceste condiții de funcționare în continuă schimbare introduc noi cerințe ingineresti pentru substația de ridicare fotovoltaică și transformatorii asociați acesteia.

Un plan de masă corect proiectat este transformator cu flux bidirecțional al puterii trebuie să suporte profiluri de sarcină variabile, să mențină o performanță termică acceptabilă, să reziste la perturbările electrice specificate și să funcționeze în cadrul unui sistem coordonat de protecție.

Pentru contractorii EPC solari, integratorii de sisteme BESS, inginerii de rețea și proiectanții de sisteme industriale de alimentare cu energie electrică, alegerea transformatorului este, prin urmare, o componentă esențială pentru fiabilitatea proiectului și pentru gestionarea costurilor pe întreaga durată de viață.

Această ghid analizează provocările electrice, termice și de protecție legate de integrarea sistemelor PV și BESS și explică modul de specificare a unui transformator de ridicare adecvat pentru proiectele moderne de energie regenerabilă hibridă.

1. Înțelegerea sistemelor hibride de putere PV-BESS

1.1 Cum modifică stocarea energetică împreună cu energia solară distribuția de putere

Într-o centrală fotovoltaică convențională conectată la rețea, invertorii fotovoltaici transformă curentul continuu (DC) provenit de la modulele fotovoltaice în curent alternativ (AC).

Un transformator de ridicare mărește tensiunea de ieșire a invertorului până la nivelul necesar de distribuție în curent alternativ de medie tensiune, cum ar fi 10 kV, 20 kV sau 35 kV.

Puterea curge în mod normal de la echipamentele de generare solară către rețeaua de colectare sau rețeaua electrică a operatorului, deși sarcinile auxiliare și unele condiții de funcționare pot determina un flux invers limitat.

Când se introduce stocarea energetică cu baterii, arhitectura electrică devine mai complexă.

O instalație hibridă PV-BESS poate funcționa în mai multe moduri:

Mod de operare	Fluxul de energie	Luarea în considerare a transformatorului
Generare solară	Invertor PV → Transformator → Rețea	Încărcare continuă prin generare
Încărcarea bateriei de la rețea	Rețea → Transformator → PCS BESS	Flux invers de putere activă
Descărcarea bateriei	BESS PCS → Transformator → Rețea	Încărcarea exportului și performanța termică
Exportul de energie solară și BESS	PV + BESS → Transformator → Rețea	Puterea de ieșire maximă combinată
Susținere pentru rețea	Schimb bidirecțional de putere activă/reactivă	Reglarea tensiunii și coordonarea protecțiilor
Așteptare	Transferul minim de putere activă	Pierderile în gol și cerința auxiliară

În sistemele cuplate în C.A., invertorii fotovoltaici și sistemele de conversie a puterii bateriilor (PCS) pot fi conectate la o rețea comună de colectare în C.A.

Se poate utiliza un transformator dedicat pentru BESS, un transformator ridicător comun sau configurații multiple de transformatoare, în funcție de capacitatea sistemului și de arhitectura electrică.

1.2 De ce este important fluxul bidirecțional de putere

Un transformator convențional este, în general, capabil să transfere puterea în C.A. în ambele sensuri, cu condiția respectării limitelor sale de tensiune, curent, izolație, termice și de protecție.

Prin urmare, fluxul bidirecțional de putere nu necesită în mod intrinsec un design magnetic complet diferit al transformatorului .

Provocarea inginerescă rezultă din condițiile de funcționare asociate sistemelor hibride solare și de stocare.

Acestea pot include:

• Schimbări repetate între încărcare și descărcare.

• Încărcare variabilă pe parcursul zilei.

• Curenți armonici generați de invertor.

• Schimb de putere reactivă.

• Injecție potențială de curent continuu.

• Contribuții diferite ale curentului de defect în diversele moduri de funcționare.

• Modificări de tensiune pe rețeaua de colectare.

• Perioade lungi de funcționare în stare de repaus sub tensiune.

Un transformator fotovoltaic de ridicare trebuie evaluat în raport cu aceste condiții reale de funcționare, nu doar în funcție de sensul fluxului de putere.

2. Solicitări termice și provocări legate de încărcare în Transformatoarele de ridicare BESS

2.1 Ciclare termică în timpul încărcării și descărcării

Performanța termică este o considerent major la alegerea unui Transformator de ridicare BESS .

Temperatura înfășurărilor transformatorului și a lichidului izolator depinde în principal de pierderile electrice, condițiile de răcire, temperatura mediului ambiant și istoricul anterior de încărcare.

O instalație de stocare cu baterii poate experimenta mai multe perioade de încărcare și descărcare într-o singură zi.

De exemplu, un sistem de baterii se poate încărca în perioada generării solare ridicate, se poate descărca în timpul vârfului din seara, iar în perioadele intermediare poate furniza servicii suplimentare rețelei.

Deși inversarea sensului de curgere a puterii nu provoacă în sine o încălzire suplimentară la aceeași valoare eficace (RMS) a curentului, schimbările frecvente ale mărimii curentului pot genera cicluri repetate de încălzire și răcire.

Aceste cicluri pot influența:

• Temperatura punctului fierbinte al înfășurărilor.

• Rata de îmbătrânire a izolației.

• Dilatarea și contracția termică.

• Solicitarea mecanică a structurilor de susținere ale înfășurărilor.

• Starea pe termen lung a uleiului și a izolației.

Variația de temperatură rezultantă depinde de durata sarcinii și de constantele termice de timp ale transformatorului.

Prin urmare, dimensionarea transformatorului trebuie să țină cont de întregul profil de funcționare, nu doar de puterea nominală a PCS.

2.2 Evaluarea temperaturii punctului fierbinte al transformatorului

Durata de viață a izolației transformatorului este influențată în mod semnificativ de temperatura punctului fierbinte al înfășurărilor.

Pentru transformatorii imersați în ulei, temperatura aproximativă a punctului fierbinte poate fi exprimată astfel:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Unde:

• θH: Temperatura punctului fierbinte al înfășurărilor.

• θA: Temperatura ambiantă.

• δθTO: Creșterea temperaturii uleiului de sus față de temperatura mediului ambiant.

• δθH: Gradientul punctului fierbinte al înfășurării față de temperatura uleiului de sus.

Creșterea efectivă a temperaturii variază în funcție de sarcină, proiectarea sistemului de răcire, geometria transformatorului și istoricul de funcționare.

Inginerii trebuie să evalueze sarcina utilizând orientările aplicabile, cum ar fi IEEE C57.91 sau IEC 60076-7, în funcție de specificațiile proiectului.

Pentru instalațiile BESS, un profil reprezentativ al sarcinii în serie temporală poate ajuta la identificarea riscurilor termice care nu apar într-un calcul simplu bazat pe capacitatea nominală.

2.3 Injectarea curentului de c.c. și saturația miezului

Convertizorii electronici de putere pot introduce componente mici de c.c. în ieșirea lor de c.a. în anumite condiții.

Injectarea excesivă de curent de c.c. poate crea o polarizare magnetică în miezul transformatorului, ceea ce poate duce la:

• Creșterea curentului de magnetizare.

• Saturația miezului.

• Pierderi parazitare suplimentare.

• Încălzire localizată.

• Zgomot acustic crescut.

• Vibrație anormală.

Totuși, invertorii conectați la rețea și echipamentele PCS bine proiectate includ funcții de comandă și protecție destinate limitării injectării de curent continuu.

Devierea în curent continuu trebuie evaluată ca o cerință privind calitatea energiei electrice și compatibilitatea echipamentelor, nu ca o consecință inevitabilă a funcționării bidirecționale.

Producătorii de transformatoare ar trebui să solicite limitele specificate de producătorul PCS pentru injectarea de curent continuu, în vederea evaluării compatibilității.

3. Distorsiune armonică și Transformator Pierderi în sistemele hibride PV-BESS

3.1 De ce sunt importanți convertoarele electronice de putere

Invertorii fotovoltaici și echipamentele PCS pentru baterii folosesc comutarea cu semiconductori și algoritmi de comandă pentru a converti energia electrică.

Aceste procese de conversie pot introduce componente armonice de curent.

În funcție de topologia convertorului, frecvența de comutare, strategia de comandă și filtrare, componentele armonice relevante pot include armonicile de ordinul 5, 7, 11 și 13, precum și componente de frecvență mai înaltă.

Spectrul real al armonicilor trebuie obținut de la producătorul echipamentului sau dintr-un studiu adecvat privind calitatea energiei electrice.

Curenții armonici pot crește:

• Pierderile prin curenți parazitari în înfășurări.

• Pierderile parazitare în componentele structurale.

• Încălzirea suplimentară a conductoarelor.

• Încărcarea termică generală a transformatorului.

• Tensiune electrică potențială legată de rezonanță în întregul sistem.

Deoarece pierderile prin curenți parazitari legate de armonice depind de frecvență, evaluarea doar a curentului eficace la frecvența fundamentală poate subestima anumite contribuții la pierderi.

3.2 Transformatorii pentru BESS necesită clasificări K-factor?

K-factor este frecvent utilizat pentru a descrie capacitatea unui transformator de a suporta caracteristicile specificate ale sarcinilor neliniare, în special în anumite aplicații cu transformatori uscați.

Totuși, alegerea arbitrară a unei clasificări K-4, K-9 sau K-13 nu reprezintă o cerință universală pentru transformatorii lichizi de ridicare a tensiunii destinați sistemelor solare și de stocare a energiei.

Pentru transformatorii lichizi de medie tensiune, o abordare inginerească mai adecvată constă în evaluarea spectrului armonic așteptat și a pierderilor suplimentare rezultante.

IEEE C57.110 oferă metode relevante pentru evaluarea capacității transformatorului în condiții de curent de sarcină nesinusoidal, în limitele domeniului său definit.

Pașii ingineresc recomandați includ:

1. Obțineți datele privind curenții armonici ai invertorului fotovoltaic și ai sistemului de stocare a energiei (BESS PCS).

2. Evaluați condițiile de funcționare prevăzute, atât în regim de încărcare, cât și în regim de descărcare.

3. Calculați pierderile suplimentare în înfășurări și pierderile prin câmp magnetic dispersat, acolo unde este cazul.

4. Verificați creșterea temperaturii înfășurărilor și solicitarea izolației.

5. Stabiliți dacă este necesară o construcție specială a înfășurărilor, răcire suplimentară sau reducerea puterii nominale.

Această abordare specifică aplicației contribuie la evitarea supradimensionării inutile a transformatorului, protejând în același timp performanța pe termen lung.

3.3 Reducerea stresului termic legat de armonici

În funcție de caracteristicile invertorului și de cerințele proiectului, variantele de inginerie pentru transformator pot include:

• Proiectarea optimizată a conductorilor din înfășurări.

• Transpoziția adecvată a conductorilor sau o dispunere corespunzătoare a înfășurărilor.

• Marja termică suplimentară.

• Capacitate îmbunătățită de răcire.

• Evaluarea pierderilor în condiții de sarcină armonică specificate.

• Filtrare coordonată la nivelul invertorului sau al sistemului.

Filtrarea armonicelor este, în general, o decizie de inginerie la nivel de sistem, care implică furnizorul de PCS, contractantul EPC și proiectantul de interconectare la rețea.

Proiectarea transformatorului singură nu poate rezolva toate problemele legate de armonice dintr-o centrală electrică hibridă.

4. Reglarea tensiunii și alegerea comutatorului de prize pentru fluxul bidirecțional de putere

4.1 Creșterea și scăderea tensiunii în sistemele hibride

Tensiunea la bornele transformatorului depinde de sensul și mărimea puterii active și reactive, de impedanța transformatorului și de caracteristicile rețelei conectate.

În timpul generării PV sau al descărcării BESS, exportul de putere poate contribui la creșterea tensiunii în anumite puncte de conectare.

În timpul încărcării din rețea, puterea importată poate contribui la scăderea tensiunii.

Totuși, răspunsul real al tensiunii depinde, de asemenea, de controlul puterii reactive, de impedanța sistemului, de reglarea tensiunii în amonte și de condițiile de funcționare ale rețelei.

În instalațiile hibride PV-BESS, reglarea tensiunii trebuie, prin urmare, coordonată între invertor, transformator și sistemul de racordare la rețea.

4.2 Schimbătoare de prize fără sarcină versus schimbătoare de prize sub sarcină

În transformatoarele de putere se utilizează două aranjamente comune de schimbare a prizelor.

Schimbător de prize fără sarcină (DETC)

Un schimbător de prize fără sarcină permite ajustarea raportului de transformare al transformatorului numai atunci când transformatorul este deconectat în siguranță, conform instrucțiunilor producătorului.

Avantaje includ:

• Construcție relativ simplă.

• Cost inițial mai scăzut.

• Complexitate mecanică redusă.

• Potrivită acolo unde variațiile tensiunii de funcționare pot fi gestionate de alte echipamente.

Comutator sub sarcină (OLTC)

Un comutator sub sarcină (OLTC) permite ajustarea treptelor în timp ce transformatorul rămâne alimentat și suportă sarcina, în limitele proiectării și ale condițiilor de funcționare.

Sistemele OLTC pot fi adecvate acolo unde condițiile de tensiune ale rețelei necesită o ajustare activă a raportului transformatorului.

Totuși, un OLTC nu este obligatoriu doar pentru că sistemul de stocare a energiei pe bază de baterii (BESS) se încarcă și se descarcă frecvent.

Resursele moderne bazate pe invertor pot oferi control al tensiunii și al puterii reactive în limitele capacităților lor și ale cerințelor codurilor de rețea.

Operațiunile frecvente de comutare pot genera, de asemenea, necesități suplimentare de întreținere.

Recomandare inginerească: Evaluați capacitatea invertorului de reglare Volt-VAR, reglarea rețelei de medie tensiune, cerințele de interconectare la rețea și frecvența așteptată a operațiunilor de comutare înainte de a specifica echipamentele OLTC.

5. Alegerea arhitecturii corespunzătoare pentru stația de ridicare a tensiunii fotovoltaice

5.1 Stații integrate de ridicare a tensiunii pentru PV și BESS

Asubstația de ridicare fotovoltaică combinează echipamentele electrice necesare pentru conectarea echipamentelor de energie regenerabilă în tensiune joasă la o rețea de colectare în tensiune medie.

În funcție de concepția sa, o stație de transformare integrată poate include:

• Transformator de distribuție cu ridicare de tensiune.

• Echipamente electrice în tensiune medie sau unitate de tip inel (RMU).

• Echipamente electrice de intrare în tensiune joasă.

• Dispozitive de protecție și comandă.

• Echipamente de măsurare.

• Protecție împotriva supratensiunilor.

• Sisteme electrice auxiliare.

• Interfețe de monitorizare și comunicare.

O soluție integrată poate reduce numărul de componente instalate separat pe teren și poate simplifica amplasarea echipamentelor.

Beneficiile potențiale ale proiectului includ reducerea suprafeței de teren necesare, conexiuni integrate în fabrică, coordonare îmbunătățită a echipamentelor și planificare simplificată a instalării.

Totuși, programul final de instalare depinde de lucrările de construcții civile, aprobarea serviciilor publice, testarea site-ului și de programul general de construcții.

5.2 Substație integrată versus aranjament modular al echipamentelor

Factor de selecție	Substație integrată de ridicare a tensiunii	Aranjament modular al echipamentelor
Structura echipamentului	Pachet integrat în fabrică	Unități separate de transformator și tablou de comutație
Suprafață de teren necesară	Potențial compactă	Depinde de distanța dintre echipamente
Integrare în fabrică	Grad mai ridicat de preasamblare	Poate fi necesară o coordonare suplimentară pe teren
Acces la întreținere	Trebuie integrat în proiectarea învelișului	Poate oferi o separare mai mare a echipamentelor
Extinderea viitoare	Depinde de proiectarea ansamblului	De obicei oferă o flexibilitate mai mare în dispunerea spațială
Aplicație Tipică	Blocuri solare/BESS și amplasamente compacte	Substații mari sau complexe

Pentru centrale hibride la scară de utilitate, arhitectura echipamentelor trebuie aleasă în funcție de ușurința întreținerii, cerințele de extindere, distanțele electrice de siguranță, siguranța și costul total instalat.

5.3 Proiectare transformator cu dublu înfășurământ de joasă tensiune

Unele centrale PV-BESS folosesc transformatoare cu înfășurări separate de joasă tensiune pentru invertorul fotovoltaic și pentru sistemul de conversie al bateriei (PCS).

Această configurație poate oferi interfețe electrice separate pentru cele două sisteme de conversie, împărțind în același timp o conexiune comună de medie tensiune.

Avantajele pot include:

• Dispoziții independente de conectare la joasă tensiune.

• Flexibilitate sporită în alegerea tensiunii înfășurărilor.

• Necesitate redusă de anumite echipamente externe de combinare AC.

• Proiectare specifică aplicației privind impedanța și legarea la pământ.

Totuși, înfășurările separate nu asigură izolare electrică completă între sistemele conectate în toate condițiile de funcționare.

Curenții de defect, cuplajul înfășurărilor, tranziențele de tensiune și coordonarea protecțiilor trebuie evaluate folosind circuitul echivalent al transformatorului cu mai multe înfășurări.

Un design cu două înfășurări secundare trebuie, așadar, specificat pe baza puterilor nominale necesare, a tensiunilor înfășurărilor, a grupului vectorial, a impedanțelor și a caracteristicilor de scurtcircuit.

6. Transformator Protecție pentru funcționarea bidirecțională PV-BESS

6.1 Protecția direcțională la supracurent

Protecția tradițională a rețelelor de distribuție se poate baza pe presupunerea că curentul de defect curge în principal de la sursa de alimentare a rețelei către sarcinile conectate.

Sistemele hibride PV-BESS pot introduce căi diferite de contribuție la curentul de defect, în funcție de modul de funcționare, de comenzile invertorului și de configurația rețelei.

Funcțiile direcționale de protecție la supracurent, cum ar fi ANSI 67 și 67N, pot fi adecvate acolo unde trebuie distinsă direcția curentului de defect.

Alte funcții de protecție pot include:

Funcție ANSI	Funcția de protecție	Considerare a Aplicației
50/51	Supracurent instantaneu/cu temporizare	Protecție la defecte de fază
50N/51N	Supracurent de pământ	Detectarea defectului de pământ
67/67N	Supracurent direcțional	Discriminarea defectelor în cazul existenței mai multor surse
87T	Diferențial transformator	Detectarea defectelor interne ale transformatorului
49	Protecție termică	Monitorizarea suprasarcinii termice
27/59	Subtensiune/supratensiune	Condiții anormale de tensiune
81U/81O	Subfrecvență/suprafrecvență	Perturbări ale frecvenței rețelei

Selectarea protecției depinde de dimensiunea transformatorului, configurația legării la pământ, cerințele codului rețelei și arhitectura instalației.

Protecția direcțională nu trebuie specificată exclusiv din cauza posibilității inversării puterii active; necesitatea acesteia trebuie stabilită printr-o analiză de coordonare a protecțiilor.

6.2 Protecție împotriva supratensiunilor și coordonarea izolației

Instalațiile fotovoltaice și BESS pot fi expuse supratensiunilor induse de fulgere, tranziențelor datorate comutărilor și perturbărilor de tensiune.

Sistemele de izolație ale transformatorului trebuie coordonate cu mediul electric așteptat.

Parametrii importanți includ:

• Tensiunea cea mai înaltă pentru echipamente.

• Nivelul de rezistență la impulsurile de trăsnet.

• Rezistența dielectrică la frecvența de rețea.

• Clasele de tensiune ale limitatoarelor de supratensiune.

• Dispoziții privind legarea la pământ.

• Caracteristicile de izolare ale cablurilor.

• Condițiile tranzitorii de comutare.

Parafazicele cu oxid metalic pot fi incluse în funcție de cerințele de coordonare a izolației sistemului.

Selectarea acestora trebuie să țină cont de sistemul de legare la pământ, tensiunea maximă de funcționare continuă, condițiile de supratensiune temporară și mediul de supratensiuni așteptat.

6.3 Monitorizarea transformatorului și integrarea cu sistemele SCADA

Instalațiile mari fotovoltaice cu acumulatori (PV-BESS) includ adesea sisteme centralizate de control supervizor și achiziție de date (SCADA).

În funcție de concepția transformatorului și de cerințele proiectului, monitorizarea poate include:

• Temperatura uleiului de la partea superioară.

• Indicația sau estimarea temperaturii înfășurărilor.

• Nivelul lichidului.

• Starea dispozitivului de descărcare a presiunii.

• Protecția împotriva acumulării de gaz, acolo unde este aplicabilă.

• Starea sistemului de răcire.

• Contacte de alarmă și declanșare.

Releele Buchholz sunt asociate în mod obișnuit cu transformatoarele imersate în lichid de tip conservator adecvate, nu cu fiecare transformator de distribuție etanșat.

Datele de monitorizare pot fi conectate la sistemele SCADA la nivel de instalație sau la sistemele de management energetic prin intermediul unei interfețe de comandă adecvate.

O astfel de integrare poate sprijini monitorizarea stării, planificarea întreținerii și vizibilitatea operațională.

7. Standarde IEEE și IEC pentru Transformatoarele PV-BESS cu creștere de tensiune

Proiectele internaționale de energie regenerabilă trebuie să îndeplinească standardele aplicabile privind transformatoarele și cerințele locale de interconectare la rețea.

Următoarele standarde oferă referințe tehnice relevante.

Standard	Gama	Relevanța pentru proiectele PV-BESS
IEEE C57.159	Ghid privind transformatoarele din sistemele distribuite de generare fotovoltaică	Ghid privind utilizarea transformatoarelor pentru invertorii fotovoltaici
IEEE C57.12.00	Cerințe generale privind transformatoarele imersate în lichid	Construcția și performanța transformatoarelor
IEEE C57.110	Capacitatea transformatoarelor în condiții de curenți de sarcină nesinusoidali	Evaluarea pierderilor armonice și a încărcării
IEEE C57.91	Încărcarea transformatorilor imersi în ulei mineral	Performanța termică și îmbătrânirea izolației
IEC 60076-1	Cerințe generale pentru transformatorii de putere	Clasificări și specificații generale
IEC 60076-2	Creșterea temperaturii la transformatorii imersi în lichid	Testarea termică și limitele acesteia
IEC 60076-5	Capacitatea de a rezista scurtcircuitului	Cerințe privind rezistența la scurtcircuit
IEC 60076-7	Ghid de încărcare pentru transformatorii imersi în ulei mineral	Evaluarea ciclului de sarcină
IEC 60076-16	Transformatorii pentru aplicații cu turbine eoliene	În principal relevant pentru transformatoarele de ridicare ale turbinelor eoliene
IEEE 1547	Interconectarea resurselor distribuite de energie	Cerințele de interfață cu rețeaua pentru resursele distribuite de energie în cadrul domeniului său de aplicare

IEC/IEEE 60076-16 este specific conceput pentru aplicații cu transformatoare de ridicare ale turbinelor eoliene. Nu trebuie prezentat ca un standard dedicat pentru transformatoarele PV-BESS.

De asemenea, IEEE C57.159 oferă orientări pentru aplicațiile transformatoarelor fotovoltaice distribuite, dar nu înlocuiește standardele generale privind proiectarea, încercarea și interconectarea cu rețeaua a transformatoarelor.

Pentru instalațiile hibride, inginerii trebuie să specifice separat cerințele aplicabile și să confirme dacă anumite dispoziții sunt relevante pentru configurația de transformator aleasă.

8. Selectarea lichidelor izolante pentru transformatoarele solare și BESS

Selectarea lichidului izolant influențează performanța dielectrică, transferul de căldură, protecția împotriva incendiilor și considerentele de mediu.

8.1 Transformatoare cu ulei mineral

Uleiul mineral rămâne un mediu izolator și de răcire frecvent utilizat pentru transformatoarele imersate în lichid.

Avantajele sale includ practici consolidate de fabricație, disponibilitate largă, experiență operațională dovedită și, în general, cost inițial competitiv.

8.2 Lichide izolatoare pe bază de esteri naturali

Lichidele izolatoare pe bază de esteri naturali sunt din ce în ce mai frecvent luate în considerare pentru instalații în care siguranța la incendiu și performanța ecologică sunt importante.

În comparație cu uleiul izolator mineral convențional, esterii naturali potriviți oferă, în general:

• Puncte de aprindere superioare.

• Caracteristici favorabile de biodegradabilitate.

• Proprietăți diferite de gestionare a umidității.

• Avantaje potențiale în anumite aplicații sensibile la foc.

Unele lichide izolatoare comerciale pe bază de esteri naturali au puncte de aprindere peste 300°C.

Totuși, lichidul selectat trebuie să fie compatibil cu sistemul de izolare al transformatorului, cu etanșările, cu dispozitivul de răcire și cu procedurile de întreținere.

Selectarea lichidului trebuie, de asemenea, să țină cont de reglementările aplicabile privind protecția împotriva incendiilor, de cerințele de conținere și de specificațiile de mediu ale proiectului.

Nici un lichid pe bază de esteri naturali, nici uleiul mineral nu trebuie selectate pe baza unei singure caracteristici de performanță.

9. Dimensionarea practică a transformatorului pentru un proiect hibrid PV-BESS

Luați în considerare o instalație hibridă ilustrativă cu următorii parametri de proiectare:

• Puterea invertorului fotovoltaic: 3 MW.

• Puterea de descărcare a sistemului BESS PCS: 2 MW.

• Puterea de încărcare a sistemului BESS PCS: 2 MW.

• Sistemul de colectare în medie tensiune: 35 kV.

• Dispozitiv comun de colectare CA.

Dacă sistemul de comandă permite exportul simultan al PV și BESS la puterile lor active maxime, puterea combinată poate atinge:

3 MW + 2 MW = 5 MW

La un factor de putere presupus de 0,95, cerința aproximativă de putere aparentă este:

S = P / PF

S = 5.000 kW / 0,95 = 5.263 kVA

O evaluare inginerescă preliminară ar putea, așadar, lua în considerare valori nominale ale transformatorului superioare acestei puteri aparente calculate, în funcție de regimul de funcționare necesar, condițiile de răcire și standardele aplicabile.

Totuși, selecția efectivă trebuie să examineze și alți factori.

De exemplu, dacă controllerul centralei limitează exportul total la 4 MW, cerința corespunzătoare de încărcare a transformatorului poate fi diferită.

În mod similar, încărcarea bateriei ar putea genera scenarii suplimentare de flux de putere, în funcție de faptul dacă energia este furnizată de generarea solară, de rețea sau de ambele.

Valoarea nominală finală a transformatorului trebuie stabilită pe baza unei matrice complete de funcționare care include:

1. Exportul maxim simultan al PV și BESS.

2. Importul maxim permis din rețea.

3. Limitele de funcționare ale puterii reactive.

4. Încărcarea armonică.

5. Consumul auxiliar al transformatorului.

6. Temperatura ambiantă.

7. Extinderea viitoare a capacității.

8. Condițiile permise de suprasarcină.

Pentru transformatoarele cu mai multe înfășurări, fiecare înfășurare trebuie, de asemenea, evaluată în raport cu ratingul și limitele de curent individuale.

Principiul esențial este dimensionarea transformatorului pentru condițiile maxime credibile de funcționare electrică și termică, nu pur și simplu pentru suma ratingurilor nominale ale echipamentelor instalate.

10. Soluțiile personalizate de transformator de ridicare PV-BESS ale Jiangsu Dingxin Electric

Jiangsu Dingxin Electric este un producător de transformatoare de distribuție, transformatoare de putere și stații de transformare prefabricate, care servește piețele internaționale de infrastructură electrică.

Cu peste 30 de ani de experiență în industria transformatoarelor, Dingxin oferă sprijin ingineresc orientat atât spre fabricație, cât și spre aplicații, pentru proiecte legate de energie regenerabilă, distribuție industrială și utilități.

10.1 Transformatoare personalizate pentru proiecte fotovoltaice și de stocare cu baterii

Aplicațiile PV și BESS necesită adesea configurații electrice diferite față de proiectele obișnuite de distribuție comercială.

Dingxin lucrează împreună cu clienții pentru a analiza cerințele specifice fiecărui proiect, printre care:

• Clasele de putere ale transformatoarelor în medie tensiune.

• Configurațiile de racordare ale invertorilor PV și ale sistemelor PCS BESS.

• Combinațiile de tensiune primară și secundară.

• Înfășurări joasă tensiune simple sau multiple.

• Grupurile vectoriale ale transformatoarelor.

• Cerințe privind impedanța.

• Selectarea lichidului izolator.

• Dispozitive de răcire.

• Configurații ale carcaselor pentru utilizare în aer liber.

• Accesorii pentru protecție și monitorizare.

Pentru proiectele care implică sisteme de colectare de clasă 35 kV, pot fi evaluate proiecte personalizate de substații integrate, în funcție de tensiunea, capacitatea, configurația echipamentelor de comutație și condițiile de instalare necesare.

10.2 Asistență tehnică pentru fluxul bidirecțional de putere

Integrarea fiabilă PV-BESS necesită coordonarea dintre proiectarea transformatorului și ingineria electrică la nivel de sistem.

În timpul revizuirii specificațiilor tehnice, considerentele importante includ:

Evaluarea termică: Evaluează ciclurile de încărcare, temperaturile ambientale și creșterea temperaturii înfășurărilor.

Evaluarea armonicelor: Examinează datele privind armonicele invertorului și ale sistemului de conversie de putere (PCS) pentru a determina dacă sunt necesare calcule suplimentare de pierderi sau măsuri de proiectare specifice.

Configurația electrică: Potrivește tensiunea înfășurărilor, impedanța, grupul vectorial și dispozitivele de legare la pământ cu sistemul hibrid de alimentare.

Compatibilitatea protecției: Coordonează cerințele de protecție ale transformatorului cu sistemele de protecție prin relee și cu dispozitivele de comutare ale sistemului.

Testare și documentație: Stabilește cerințele aplicabile IEEE/IEC, criteriile de acceptare în fabrică și documentația tehnică înainte de fabricare.

Dingxin poate sprijini discuțiile privind specificațiile personalizate ale transformatorilor pentru contractorii EPC solari, dezvoltatorii de energie regenerabilă și partenerii de integrare BESS.

Evaluarea produsului actual, starea de conformitate, domeniul de testare și configurațiile disponibile trebuie confirmate în raport cu documentația tehnică specifică proiectului.

11. Întrebări frecvente despre transformatoarele PV-BESS cu creștere de tensiune

Ce este un transformator cu flux de putere bidirecțional?

Un transformator cu flux de putere bidirecțional este un transformator utilizat într-un sistem electric în care puterea activă poate circula în ambele sensuri.

Transformatoarele AC convenționale pot transfera, în general, puterea în ambele direcții, dar aplicațiile hibride de energie regenerabilă pot necesita o evaluare suplimentară a ciclurilor de sarcină, armonicelor, reglării tensiunii și protecției.

În ce diferă un transformator BESS cu creștere de tensiune de un transformator solar convențional?

Un transformator BESS cu creștere de tensiune poate funcționa în regim de încărcare, descărcare, repaus și susținere a puterii reactive.

Comparativ cu o aplicație convențională de generare solară, profilul său de funcționare poate implica cicluri de sarcină diferite și cerințe privind calitatea energiei.

Proiectarea transformatorului trebuie să corespundă caracteristicilor reale ale PCS și condițiilor de funcționare ale sistemului.

Poate un singur transformator conecta atât invertorii fotovoltaici, cât și echipamentele PCS ale sistemelor de stocare a energiei (BESS)?

Da. O configurație cu transformator comun este posibilă, dacă arhitectura electrică, clasificarea înfășurărilor, nivelurile de tensiune, coordonarea protecțiilor și capacitatea termică sunt proiectate corespunzător.

Opțiunile includ o bară comună de joasă tensiune sau un transformator cu mai multe înfășurări.

Cauzează fluxul bidirecțional de putere saturația transformatorului?

Nu, în mod independent.

Saturația miezului este asociată cu condițiile magnetice de funcționare, cum ar fi raportul excesiv tensiune/frecvență, polarizarea în curent continuu (DC bias) sau anumite regimuri tranzitorii.

Sensul normal al fluxului de putere activă în curent alternativ (CA), luat izolat, nu provoacă în mod intrinsec saturația miezului transformatorului.

Sunt obligatorii transformatorii de tip K pentru instalațiile BESS?

Nu. Încărcarea armonică trebuie evaluată pe baza spectrului real de curenți al PCS și a metodologiei de proiectare aplicabile pentru transformator.

O designație specifică K-factor nu trebuie presupusă obligatorie pentru fiecare transformator BESS cu răcire în lichid.

Este necesar un comutator sub sarcină (OLTC) pentru o stație de ridicare a tensiunii PV-BESS?

Nu neapărat.

Cerințele privind OLTC depind de condițiile de tensiune ale rețelei, de capacitatea invertorului de a furniza putere reactivă, de strategia de reglare a rețelei și de specificațiile proiectului.

Multe instalații folosesc dispozitive de reglare a treptelor fără tensiune, combinate cu reglarea adecvată a tensiunii la nivelul invertorului și al rețelei.

La ce standarde se aplică transformatorii PV-BESS?

Referințele relevante pot include IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 și ghidurile aplicabile privind încărcarea.

Cerințele de interconectare la rețea trebuie luate în considerare separat.

Cum poate sprijini un producător de transformatoare proiectele hibride PV-BESS?

Un producător poate oferi sprijin pentru selecția transformatorului adaptată proiectului, configurarea înfășurărilor, evaluarea pierderilor, proiectarea izolației, evaluarea performanței termice, selecția accesorilor și documentația privind testele de fabrică.

Specificația finală a echipamentelor trebuie coordonată între contractantul EPC, furnizorul de sisteme PCS, inginerul de rețea și producătorul de transformatoare.

12. Concluzie: Proiectare fiabilă Infrastructură energetică PV-BESS

Pe măsură ce generarea solară și stocarea energetică prin baterii devin din ce în ce mai integrate, selecția transformatoarelor evoluează dincolo de capacitatea nominală convențională și potrivirea de tensiune.

Unul fiabil substația de ridicare fotovoltaică trebuie să susțină caracteristicile de funcționare ale sistemelor hibride de energie regenerabilă, menținând în același timp performanțe termice, dielectrice și electrice adecvate.

Considerente ingineresti critice includ:

• Fluxul bidirecțional de putere activă și reactivă.

• Profile variabile de încărcare și descărcare.

• Caracteristicile curenților armonici.

• Încărcarea termică a transformatorului și îmbătrânirea izolației.

• Reglarea tensiunii și selectarea treptelor.

• Curenții de defect și coordonarea protecției proveniți din surse multiple.

• Standardele IEEE/IEC aplicabile.

• Cerințele privind fiabilitatea pe termen lung și întreținerea.

Pentru proiectele mari de energie regenerabilă, coordonarea timpurie între producătorii de transformatoare, contractanții EPC, furnizorii de sisteme PCS și inginerii de rețea poate reduce riscurile de integrare și îmbunătăți compatibilitatea echipamentelor.

Solicitați un transformator personalizat de ridicare a tensiunii PV-BESS

Proiectați un proiect hibrid solar-plus-stocare sau modernizați o stație de transformare existentă pentru energie regenerabilă?

Jiangsu Dingxin Electric oferă soluții personalizate de transformatoare și stații de transformare integrate pentru generarea fotovoltaică, stocarea energetică cu baterii și distribuția de energie electrică în medie tensiune.

Echipa noastră poate analiza cerințele dvs. electrice, inclusiv puterea transformatorului, tensiunea sistemului, configurația înfășurărilor, accesorii pentru protecție și standardele de inginerie aplicabile.

Contactați Dingxin Electric pentru a solicita o revizuire a specificațiilor transformatorului pentru un proiect anume sau un RFQ tehnic.

Site-ul web: https://www.dishinelectric.com/