Проектирование повышающих трансформаторов для фотоэлектрических установок и систем хранения энергии на аккумуляторах: управление двунаправленным потоком мощности, тепловыми нагрузками и защитой

Растущая интеграция фотогальванических (ФЭС) электрогенерирующих установок и систем аккумуляторного энергоснабжения (САЭ) меняет способ подключения объектов возобновляемой энергетики к распределительным электрическим сетям.

В отличие от традиционных солнечных электростанций, которые в основном экспортируют выработанную электроэнергию, гибридные комплексы ФЭС–САЭ могут работать в нескольких режимах: экспорт солнечной энергии, зарядка аккумуляторов от сети или от солнечной генерации, разряд накопленной энергии и оказание услуг по поддержке электросети.

Эти изменяющиеся условия эксплуатации предъявляют новые инженерные требования к повышающей подстанции для фотогальванических электростанций и связанным с ней трансформаторам.

Правильно спроектированная трансформатор с двунаправленным потоком мощности должен обеспечивать работу при различных профилях нагрузки, поддерживать приемлемые тепловые характеристики, выдерживать заданные электрические возмущения и функционировать в рамках согласованной системы защиты.

Для подрядчиков по строительству солнечных электростанций (EPC), интеграторов систем хранения энергии (BESS), инженеров электросетей и проектировщиков промышленных систем электроснабжения выбор трансформатора является критически важным этапом обеспечения надёжности проекта и управления совокупными затратами на протяжении всего жизненного цикла.

В данном руководстве рассматриваются электрические, тепловые и защитные вызовы, связанные с интеграцией фотоэлектрических (PV) и аккумуляторных (BESS) систем, а также объясняется, как правильно задать технические требования к повышающему трансформатору для современных гибридных проектов возобновляемой энергетики.

1. Понимание гибридных энергосистем PV–BESS

1.1 Как комбинированная солнечная установка с накоплением энергии изменяет распределение электроэнергии

В типовой сетевой фотоэлектрической электростанции инверторы преобразуют постоянный ток (DC) от фотоэлектрических модулей в переменный ток (AC).

Повышающий трансформатор увеличивает выходное напряжение инвертора до требуемого уровня среднего напряжения распределительной сети, например, 10 кВ, 20 кВ или 35 кВ.

Электроэнергия обычно поступает от солнечного генерирующего оборудования в сборную сеть или сеть электроснабжения, хотя вспомогательные нагрузки и некоторые режимы эксплуатации могут приводить к ограниченному обратному потоку.

При подключении аккумуляторной системы накопления энергии (BESS) электрическая архитектура становится более сложной.

Гибридная установка PV-BESS может работать в нескольких режимах:

Режим работы	Потоком энергии	Учёт трансформатора
Солнечная генерация	Инвертер ФЭС → Трансформатор → Сеть	Постоянная нагрузка от генерации
Зарядка аккумуляторов от сети	Сеть → Трансформатор → PCS BESS	Обратный поток активной мощности
Разряд аккумуляторов	Система хранения энергии на аккумуляторах (BESS) → Трансформатор → Сеть	Экспортная нагрузка и тепловые характеристики
Экспорт солнечной энергии и энергии от системы хранения энергии на аккумуляторах (BESS)	Фотоэлектрическая установка (PV) + система хранения энергии на аккумуляторах (BESS) → Трансформатор → Сеть	Совместная максимальная выходная мощность
Решетчатая опора	Двунаправленный обмен активной и реактивной мощностью	Регулирование напряжения и координация систем защиты
Режим ожидания	Минимальная передача активной мощности	Потери холостого хода и вспомогательные потребности

В системах с переменным током (AC-связанных системах) инвертеры фотоэлектрических модулей и системы преобразования мощности аккумуляторов (PCS) могут подключаться к общей сети переменного тока.

Для этого могут использоваться специализированный трансформатор для систем накопления энергии (BESS), общий повышающий трансформатор или несколько трансформаторов — в зависимости от мощности системы и электрической архитектуры.

1.2 Почему важна двунаправленная передача мощности

Обычный трансформатор, как правило, способен передавать переменный ток (AC) в любом направлении, при условии соблюдения его пределов по напряжению, току, изоляции, температуре и защите.

Поэтому, двунаправленная передача мощности не требует принципиально иной магнитной конструкции трансформатора .

Инженерная задача возникает из-за эксплуатационных условий, характерных для гибридных солнечных и накопительных систем.

Это может включать:

• Повторяющиеся переключения между режимами заряда и разряда.

• Изменяющаяся нагрузка в течение дня.

• Гармонические токи, генерируемые инвертерами.

• Обмен реактивной мощностью.

• Возможная инжекция постоянного тока.

• Различные вклады тока короткого замыкания в различных режимах работы.

• Изменения напряжения в сети сбора.

• Длительная работа в режиме включённого ожидания.

Повышающий трансформатор фотогальванической установки должен оцениваться с учётом этих реальных условий эксплуатации, а не только направления потока мощности.

2. Тепловые нагрузки и вызванные ими трудности Повышающие трансформаторы систем хранения энергии на аккумуляторах (BESS)

2.1 Тепловое циклирование при зарядке и разрядке

Тепловые характеристики являются важнейшим критерием при выборе Повышающего трансформатора системы хранения энергии на аккумуляторах (BESS) .

Температура обмоток трансформатора и изолирующей жидкости зависит в первую очередь от электрических потерь, условий охлаждения, температуры окружающей среды и предыдущей истории нагрузки.

На электростанции накопления энергии в аккумуляторах может происходить несколько циклов зарядки и разрядки в течение одного дня.

Например, аккумуляторная система может заряжаться в периоды высокой генерации солнечной энергии, разряжаться в вечерние часы пиковой нагрузки и предоставлять дополнительные услуги электросети в промежуточные периоды.

Хотя реверсирование направления потока мощности само по себе не вызывает дополнительного нагрева при одинаковом действующем значении тока, частые изменения величины тока могут приводить к повторяющимся циклам нагрева и охлаждения.

Эти циклы могут влиять на:

• Температуру «горячей точки» обмотки.

• Скорость старения изоляции.

• Тепловое расширение и сжатие.

• Механическую нагрузку на конструкции крепления обмоток.

• Долгосрочное состояние масла и изоляции.

Результирующие колебания температуры зависят от продолжительности нагрузки и тепловых постоянных времени трансформатора.

Следовательно, при выборе трансформатора по мощности следует учитывать полный профиль его эксплуатации, а не только номинальную мощность преобразователя постоянного тока (PCS).

2.2 Оценка температуры «горячей точки» трансформатора

Срок службы изоляции трансформатора сильно зависит от температуры «горячей точки» обмоток.

Для маслонаполненных трансформаторов приближённая температура «горячей точки» может быть выражена следующим образом:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Где:

• θH: Температуру «горячей точки» обмотки.

• θA: Температура окружающей среды.

• δθTO: Повышение температуры верхнего слоя масла относительно окружающей среды.

• δθH: Градиент температуры витков в «горячей точке» выше температуры верхнего слоя масла.

Фактический рост температуры зависит от нагрузки, конструкции системы охлаждения, геометрии трансформатора и истории его эксплуатации.

Инженеры должны оценивать нагрузку с использованием соответствующих руководящих документов, например IEEE C57.91 или IEC 60076-7, в зависимости от технических требований проекта.

Для установок BESS представительный временной профиль нагрузки может помочь выявить тепловые риски, которые не проявляются при простом расчёте по номинальной мощности.

2.3 Внедрение постоянного тока и насыщение магнитопровода

Преобразователи силовой электроники могут вводить небольшие составляющие постоянного тока в свой переменный выход при определённых условиях.

Чрезмерное внедрение постоянного тока может вызвать магнитный смещённый режим в магнитопроводе трансформатора, что потенциально приводит к:

• Увеличению намагничивающего тока.

• Насыщению магнитопровода.

• Дополнительным паразитным потерям.

• Локальный обогрев.

• Увеличение акустического шума.

• Аномальная вибрация.

Однако инвертеры и оборудование PCS, предназначенные для подключения к сети, при грамотном проектировании оснащаются функциями управления и защиты, направленными на ограничение постоянного тока в сети.

Смещение постоянного тока следует оценивать как требование к качеству электроэнергии и совместимости оборудования, а не считать неизбежным следствием двунаправленной работы.

Производители трансформаторов должны запрашивать у производителя оборудования PCS установленные пределы ввода постоянного тока при оценке совместимости.

3. Искажения гармоник и Трансформатор Потери в гибридных системах ФЭС–АЭС

3.1 Почему преобразователи на основе силовой электроники имеют значение

Инвертеры фотогальванических систем и оборудование PCS аккумуляторных систем используют полупроводниковые ключи и алгоритмы управления для преобразования электрической энергии.

Эти процессы преобразования могут вызывать появление гармонических составляющих тока.

В зависимости от топологии преобразователя, частоты переключения, стратегии управления и фильтрации к числу значимых гармонических составляющих могут относиться 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники, а также составляющие более высоких частот.

Фактический спектр гармоник необходимо получить у производителя оборудования или в рамках соответствующего исследования качества электроэнергии.

Гармонические токи могут приводить к увеличению:

• Потерь на вихревые токи в обмотках.

• Рассеянных потерь в конструкционных элементах.

• Дополнительного нагрева проводников.

• Общей тепловой нагрузки на трансформатор.

• Электрических напряжений, связанных с резонансом, в остальной части системы.

Поскольку потери на вихревые токи, обусловленные гармониками, зависят от частоты, оценка только действующего значения тока основной частоты может занижать вклад некоторых потерь.

3.2 Требуют ли трансформаторы для систем накопления энергии (BESS) рейтингов K-фактора?

K-фактор обычно используется для описания способности трансформатора выдерживать заданные характеристики нелинейной нагрузки, особенно в некоторых применениях сухих трансформаторов.

Однако выбор произвольного рейтинга K-4, K-9 или K-13 не является универсальным требованием для масляных повышающих трансформаторов для солнечных электростанций и систем хранения энергии.

Для среднего напряжения маслонаполненных трансформаторов более корректным инженерным подходом является оценка ожидаемого спектра гармоник и связанных с ним дополнительных потерь.

Стандарт IEEE C57.110 содержит методы, применимые для оценки способности трансформатора работать при несинусоидальных токах нагрузки в пределах его определённой области применения.

Рекомендуемые инженерные шаги включают:

1. Получение данных о гармонических токах от инвертеров ФЭС и преобразователей систем накопления энергии (PCS).

2. Оценка ожидаемых условий эксплуатации как в режиме заряда, так и в режиме разряда.

3. Расчёт дополнительных потерь в обмотках и потерь рассеяния, где это применимо.

4. Проверка превышения температуры обмоток и нагрузки на изоляцию.

5. Определить, необходима ли специальная конструкция обмотки, дополнительное охлаждение или снижение номинальной мощности.

Такой подход, ориентированный на конкретное применение, помогает избежать необоснованного увеличения габаритов трансформатора и одновременно обеспечивает сохранение его эксплуатационных характеристик в долгосрочной перспективе.

3.3 Снижение теплового напряжения, вызванного гармониками

В зависимости от характеристик инвертора и требований проекта возможны следующие инженерные решения для трансформатора:

• Оптимизированная конструкция проводников обмотки.

• Адекватная транспозиция проводников или особая схема укладки обмоток.

• Дополнительный запас по температуре.

• Повышенная способность к охлаждению.

• Оценка потерь при заданной гармонической нагрузке.

• Согласованная фильтрация на уровне инвертора или всей системы.

Гармоническая фильтрация, как правило, представляет собой инженерное решение на уровне системы, в котором участвуют поставщик PCS, подрядчик EPC и проектировщик подключения к электросети.

Одного лишь проектирования трансформатора недостаточно для устранения всех проблем с гармониками в гибридной электростанции.

4. Регулирование напряжения и выбор переключателя ответвлений для двунаправленного потока мощности

4.1 Повышение и понижение напряжения в гибридных системах

Напряжение на выводах трансформатора зависит от направления и величины активной и реактивной мощности, импеданса трансформатора, а также характеристик подключённой сети.

Во время генерации от фотоэлектрических модулей или разряда аккумуляторной системы накопления энергии (BESS) экспорт мощности может приводить к повышению напряжения в определённых точках подключения.

При зарядке от электросети импортируемая мощность может вызывать падение напряжения.

Однако реальный отклик напряжения также зависит от управления реактивной мощностью, импеданса системы, регулирования напряжения на вышестоящих участках и условий эксплуатации сети.

Поэтому в гибридных установках с фотоэлектрическими модулями и аккумуляторными системами хранения энергии регулирование напряжения должно быть скоординировано между инвертором, трансформатором и системой подключения к электросети.

4.2 Разъединённые переключатели ответвлений по сравнению с переключателями ответвлений под нагрузкой

В силовых трансформаторах применяются две распространённые схемы переключения ответвлений.

Переключатель ответвлений при отключённом питании (DETC)

Переключатель ответвлений при отключённом питании позволяет изменять коэффициент трансформации трансформатора только тогда, когда трансформатор безопасно отключён от питания в соответствии с инструкциями производителя.

Преимуществ включают:

• Относительно простая конструкция.

• Более низкая первоначальная стоимость.

• Сниженная механическая сложность.

• Подходит для случаев, когда колебания рабочего напряжения можно компенсировать другим оборудованием.

Регулятор напряжения под нагрузкой (OLTC)

Переключатель ответвлений под нагрузкой (OLTC) позволяет корректировать ответвления, пока трансформатор остаётся под напряжением и нагружен, в пределах его проектных и эксплуатационных ограничений.

Системы РПН могут быть целесообразны в тех случаях, когда условия напряжения сети требуют активной регулировки коэффициента трансформации трансформатора.

Однако наличие РПН не является автоматически обязательным только из-за частой зарядки и разрядки СЭН.

Современные ресурсы на основе инвертеров способны обеспечивать регулирование напряжения и реактивной мощности в пределах своих возможностей и требований сетевого кодекса.

Частые операции переключения ответвлений также могут повлечь за собой дополнительные требования к техническому обслуживанию.

Инженерная рекомендация: Перед выбором оборудования РПН необходимо оценить возможности инвертеров по регулированию напряжения и реактивной мощности (Volt-VAR), регулирование в средневольтной сети, требования к подключению к сети и ожидаемую частоту переключения ответвлений.

5. Выбор подходящей архитектуры повышающей подстанции для фотоэлектрических станций

5.1 Интегрированные повышающие подстанции для ФЭС и СЭН

А повышающей подстанции для фотогальванических электростанций объединяют электрическое оборудование, необходимое для подключения низковольтного оборудования возобновляемых источников энергии к средневольтной сборной сети.

В зависимости от конструкции интегрированная подстанция может включать:

• Повышающий распределительный трансформатор.

• Распределительное устройство среднего напряжения или кольцевая распределительная установка (КРУ).

• Распределительное устройство низкого напряжения на вводе.

• Устройства защиты и управления.

• Средства учёта электроэнергии.

• Защита от перенапряжений.

• Вспомогательные электрические системы.

• Интерфейсы мониторинга и связи.

Комплексное решение может сократить количество отдельных компонентов, устанавливаемых на месте, и упростить размещение оборудования.

Возможные преимущества проекта включают сокращение площади участка, заводскую интеграцию соединений, улучшение согласованности оборудования и упрощение планирования монтажа.

Тем не менее окончательный график монтажа зависит от выполнения строительно-монтажных работ, согласования с эксплуатирующими организациями, проведения испытаний на месте и общего графика строительства.

5.2 Комплексная подстанция по сравнению с модульной компоновкой оборудования

Критерий выбора	Интегрированная повышающая подстанция	Модульное размещение оборудования
Расположение оборудования	Заводской интегрированный комплект	Отдельные трансформаторные и коммутационные устройства
Площадь участка	Возможно компактное исполнение	Зависит от расстояния между оборудованием
Интеграция с заводом	Более высокая степень предварительной сборки	Может потребоваться больше координации на месте
Доступ для обслуживания	Должно быть учтено при проектировании корпуса	Может обеспечить большее разделение оборудования
Расширение в будущем	Зависит от конструкции комплекта	Часто обеспечивает большую гибкость размещения
Типичное применение	Блоки солнечных электростанций/систем накопления энергии и компактные площадки	Крупные или сложные подстанции

Для гибридных электростанций масштаба электросети архитектура оборудования должна выбираться с учётом ремонтопригодности, требований к расширению, электрических зазоров, безопасности и общей стоимости монтажа.

5.3 Конструкция трансформатора с двумя низковольтными обмотками

Некоторые фотоэлектрические станции с системами накопления энергии используют трансформаторы с отдельными низковольтными обмотками для инвертера фотогальванической установки и преобразователя мощности аккумуляторной системы.

Такая конфигурация может обеспечить отдельные электрические интерфейсы для двух систем преобразователей при совместном использовании общего средневольтного соединения.

Возможные преимущества включают:

• Независимые схемы низковольтных соединений.

• Большая гибкость при выборе напряжения обмоток.

• Снижение потребности в определённом внешнем оборудовании для объединения переменного тока.

• Конструкция сопротивления и заземления, адаптированная под конкретное применение.

Однако отдельные обмотки не обеспечивают полной электрической изоляции между подключёнными системами при всех режимах работы.

Токи короткого замыкания, связь обмоток, переходные напряжения и согласование защит должны оцениваться с использованием эквивалентной схемы трансформатора с несколькими обмотками.

Поэтому конструкцию с двумя вторичными обмотками следует задавать на основе требуемых номинальных мощностей, напряжений обмоток, векторной группы, сопротивлений и характеристик при коротком замыкании.

6. Трансформатор Защита при двунаправленной работе фотоэлектрических станций и аккумуляторных энергосистем (PV-BESS)

6.1 Направленная токовая защита

Традиционная защита распределительных сетей может основываться на предположении, что ток короткого замыкания преимущественно протекает от источника питания сети к подключённым нагрузкам.

Гибридные системы ФЭ-АКБ могут создавать различные пути протекания токов короткого замыкания в зависимости от режима работы, управления инвертором и конфигурации сети.

Направленные функции защиты от сверхтоков, такие как ANSI 67 и 67N, могут быть целесообразны там, где необходимо различать направление тока КЗ.

Другие функции защиты могут включать:

Функция по стандарту ANSI	Функция защиты	Рассмотрение применения
50/51	Мгновенная/временная защита от сверхтоков	Защита от междуфазных повреждений
50N/51N	Защита от токов замыкания на землю	Обнаружение замыкания на землю
67/67N	Направленная защита от сверхтоков	Диагностика неисправностей при наличии нескольких источников
87T	Дифференциальная защита трансформатора	Обнаружение внутренних неисправностей трансформатора
49	Тепловая защита	Мониторинг тепловой перегрузки
27/59	Пониженное/повышенное напряжение	Аномальные условия напряжения
81U/81O	Пониженная/повышенная частота	Искажения частоты сети

Выбор защиты зависит от габаритов трансформатора, схемы заземления, требований сетевого кода и архитектуры электростанции.

Направленную защиту не следует указывать исключительно из-за возможности реверсирования активной мощности; её необходимость должна быть подтверждена в ходе исследования согласования защит.

6.2 Защита от перенапряжений и координация изоляции

Фотоэлектрические установки и системы накопления энергии на аккумуляторах могут подвергаться импульсным перенапряжениям, вызванным молнией, коммутационными переходными процессами и искажениями напряжения.

Системы изоляции трансформаторов должны быть согласованы с ожидаемыми электрическими условиями.

Важные параметры включают:

• Наибольшее напряжение для оборудования.

• Уровень выдерживаемого импульсного напряжения грозового разряда.

• Испытательное напряжение промышленной частоты.

• Параметры ограничителей перенапряжения.

• Схемы заземления.

• Характеристики изоляции кабелей.

• Условия коммутационных переходных процессов.

Оксидные ограничители перенапряжения на металлической основе могут быть включены в соответствии с требованиями координации изоляции системы.

Их выбор должен учитывать систему заземления, максимальное длительно допустимое рабочее напряжение, условия временного перенапряжения и ожидаемую среду импульсных перенапряжений.

6.3 Мониторинг трансформаторов и интеграция с системой SCADA

Крупные фотоэлектрические электростанции с аккумуляторными накопителями энергии (PV-BESS) часто оснащаются централизованными системами диспетчерского управления и сбора данных (SCADA).

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

• Температуру масла в верхней части бака.

• Указание или оценку температуры обмоток.

• Уровень жидкости.

• Состояние устройства сброса давления.

• Защиту от скопления газа, где это применимо.

• Состояние системы охлаждения.

• Контакты сигнализации и аварийного отключения.

Реле Бухгольца обычно применяются в сочетании с маслонаполненными трансформаторами консерваторного типа, а не со всеми герметичными распределительными трансформаторами.

Данные мониторинга могут быть подключены к системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) или системам управления энергопотреблением на уровне объекта посредством соответствующего интерфейса управления.

Такая интеграция может обеспечить контроль технического состояния, планирование технического обслуживания и оперативную информационную прозрачность.

7. Стандарты IEEE и IEC для Трансформаторов повышения напряжения для фотоэлектрических станций и систем хранения энергии на основе аккумуляторов (PV-BESS)

Международные проекты в области возобновляемой энергетики должны соответствовать применимым стандартам на трансформаторы и требованиям местных сетей к подключению.

Ниже приведены соответствующие технические стандарты.

Стандартная	Сфера применения	Актуальность для проектов PV-BESS
IEEE C57.159	Руководство по применению трансформаторов в распределённых фотоэлектрических генерирующих системах	Рекомендации по применению трансформаторов для фотоэлектрических инверторов
IEEE C57.12.00	Общие требования к трансформаторам с жидкостным охлаждением	Конструкция и эксплуатационные характеристики трансформаторов
IEEE C57.110	Способность трансформаторов работать при несинусоидальных токах нагрузки	Оценка потерь и нагрузки от гармоник
IEEE C57.91	Нагрузка трансформаторов с масляным охлаждением	Тепловые характеристики и старение изоляции
IEC 60076-1	Общие требования к силовым трансформаторам	Рейтинги и общие технические характеристики
IEC 60076-2	Повышение температуры для трансформаторов с жидкостным охлаждением	Тепловые испытания и предельные значения
IEC 60076-5	Способность выдерживать короткое замыкание	Требования к устойчивости к короткому замыканию
IEC 60076-7	Руководство по нагрузке для трансформаторов с минеральным маслом	Оценка нагрузочного цикла
МЭК 60076-16	Трансформаторы для применения в ветроэнергетических установках	Применяется в первую очередь к повышающим трансформаторам ветроэнергетических установок
IEEE 1547	Взаимосвязь распределённых источников энергии	Требования к интерфейсу распределённых источников энергии (DER) с электросетью в рамках его области применения

Стандарт IEC/IEEE 60076-16 специально предназначен для применения в повышающих трансформаторах ветровых турбин. Его не следует представлять как специализированный стандарт для трансформаторов солнечных электростанций и систем хранения энергии на основе аккумуляторов.

Аналогично, стандарт IEEE C57.159 содержит рекомендации по применению трансформаторов для распределённых фотогальванических систем, однако он не заменяет общие стандарты проектирования, испытаний и подключения к электросети.

Для гибридных установок инженеры должны отдельно указывать применимые требования и уточнять, относятся ли конкретные положения к выбранной конфигурации трансформатора.

8. Выбор изолирующих жидкостей для трансформаторов солнечных электростанций и систем хранения энергии на основе аккумуляторов

Выбор изолирующей жидкости влияет на диэлектрические характеристики, теплоотвод, пожарную безопасность и экологические аспекты.

8.1 Трансформаторы с минеральным маслом

Минеральное масло остаётся распространённой изолирующей и охлаждающей средой для трансформаторов с жидкостным охлаждением.

К числу его преимуществ относятся отлаженные производственные процессы, широкая доступность, проверенный опыт эксплуатации и, как правило, конкурентоспособная первоначальная стоимость.

8.2 Естественные эфирные изоляционные жидкости

Естественные эфирные жидкости всё чаще рассматриваются для установок, где важны пожаробезопасность и экологические характеристики.

По сравнению с традиционным минеральным изоляционным маслом подходящие естественные эфирные жидкости, как правило, обеспечивают:

• Более высокие температуры вспышки.

• Благоприятные характеристики биоразлагаемости.

• Иные свойства управления влажностью.

• Возможные преимущества в отдельных пожароопасных применениях.

Некоторые коммерческие естественные эфирные жидкости имеют температуру вспышки выше 300 °C.

Однако выбранная жидкость должна быть совместима с изоляционной системой трансформатора, уплотнениями, системой охлаждения и процедурами технического обслуживания.

При выборе жидкости также следует учитывать действующие нормы пожарной безопасности, требования к герметизации и экологические спецификации проекта.

Ни натуральные эфирные жидкости, ни минеральные масла не должны выбираться на основе единственной характеристики эффективности.

9. Практический подбор трансформатора для гибридного проекта ФЭС–САЭС

Рассмотрим пример гибридной установки со следующими проектными параметрами:

• Мощность инвертера ФЭС: 3 МВт.

• Мощность разряда ПУ САЭС: 2 МВт.

• Мощность заряда ПУ САЭС: 2 МВт.

• Средненапряжённая система сбора: 35 кВ.

• Общая переменно-токовая схема сбора.

Если система управления позволяет ФЭС и САЭС одновременно отдавать активную мощность на максимальных номинальных значениях, суммарная выходная мощность может достигать:

3 МВт + 2 МВт = 5 МВт

При предполагаемом коэффициенте мощности 0,95 приблизительная требуемая полная мощность составляет:

S = P / cos φ

S = 5000 кВт / 0,95 = 5263 кВА

Следовательно, предварительная инженерная оценка может рассматривать трансформаторы с номинальной мощностью выше рассчитанной полной мощности с учётом требуемого режима работы, условий охлаждения и применимых стандартов.

Однако окончательный выбор должен учитывать дополнительные факторы.

Например, если контроллер электростанции ограничивает суммарный экспорт до 4 МВт, то требуемая нагрузка на трансформатор может отличаться.

Аналогично, зарядка аккумуляторов может создавать дополнительные сценарии потока мощности в зависимости от того, поступает ли энергия от солнечных генераторов, от сети или от обоих источников.

Окончательную номинальную мощность трансформатора следует определять на основе полной матрицы рабочих режимов, включающей:

1. Максимальный одновременный экспорт от ФЭС и BESS.

2. Максимально допустимый объём потребления электроэнергии из сети.

3. Рабочие пределы реактивной мощности.

4. Гармоническая нагрузка.

5. Вспомогательные нагрузки трансформатора.

6. Температура окружающей среды.

7. Расширение мощности в будущем.

8. Допустимые условия перегрузки.

Для многообмоточных трансформаторов каждая обмотка также должна быть проверена на соответствие её индивидуальному номинальному значению и предельным токам.

Ключевой принцип заключается в выборе трансформатора по максимальным реалистичным электрическим и тепловым рабочим условиям, а не просто по сумме номинальных значений установленного оборудования.

10. Индивидуальные решения компании Jiangsu Dingxin Electric для повышающих трансформаторов PV-BESS

Jiangsu Dingxin Electric — производитель распределительных трансформаторов, силовых трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций, обслуживающий международные рынки электрической инфраструктуры.

Обладая более чем 30-летним опытом работы в трансформаторной отрасли, компания Dingxin предоставляет производственные и ориентированные на применение инженерные решения для проектов в сфере возобновляемой энергетики, промышленного распределения и энергоснабжения.

10.1 Индивидуальные трансформаторы для солнечных электростанций и систем хранения энергии на аккумуляторах

Для приложений ФЭС и систем хранения энергии на аккумуляторах (BESS) часто требуются иные электрические конфигурации по сравнению с традиционными коммерческими распределительными проектами.

Компания Dingxin совместно с заказчиками анализирует специфические требования к каждому проекту, включая:

• Номинальные параметры трансформаторов среднего напряжения.

• Схемы подключения инвертеров ФЭС и преобразователей систем хранения энергии на аккумуляторах (PCS).

• Комбинации первичных и вторичных напряжений.

• Один или несколько низковольтных обмоток.

• Группы соединения обмоток трансформаторов.

• Требования к величине импеданса.

• Выбор изолирующей жидкости.

• Системы охлаждения.

• Конфигурации наружных корпусов.

• Вспомогательные устройства защиты и мониторинга.

Для проектов с системами сбора напряжением 35 кВ можно рассмотреть индивидуальные проекты интегрированных подстанций с учётом требуемых напряжения, мощности, компоновки коммутационного оборудования и условий монтажа.

10.2 Инженерная поддержка для двунаправленного потока мощности

Надёжная интеграция ФЭС и САЭС требует согласования конструкции трансформатора и инженерного проектирования на уровне всей системы.

При проверке технических спецификаций важными аспектами являются:

Тепловая оценка: Оценка циклов нагрузки, температур окружающей среды и превышения температуры обмоток.

Оценка гармоник: Проверьте данные о гармониках инвертора и PCS, чтобы определить необходимость дополнительных расчетов потерь или конструктивных мер.

Электрическая конфигурация: Согласуйте напряжение обмоток, импеданс, векторную группу и схемы заземления с гибридной системой электроснабжения.

Совместимость систем защиты: Согласуйте требования к защите трансформатора с релейной защитой и коммутационными схемами системы.

Испытания и документация: Определите применимые требования IEEE/IEC, критерии заводских приемочных испытаний и техническую документацию до начала производства.

Dingxin может поддержать обсуждение индивидуальных технических требований к трансформаторам для подрядчиков солнечных EPC, разработчиков возобновляемых источников энергии и партнёров по интеграции BESS.

Фактические номинальные параметры изделий, статус соответствия, объём испытаний и доступные конфигурации должны быть подтверждены на основе технической документации, специфичной для конкретного проекта.

11. Часто задаваемые вопросы о повышающих трансформаторах PV-BESS

Что такое трансформатор с двунаправленным потоком мощности?

Трансформатор с двунаправленным потоком мощности — это трансформатор, применяемый в электрической системе, где активная мощность может передаваться в любом из двух направлений.

Обычные переменного тока трансформаторы, как правило, способны передавать мощность в обоих направлениях, однако в гибридных системах на основе возобновляемых источников энергии может потребоваться дополнительная оценка циклов нагрузки, гармоник, регулирования напряжения и защиты.

Чем трансформатор повышения напряжения для BESS отличается от обычного солнечного трансформатора?

Трансформатор повышения напряжения для BESS может работать в режимах зарядки, разрядки, ожидания и поддержки реактивной мощности.

По сравнению с обычным применением в солнечных электрогенерирующих системах, его эксплуатационный профиль может включать иные циклы нагрузки и требования к качеству электроэнергии.

Конструкция трансформатора должна соответствовать реальным характеристикам PCS и условиям эксплуатации системы.

Может ли один трансформатор подключать как инверторы PV, так и оборудование PCS BESS?

Да. Возможна совместная схема трансформаторов, если электрическая архитектура, номинальные параметры обмоток, уровни напряжения, координация защит и тепловая мощность спроектированы надлежащим образом.

Варианты включают общий низковольтный шинопровод или трансформатор с несколькими обмотками.

Приводит ли двунаправленный поток мощности к насыщению трансформатора?

Нет, самостоятельно.

Насыщение сердечника связано с магнитными условиями эксплуатации, такими как чрезмерное отношение напряжения к частоте, постоянный ток смещения или определённые переходные процессы.

Направление нормального активного переменного тока само по себе не вызывает насыщения сердечника трансформатора.

Обязательны ли трансформаторы с коэффициентом K для установок BESS?

Нет. Нагрузку гармоник следует оценивать с использованием реального спектра тока PCS и соответствующей методики проектирования трансформаторов.

Конкретное обозначение коэффициента K не следует считать обязательным для каждого жидкостного трансформатора BESS.

Требуется ли регулирование напряжения под нагрузкой (OLTC) для повышающей ПВ-БЭСС-подстанции?

Не обязательно.

Требования к устройствам РПН зависят от условий напряжения в сети, возможностей инвертора по генерации реактивной мощности, стратегии регулирования сети и технических требований проекта.

Во многих установках используются схемы переключения ответвлений при отключённом напряжении в сочетании с соответствующим регулированием напряжения на уровне инвертора и сети.

Какие стандарты применимы к трансформаторам для фотоэлектрических станций с системами хранения энергии (PV-BESS)?

Соответствующие нормативные документы могут включать IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5, а также действующие руководства по нагрузочным режимам.

Требования к подключению к сети должны рассматриваться отдельно.

Каким образом производитель трансформаторов может поддержать гибридные проекты PV-BESS?

Производитель может обеспечить подбор трансформатора с учётом специфики проекта, конфигурации обмоток, оценку потерь, проектирование изоляции, оценку тепловой производительности, подбор вспомогательного оборудования и подготовку документации по заводским испытаниям.

Окончательная спецификация оборудования должна быть согласована между подрядчиком EPC, поставщиком систем преобразования мощности (PCS), инженером по сетевому присоединению и производителем трансформаторов.

12. Заключение: проектирование надёжных решений Инфраструктура электропитания от фотоэлектрических станций и систем аккумуляторных накопителей энергии

По мере всё более широкого внедрения солнечной генерации и аккумуляторных систем накопления энергии выбор трансформаторов выходит за рамки традиционного учёта номинальной мощности и соответствия напряжений.

Надёжная повышающей подстанции для фотогальванических электростанций должен обеспечивать эксплуатационные характеристики гибридных систем возобновляемой энергетики, сохраняя при этом надлежащие тепловые, диэлектрические и электрические параметры.

Ключевые инженерные аспекты включают:

• Двунаправленный поток активной и реактивной мощности.

• Переменные профили зарядки и разрядки.

• Характеристики гармонических токов.

• Тепловая нагрузка трансформатора и старение изоляции.

• Регулирование напряжения и выбор ответвлений.

• Токи короткого замыкания от нескольких источников и согласование защит.

• Применимые стандарты IEEE/IEC.

• Требования к долгосрочной надежности и техническому обслуживанию.

Для крупномасштабных проектов возобновляемой энергетики ранняя координация между производителями трансформаторов, подрядчиками EPC, поставщиками систем преобразователей мощности (PCS) и инженерами электросетевых компаний позволяет снизить риски интеграции и повысить совместимость оборудования.

Запросить индивидуальный повышающий трансформатор для фотоэлектрических станций и аккумуляторных систем хранения энергии (PV-BESS)

Разрабатываете гибридный проект солнечной энергетики и систем хранения энергии или модернизируете существующую подстанцию возобновляемой энергетики?

Компания Jiangsu Dingxin Electric предлагает индивидуальные решения в области трансформаторов и комплексных подстанций для фотоэлектрической генерации, аккумуляторных систем хранения энергии и распределения электроэнергии среднего напряжения.

Наша команда может проанализировать ваши электрические требования, включая мощность трансформатора, напряжение системы, конфигурацию обмоток, вспомогательные устройства защиты и применимые инженерные стандарты.

Свяжитесь с компанией Dingxin Electric, чтобы запросить проверку спецификации трансформатора под конкретный проект или технический запрос предложений (RFQ).

Веб-сайт: https://www.dishinelectric.com/