Распределительные трансформаторы для солнечной энергетики, систем хранения аккумуляторной энергии (BESS) и двунаправленного потока мощности

Традиционные распределительные сети в значительной степени проектировались исходя из простой модели потока мощности: электроэнергия поступала от сетей энергоснабжения через трансформатор к конечному потребителю. Быстрый рост фотоэлектрических солнечных панелей (PV), систем аккумуляторного хранения энергии (BESS), микросетей и гибких нагрузок меняет эту модель.

Современный распределительный трансформатор может требовать поддержки потока мощности в более чем одном направлении. В периоды высокой выработки солнечной энергии электричество может поступать от фотоэлектрической системы в сеть. Система накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) может забирать мощность из сети или солнечной системы при зарядке, а затем отдавать мощность локальным нагрузкам или в сеть при разрядке.

Этот изменяющийся цикл работы порождает новые инженерные задачи для распределительных трансформаторов для солнечных электростанций , трансформаторов для BESS и трансформаторов с двунаправленным потоком мощности . Необходимо комплексно учитывать такие параметры, как мощность трансформатора, регулирование напряжения, импеданс, тепловые характеристики, гармоники, защита, мониторинг и требования к подключению к сетям электроснабжения.

Являясь производителем трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций, Dingxin Electric предоставляет индивидуальные решения в области трансформаторов для солнечных фотоэлектрических систем, BESS, микросетей, сетей электроснабжения, коммерческих и промышленных применений.

1. От однонаправленного распределения к двунаправленному потоку мощности

Традиционную модель распределения можно представить следующим образом:

Сеть электроснабжения → Распределительный трансформатор → Электрическая нагрузка

Солнечные фотоэлектрические установки и системы аккумуляторного хранения энергии могут изменить эту взаимосвязь.

Солнечная фотовольтаика

Когда солнечная установка вырабатывает меньше электроэнергии, чем местная нагрузка:

Сетевая электросистема → Трансформатор → Нагрузка

Когда выработка солнечной энергии превышает местное потребление:

Солнечные фотоэлектрические установки → Трансформатор → Сетевая электросистема

Это условие обычно называют обратный поток энергии или потоком экспортируемой мощности .

Зарядка системы аккумуляторного хранения энергии (BESS)

Когда система аккумуляторного хранения энергии (BESS) находится в режиме зарядки, поток мощности может быть следующим:

Сетевая электросистема / Солнечные фотоэлектрические установки → Трансформатор → BESS

Разрядка СЭН

Когда аккумулятор разряжается:

СЭН → трансформатор → местная нагрузка / сеть

Гибридная солнечная энергетическая система + СЭН

Гибридный проект может объединять все эти режимы работы:

Сетевая распределительная сеть ↔ распределительный трансформатор ↔ солнечные фотоэлектрические модули / СЭН / коммерческая нагрузка

Это означает, что уровень нагрузки на трансформатор и направление потока мощности в течение дня могут изменяться.

Сам трансформатор — лишь один компонент системы. В полном проекте возобновляемой энергетики конфигурация трансформатора должна быть согласована с инвертерами, оборудованием ПУС, распределительными устройствами, системами защиты, заземлением, измерительными приборами и проектом подключения к сетевой организации.

2. Почему солнечные электростанции и СЭН изменяют циклы эксплуатации трансформаторов

Традиционные электрические нагрузки зачастую следуют относительно предсказуемым профилям. Солнечные фотоэлектрические модули и СЭН создают более динамичные условия эксплуатации.

Изменения выработки солнечной энергии в течение дня

Выходная мощность солнечной системы зависит от:

• Солнечный поток

• Облачность

• Время суток

• Сезон

• Ориентации системы

• Мощности фотоэлектрического массива

• Стратегии управления инвертором

Трансформатор, подключённый к солнечной электростанции, может поэтому испытывать значительные колебания нагрузки в течение одного дня.

Система аккумуляторов (BESS) может переключаться между режимами работы

Аккумуляторная система может заряжаться или разряжаться в зависимости от:

• Тарифов на электроэнергию по времени суток

• Снижение пиковой нагрузки

• Управление спросом

• Оптимизации использования возобновляемой энергии

• Сетевые услуги

• Требования к резервному питанию

• Инструкции по управлению электросетью

Поэтому трансформатор может многократно переключаться между режимами потребления и отдачи электроэнергии.

Средняя мощность недостаточна

Выбор трансформатора не должен основываться только на средней мощности.

Проектные команды должны оценить:

• Максимальную потребляемую мощность

• Максимальную отдаваемую мощность

• Непрерывная нагрузка

• Кратковременную нагрузку

• Циклы зарядки и разрядки

• Суточный график эксплуатации

• Сезонный график эксплуатации

• Расширение системы в будущем

Трансформатор должен оцениваться в условиях эксплуатации, ожидаемых на протяжении всего срока его службы.

3. Обратный поток мощности: что должны оценить проектные команды

Обратный поток мощности не является автоматически проблемой.

Он превращается в инженерную задачу, когда распределительная система изначально проектировалась преимущественно для односторонней передачи мощности, а затем подключается к значительным источникам распределённой генерации или накопителей энергии.

Прежде чем выбирать трансформатор с двунаправленным потоком мощности , проектные команды должны оценить полную электрическую систему.

Требования к подключению к сетевой компании

Местная сетевая компания может определять требования к:

• Максимальной мощности экспорта

• Регулирование напряжения

• Защита

• Измерение

• Качество питания

• Конфигурация трансформатора

• Заземление

• Переключение

• Исследования взаимосвязи

Эти требования следует подтвердить до окончательного утверждения конструкции трансформатора.

Конфигурация отпаек трансформатора

Коэффициент трансформации трансформатора влияет на напряжение, подаваемое в низковольтную систему.

При обратном направлении потока мощности поведение напряжения также может измениться. Соответствующая конфигурация отпаек должна быть оценена с учётом условий эксплуатации проекта при импорте и экспорте мощности.

Согласование защиты

Обратный поток мощности может повлиять на допущения, заложенные в систему защиты.

Инженерам может потребоваться проверить:

• Направленную защиту

• Защита от перегрузки по току

• Защиту от замыканий на землю

• Настройки автоматических выключателей

• Согласование предохранителей

• Защита от островного режима

• Номинальные токи автоматических выключателей

Трансформатор нельзя рассматривать отдельно от общей системы защиты.

Номинальные параметры кабелей и распределительных устройств

Максимальный ток экспорта может влиять на:

• Кабели среднего напряжения

• Проводники низкого напряжения

• Коммутационное оборудование

• Отключает

• Шин

• Устройства для измерения

Все компоненты должны быть проверены на соответствие максимальному ожидаемому току в обоих направлениях.

4. Регулирование напряжения и выбор ответвлений

Управление напряжением — ещё один важный аспект при проектировании солнечных электростанций и систем хранения энергии (BESS).

Повышение напряжения, связанное с солнечной энергией

Когда фотоэлектрическая система подаёт мощность в распределительную сеть, напряжение может повышаться вдоль фидера, особенно при низком местном спросе и высокой генерации.

Величина повышения напряжения зависит от таких факторов, как:

• Экспортная мощность

• Сопротивление фидера

• Импеданс трансформатора

• Длина кабеля

• Местная нагрузка

• Конфигурация сети

• Управление инвертором

Один только трансформатор не способен устранить все проблемы повышения напряжения.

Зарядка BESS и падение напряжения

При зарядке BESS на высокой мощности создаётся значительный локальный спрос.

Это может приводить к падению напряжения в зависимости от:

• Зарядная мощность

• Мощность трансформатора

• Сопротивление фидера

• Длина кабеля

• Существующая нагрузка

• Мощность сети

Регулирование ответвлений и напряжения

В зависимости от проекта инженеры могут оценивать:

• Фиксированные значения ответвлений

• Регуляторы ответвлений вне цепи

• Регуляторы напряжения под нагрузкой

• Стабилизаторы напряжения

• Регулирование напряжения инвертором

• Регулирование реактивной мощности

Подходящая стратегия зависит от электросети оператора и архитектуры проекта.

Выбор трансформатора, таким образом, должен быть согласован с системами управления инверторами, оборудованием регулирования напряжения и общим исследованием подключения к сети, а не рассматриваться как изолированное решение.

5. Гармоники, качество электроэнергии и тепловые аспекты

Солнечные инверторы и системы аккумуляторного накопления энергии используют силовую электронику для преобразования электрической энергии между переменным и постоянным током.

Другое современное оборудование, включая Системы PCS, ИБП, зарядные устройства для электромобилей (EV) и частотно-регулируемые приводы — также может вызывать нелинейные характеристики тока.

Почему гармоники важны

Токи гармоник могут приводить к:

• Дополнительному нагреву трансформаторов

• Повышению потерь

• Снижение эффективности оборудования

• Искажение напряжения

• Повышению тепловой нагрузки

Фактическое воздействие зависит от конструкции оборудования, спектра гармоник, импеданса системы, условий эксплуатации и применимых стандартов.

Что следует оценить?

В зависимости от проекта инженеры могут проанализировать:

• Полная гармоническая искаженность (THD)

• Отдельные порядки гармоник

• Спектр тока нагрузки

• Тепловую мощность трансформатора

• Возможные требования к снижению номинальной мощности

• Спецификации инвертера и PCS

• Коэффициент мощности

• Требования к реактивной мощности

При наличии в проекте значительных нелинейных нагрузок выбор трансформатора не должен основываться исключительно на его номинальной мощности в кВА.

Окончательный проект должен быть проверен на соответствие применимым электротехническим стандартам и требованиям к качеству электроэнергии, установленным в рамках проекта.

6. Выбор подходящего типа трансформатора для солнечных электростанций и систем хранения энергии на аккумуляторах (BESS)

Оба варианта маслонаполненные распределительные трансформаторы и трансформаторы сухого типа может применяться в проектах возобновляемой энергетики. Подходящий выбор зависит от конкретного проекта.

Фактор проекта	Трансформатор с масляным охлаждением	Сухой трансформатор
Применение в уличных вспомогательных целях	Распространённый вариант	Зависит от области применения
Проекты большой мощности	Часто рассматривается	Зависит от конструкции и условий площадки
Внутренний монтаж	Требует учёта характеристик жидкости и пожарной безопасности	Часто подходит для внутреннего применения
Места, чувствительные к возгоранию	Возможно, потребуется учитывать выбор и герметизацию жидкости	Без изолирующей жидкости
Экологическое воздействие	Зависит от конфигурации	Зависит от конфигурации
Обслуживание	Зависит от конструкции трансформатора и используемой жидкости	Зависит от вентиляции и условий эксплуатации
Охлаждение	Теплопередача с помощью жидкости	Охлаждение воздухом
Окончательный выбор	На основе напряжения, мощности, места установки, стандартов и общей стоимости	На основе напряжения, мощности, места установки, стандартов и общей стоимости

Масляные трансформаторы

Маслонаполненные трансформаторы широко применяются в распределительных сетях и наружных энергосистемах.

В зависимости от проекта изолирующие жидкости могут включать традиционное минеральное масло или альтернативные жидкости, например, эфирные жидкости.

При выборе жидкости следует учитывать:

• Требования пожарной безопасности

• Условия окружающей среды

• Технические требования заказчика

• Место установки

• Стратегия обслуживания

• Экологический риск

Трансформаторы сухого типа

Сухие трансформаторы не используют жидкие изоляционные материалы и могут быть привлекательным решением для определённых помещений, коммерческих, промышленных и пожароопасных применений.

Однако сухие трансформаторы также требуют соответствующей вентиляции, теплового управления, достаточного монтажного пространства и защиты от воздействия окружающей среды.

Для проектов солнечной энергетики или систем накопления энергии (BESS) не существует универсального «лучшего» типа трансформатора. Выбор должен основываться на полном проектном решении.

Связанная статья: [Сравнение сухих и маслонаполненных распределительных трансформаторов]

7. Вопросы проектирования трансформаторов для проектов солнечной энергетики и систем хранения энергии

Прежде чем запросить коммерческое предложение на солнечный трансформатор или трансформатор BESS , команды проекта должны определить эксплуатационные требования.

Электрические вопросы

• Какое основное напряжение?

• Какое вторичное напряжение?

• Какая номинальная мощность трансформатора?

• Какая максимальная импортная мощность?

• Какая максимальная экспортная мощность?

• Какая частота системы?

• Какое сопротивление требуется?

• Какая векторная группа требуется?

• Какая конфигурация ответвлений требуется?

Вопросы, связанные с применением

• Подключается ли трансформатор исключительно к солнечным фотоэлектрическим панелям?

• Подключается ли он исключительно к системе хранения аккумуляторной энергии (BESS)?

• Является ли он частью гибридной системы «фотоэлектрические панели + система хранения аккумуляторной энергии»?

• Подключена ли система к централизованной электросети?

• Может ли микросеть функционировать в автономном режиме?

• Будет ли через трансформатор происходить двунаправленный поток мощности?

• Каков ожидаемый суточный цикл эксплуатации?

Вопросы, связанные с качеством электроэнергии

• Присутствуют ли значительные нелинейные нагрузки?

• Какой ожидаемый спектр гармоник?

• Требуется ли управление реактивной мощностью?

• Требуется ли регулирование напряжения?

• Существуют ли конкретные ограничения качества электроэнергии со стороны энергоснабжающей организации?

Расширение в будущем

Команда проекта также должна учитывать следующее:

• Дополнительную мощность ФЭС

• Дополнительную мощность СЭН

• Повышенные лимиты экспорта

• Новые нагрузки

• Зарядка электромобиля

• Расширение микросети

• Дополнительные трансформаторы

Трансформатор, выбранный исключительно для первоначальной установки, может стать ограничением, если не учитывались потребности в будущем расширении.

8. Мониторинг и видимость активов

Проекты в области возобновляемой энергетики могут функционировать при значительных суточных колебаниях нагрузки на трансформаторы.

Мониторинг позволяет предоставлять полезные эксплуатационные данные операторам электростанций и службам технического обслуживания.

В зависимости от типа трансформатора и требований проекта мониторинг может включать:

• Нагрузка на трансформатор

• Текущий

• Напряжение

• Температура масла

• Температура обмотки

• Уровень масла

• Состояние системы охлаждения

• Условия срабатывания сигнала тревоги

• События перегрузки

• Удаленная связь

Интеграция с системами SCADA и EMS

Для крупных солнечных электростанций и проектов аккумуляторных энергосистем (BESS) мониторинг трансформаторов может интегрироваться с:

• SCADA

• Системы управления энергопотреблением (EMS)

• Платформами мониторинга электростанций

• Системы управления зданиями

• Системы дистанционного управления активами

Это может помочь операторам понять условия эксплуатации трансформатора и выявить аномальные события.

Мониторинг не устраняет отказы оборудования, однако он поддерживает техническое обслуживание по состоянию и повышает прозрачность эксплуатации.

Это особенно полезно для удалённых объектов возобновляемой энергетики, где регулярные физические осмотры могут проводиться реже.

9. Как задать технические требования к распределительному трансформатору для солнечной электростанции или системы хранения энергии (BESS)

Чёткая техническая спецификация помогает производителю трансформаторов понять реальные условия эксплуатации проекта.

Чек-лист запроса коммерческого предложения (RFQ) на трансформаторы для солнечных электростанций и систем хранения энергии (BESS)

Требование	Информация для предоставления
Место	Местоположение и внешние условия
Приложение	Солнечная электростанция / BESS / Фотоэлектрическая станция + BESS / Микросеть
Емкость	кВА или МВА
Первичное напряжение	Высокое напряжение (HV) / Среднее напряжение (MV)
Вторичное напряжение	Напряжение низкого или среднего уровня
Импортная мощность	Максимальная мощность от сети к проекту
Экспортная мощность	Максимальная мощность от проекта к сети
Группа векторов	Требование, специфичное для проекта
Импеданс	Требуемый процент
Конфигурация ответвлений	Фиксированный / вне цепи / под нагрузкой
Охлаждение	Требуемый метод охлаждения
Тип трансформатора	Сухой тип / маслонаполненный
Жидкость	Минеральное масло / эстер / другое, где применимо
Гармоники	Ожидаемая нелинейная нагрузка и требования к качеству электроэнергии
Мониторинг	Требуемые датчики и средства связи
Стандарты	Применимые нормативные и электротехнические стандарты
Сертификаты	Обязательные сертификаты для рынка/проекта
Доставка	Требуемый график производства и поставки

Почему важны возможности импорта и экспорта

Одним из наиболее важных дополнений к запросу коммерческого предложения на трансформаторы для возобновляемых источников энергии является максимальная мощность импорта и экспорта .

Традиционная спецификация, ориентированная только на нагрузку, может указывать максимальную нагрузку, но не описывать объём энергии, которую система способна экспортировать.

Для двунаправленной системы в электротехническое исследование и техническую спецификацию оборудования должны быть включены оба направления.

10. Особенности трансформаторов для микросетей

Микросети добавляют ещё один уровень сложности, поскольку могут функционировать как в режиме подключения к централизованной сети, так и в автономном (островном) режиме.

Микросеть может объединять:

• Подача вспомогательных ресурсов

• Солнечная фотовольтаика

• BESS

• Резервные генераторы

• Коммерческие или промышленные нагрузки

• Зарядка электромобиля

• Системы управления энергией

Во время работы, подключённой к сети, трансформатор может обмениваться мощностью с энергосистемой.

Во время автономной работы характер потока мощности может существенно измениться.

Это означает, что инженерам может потребоваться оценить поведение трансформатора в нескольких режимах работы, а не только при одном нормальном значении нагрузки.

Ключевые аспекты могут включать:

• Максимальный импорт

• Максимальный экспорт

• Нагрузка в автономном режиме

• Ток короткого замыкания

• Заземление

• Согласование защиты

• Регулирование напряжения

• Частотное управление

• Управление инвертором аккумуляторной системы хранения энергии (BESS)

• Взаимодействие с генератором

Спецификация трансформатора должна быть разработана в рамках общей электрической схемы микросети.

11. Как оценить производителя солнечных или аккумуляторных трансформаторов

Для проектов возобновляемой энергетики производителя трансформаторов следует оценивать не только по наличию стандартной продукции.

Проектные команды могут захотеть изучить следующие аспекты деятельности производителя:

• Инженерные возможности в области трансформаторов

• Производственная мощность

• Возможности индивидуальной настройки

• Процедуры заводских испытаний

• Управление качеством

• Технической документации

• Планирование поставки

• Опыт работы в приложениях возобновляемой энергетики

• Варианты мониторинга и вспомогательного оборудования

• Послепродажная поддержка

Для индивидуальных проектов раннее инженерное взаимодействие может помочь решить вопросы напряжения, импеданса, группы соединения обмоток, охлаждения, мониторинга и требований к корпусу до начала производства.

Dingxin Решения для солнечных и аккумуляторных трансформаторов

Dingxin Electric — это производитель трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций, предлагающий индивидуальные решения для проектов в сфере возобновляемой энергетики, электросетей, промышленности, коммерции и инфраструктуры.

Наш ассортимент включает:

• Распределительные трансформаторы

• Силовые трансформаторы

• Масляные трансформаторы

• Трансформаторы сухого типа

• Трансформаторы, установленные на подушке

• Модульные подстанции

• Индивидуальными решениями для трансформаторов

Для проектов солнечной фотоэлектрической генерации, систем накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) и гибридных энергетических проектов компания Dingxin может удовлетворять проектно-специфические требования, касающиеся мощности, напряжения, импеданса, векторной группы, конфигурации ответвлений, системы охлаждения, мониторинга, корпуса и условий монтажа .

Поскольку проекты возобновляемой энергетики могут функционировать при изменяющихся профилях нагрузки и двунаправленном потоке мощности, выбор трансформатора должен основываться на полной эксплуатационной модели проекта.

Компания Dingxin может сотрудничать с подрядчиками EPC, разработчиками, системными интеграторами, энергоснабжающими организациями и владельцами проектов для разработки конфигурации трансформатора на основе реальных электрических требований, а не только на основе стандартного каталожного номинала.

Часто задаваемые вопросы

Что такое распределительный трансформатор для солнечной энергетики?

Распределительный трансформатор для солнечной энергетики — это трансформатор, используемый для подключения системы генерации солнечной фотоэлектрической энергии к распределительной сети среднего напряжения или другой электрической распределительной сети. Его номинальные параметры и конфигурация зависят от мощности ФЭС, уровней напряжения, требований к экспорту электроэнергии, конструкции точки присоединения и применимых стандартов.

Что такое трансформатор BESS?

Трансформатор BESS соединяет систему аккумуляторного накопления энергии и её оборудование преобразования мощности с распределительной или передающей электрической сетью. В зависимости от конфигурации системы трансформатор может быть рассчитан на поддержку потоков мощности как при зарядке, так и при разрядке.

Может ли трансформатор работать при двунаправленном потоке мощности?

Трансформатор может быть спроектирован и указан для систем с двунаправленным потоком мощности, однако его пригодность следует оценивать в составе полной электрической системы. Необходимо учитывать требования к защите, регулированию напряжения, тепловой нагрузке, импедансу, заземлению и подключению к сетям коммунального обеспечения.

Вызывает ли солнечная энергия обратный поток мощности?

Фотоэлектрические солнечные панели могут вызывать обратный поток мощности, когда вырабатываемая мощность превышает местный электропотребление и избыточная мощность поступает в вышестоящую распределительную сеть. Возникновение этого явления зависит от нагрузки системы, мощности солнечных панелей, наличия систем накопления энергии и средств контроля экспорта.

Изменяет ли BESS нагрузку на трансформатор?

Да. Система накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) может повышать нагрузку на трансформатор во время зарядки и отдавать мощность при разрядке. Поэтому трансформатор следует оценивать с учётом ожидаемых профилей зарядки и разрядки, а не только средней нагрузки.

Создают ли солнечные и аккумуляторные (BESS) системы гармоники?

Электронное силовое оборудование, такое как солнечные инверторы и преобразователи мощности для систем накопления энергии (BESS PCS), может генерировать гармонические токи. Фактические гармонические характеристики зависят от конкретного оборудования и конструкции системы; поэтому инженеры должны оценить ожидаемый гармонический спектр и применимые требования к качеству электроэнергии.

Может ли компания Dingxin адаптировать трансформаторы для солнечных и аккумуляторных (BESS) систем?

Да. Компания Dingxin предоставляет адаптированные решения в виде трансформаторов и предварительно собранных подстанций с учётом специфических требований проекта: напряжения, мощности, сопротивления короткого замыкания, группы соединения обмоток, регулировочных отпаек, системы охлаждения, средств мониторинга, исполнения корпуса и других параметров.

Планируете проект солнечной, аккумуляторной (BESS) или гибридной энергетической системы?

Трансформатор для возобновляемых источников энергии должен проектироваться с учётом требований проекта максимальная мощность импорта, максимальная мощность экспорта, профиль нагрузки, требования к напряжению, качество электроэнергии, стратегия защиты и планы будущего расширения .

Направьте Dingxin вашу однолинейную схему, первичное и вторичное напряжение, мощность трансформатора, максимальную мощность импорта/экспорта, эксплуатационный профиль и требования к подключению к электросети. Наша инженерная команда проведёт анализ заявки и порекомендует индивидуальную конфигурацию трансформатора.

Запросите техническое коммерческое предложение от Dingxin уже сегодня для вашего проекта солнечной энергетики, системы хранения аккумуляторной энергии (BESS), микросети или двунаправленного потока мощности.

Dingxin Electric — индивидуальные решения в области трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций для проектов возобновляемой энергетики.