Проєктування підвищувальних трансформаторів для фотовольтаїчних установок та акумуляторних систем накопичення енергії: управління двонапрямним потоком потужності, тепловим навантаженням та захистом

Зростаюча інтеграція фотогальванічних (ФЕС) електростанцій та систем акумулювання електроенергії на основі батарей (САЕ) змінює спосіб підключення об’єктів відновлюваної енергетики до електричних розподільних мереж.

На відміну від традиційних сонячних електростанцій, що переважно експортують вироблену електроенергію, гібридні ФЕС-САЕ можуть працювати в кількох режимах: експорт сонячної енергії, зарядка акумуляторів від мережі або сонячної генерації, розрядка накопиченої енергії та надання послуг підтримки електромережі.

Ці зміни у режимах роботи створюють нові інженерні вимоги до підвищувальної підстанції для ФЕС та пов’язаних з нею трансформаторів.

Правильно спроектована трансформатор із двоспрямованим потоком потужності має забезпечувати різноманітні профілі навантаження, підтримувати прийнятну теплову продуктивність, витримувати задані електричні завади та працювати в межах узгодженої системи захисту.

Для підрядників сонячних EPC, інтеграторів BESS, інженерів енергосистем та проектантів промислових електричних систем вибір трансформатора є критичним елементом забезпечення надійності проекту та управління його життєвим циклом і витратами.

У цьому посібнику розглядаються електричні, теплові та захисні виклики, пов’язані з інтеграцією ФЕС та BESS, а також пояснюється, як обрати відповідний підвищувальний трансформатор для сучасних гібридних проектів відновлюваних джерел енергії.

1. Розуміння гібридних енергосистем ФЕС–BESS

1.1 Як сонячна енергетика зі зберіганням змінює розподіл електроенергії

У звичайній сонячній електростанції, підключеній до мережі, сонячні інвертори перетворюють постійний струм від фотогальванічних модулів на змінний струм.

Підвищувальний трансформатор підвищує напругу на виході інвертора до необхідного рівня середньої напруги розподілу, наприклад, 10 кВ, 20 кВ або 35 кВ.

Зазвичай електроенергія надходить від обладнання для сонячної генерації до збірної мережі або мережі електропостачання, хоча допоміжні навантаження та певні умови експлуатації можуть призводити до обмеженого зворотного потоку.

При введенні акумуляторної системи зберігання енергії електрична архітектура стає складнішою.

Гібридна установка PV-BESS може працювати в кількох режимах:

Режим роботи	Потік енергії	Урахування трансформатора
Солнечная генерация	Інвертор PV → Трансформатор → Мережа	Постійне навантаження від генерації
Заряджання акумулятора від мережі	Мережа → Трансформатор → PCS BESS	Зворотний активний потік потужності
Розряд акумулятора	Система керування енергосистемою акумуляторів (BESS PCS) → трансформатор → мережа	Експортне навантаження та теплова продуктивність
Експорт сонячної енергії та енергії від системи акумуляторів	Фотоелектрична система (PV) + система акумуляторів (BESS) → трансформатор → мережа	Комбінований максимальний вихід
Підтримка мережі	Двозначний обмін активною/реактивною потужністю	Регулювання напруги та узгодження захисту
Резервне	Мінімальний перенос активної потужності	Втрати в режимі холостого ходу та допоміжне споживання

У системах зі змінним струмом (AC) інвертори фотовольтаїчних модулів та системи перетворення потужності акумуляторів (PCS) можуть підключатися до спільної мережі збірки змінного струму.

Залежно від потужності системи та електричної архітектури може використовуватися спеціальний трансформатор для системи накопичення електроенергії (BESS), спільний підвищувальний трансформатор або кілька трансформаторів у різних конфігураціях.

1.2 Чому важливе двонапрямлене переміщення потужності

Зазвичай звичайний трансформатор здатний передавати змінний струм у будь-якому напрямку, за умови дотримання його меж щодо напруги, струму, ізоляції, теплового навантаження та захисту.

Тому, двонапрямлене переміщення потужності не вимагає принципово іншої магнітної конструкції трансформатора .

Інженерна складність виникає через експлуатаційні умови, пов’язані з гібридними сонячними та акумуляторними системами.

До них можуть належати:

• Повторні зміни між режимами заряджання та розряджання.

• Змінне навантаження протягом доби.

• Гармонійні струми, що генеруються інверторами.

• Обмін реактивною потужністю.

• Потенційне введення постійного струму.

• Різні внески струму короткого замикання в різних режимах роботи.

• Зміни напруги в мережі збору.

• Тривалі періоди роботи в режимі «під напругою» у стані очікування.

Трансформатор підвищення напруги для фотовольтаїчних систем слід оцінювати за цими реальними умовами експлуатації, а не лише за напрямком потоку потужності.

2. Теплове навантаження та виклики щодо теплового навантаження в Трансформаторах підвищення напруги для систем накопичення електроенергії (BESS)

2.1 Теплове циклювання під час заряджання та розряджання

Теплова продуктивність є ключовим критерієм при виборі Трансформатора підвищення напруги для систем накопичення електроенергії (BESS) .

Температура обмоток трансформатора й ізоляційної рідини залежить переважно від електричних втрат, умов охолодження, температури навколишнього середовища та попередньої історії навантаження.

Акумуляторна електростанція може переживати кілька циклів заряджання й розряджання протягом одного дня.

Наприклад, акумуляторна система може заряджатися під час високої генерації сонячної енергії, розряджатися ввечері під час пікового навантаження та надавати додаткові сіткові послуги в проміжні періоди.

Хоча зміна напрямку потужності сама по собі не призводить до додаткового нагрівання за тієї самої діючої величини струму, часті зміни величини струму можуть викликати повторювані цикли нагрівання й охолодження.

Ці цикли можуть впливати на:

• Температуру «гарячої точки» обмотки.

• Швидкість старіння ізоляції.

• Теплове розширення й стискання.

• Механічне навантаження конструкцій, що підтримують обмотки.

• Довготривалий стан масла й ізоляції.

Результуюче коливання температури залежить від тривалості навантаження та теплових часових констант трансформатора.

Отже, під час вибору потужності трансформатора слід враховувати повний профіль експлуатації, а не лише номінальну потужність PCS.

2.2 Оцінка температури гарячої точки трансформатора

Термін служби ізоляції трансформатора суттєво залежить від температури гарячої точки обмотки.

Для трансформаторів з масляним охолодженням приблизну температуру гарячої точки можна представити у вигляді:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Де:

• θH: Температуру «гарячої точки» обмотки.

• θA: Температура навколишнього середовища.

• δθTO: Підвищення температури масла в верхній частині трансформатора порівняно з навколишнім середовищем.

• δθH: Градієнт температури «гарячої точки» обмотки відносно температури масла в верхній частині трансформатора.

Фактичне підвищення температури залежить від навантаження, конструкції системи охолодження, геометрії трансформатора та історії його експлуатації.

Інженери повинні оцінювати навантаження згідно з чинними рекомендаціями, наприклад IEEE C57.91 або IEC 60076-7, залежно від специфікації проекту.

Для установок BESS репрезентативний часовий профіль навантаження може допомогти виявити теплові ризики, які не проявляються при простому розрахунку за номінальною потужністю.

2.3 Введення постійного струму та насичення магнітопроводу

Перетворювачі на основі силової електроніки можуть вводити невеликі складові постійного струму у свій змінний вихід за певних умов.

Надмірне введення постійного струму може спричинити магнітний зсув у магнітопроводі трансформатора, що потенційно призведе до:

• Збільшення намагнічуючого струму.

• Насичення осердя.

• Додаткові розсіяні втрати.

• Локальне нагрівання.

• Підвищений акустичний шум.

• Аномальні вібрації.

Однак інвертери, призначені для роботи в мережі, та обладнання PCS, що добре спроектовані, містять функції керування й захисту, призначені для обмеження постійного струму на вході.

Зміщення постійного струму слід оцінювати як вимогу до якості електроенергії та сумісності обладнання, а не вважати його неминучою наслідком двонаправленої роботи.

Виробники трансформаторів повинні запитувати у виробників PCS встановлені граничні значення введення постійного струму під час оцінки сумісності.

3. Спотворення гармоніками та Трансформатор Втрати в гібридних фотоелектричних системах із накопичувальними елементами

3.1 Чому важливо електронне силове перетворення

Інвертори фотогальванічних систем та обладнання для систем керування акумуляторами (PCS) використовують напівпровідникове комутування й алгоритми керування для перетворення електричної енергії.

Ці процеси перетворення можуть вносити гармонійні складові струму.

Залежно від топології перетворювача, частоти комутації, стратегії керування та фільтрації відповідними гармонійними складовими можуть бути 5-та, 7-ма, 11-та та 13-та гармоніки, а також складові вищих частот.

Фактичний гармонійний спектр слід отримати виробником обладнання або в результаті відповідного дослідження якості електроенергії.

Гармонійні струми можуть збільшувати:

• Вихрові втрати в обмотках.

• Розсіяні втрати в конструктивних елементах.

• Додаткове нагрівання провідників.

• Загальне теплове навантаження трансформатора.

• Потенційне електричне навантаження, пов’язане з резонансом, у більшій системі.

Оскільки втрати на вихрові струми, пов’язані з гармоніками, залежать від частоти, оцінка лише середньоквадратичного струму основної частоти може занижувати певні вклади у втрати.

3.2 Чи потребують трансформатори СЕНА рейтингу K-фактора?

K-фактор зазвичай використовується для опису здатності трансформатора витримувати задані характеристики нелінійного навантаження, зокрема в певних застосуваннях сухих трансформаторів.

Однак вибір довільного рейтингу K-4, K-9 або K-13 не є універсальним вимогами для трансформаторів підвищення напруги з рідким охолодженням у сонячних енергетичних системах та системах зберігання енергії.

Для трансформаторів середньої напруги з рідким охолодженням більш доречним інженерним підходом є оцінка очікуваного спектра гармонік та відповідних додаткових втрат.

IEEE C57.110 надає методи, що стосуються оцінки здатності трансформатора працювати за умов несинусоїдального струму навантаження в межах його визначеного охоплення.

Рекомендовані інженерні кроки включають:

1. Отримати дані про гармонійні струми інвертора ФЕ та ПСЕС.

2. Оцінити очікувані умови експлуатації в режимах заряджання та розряджання.

3. Розрахувати додаткові втрати в обмотках та розсіяння, де це застосовно.

4. Перевірити підвищення температури обмоток та навантаження ізоляції.

5. Визначити, чи потрібна спеціальна конструкція обмоток, додаткове охолодження або зниження номінальної потужності.

Цей підхід, спеціально розроблений для конкретного застосування, допомагає уникнути зайвого збільшення розмірів трансформатора, одночасно забезпечуючи його тривалу експлуатаційну надійність.

3.3 Зменшення теплового навантаження, пов’язаного з гармоніками

Залежно від характеристик інвертора та вимог проекту, інженерні варіанти трансформатора можуть включати:

• Оптимізовану конструкцію провідників обмоток.

• Відповідну транспозицію провідників або розташування обмоток.

• Додатковий термічний запас.

• Покращена здатність охолодження.

• Оцінка втрат за умов заданого гармонійного навантаження.

• Узгоджене фільтрування на рівні інвертора або системи.

Фільтрування гармонік, як правило, є інженерним рішенням на рівні системи, що вимагає узгодження між постачальником PCS, підрядником EPC та проектантом підключення до мережі.

Сам по собі проект трансформатора не може вирішити всі проблеми, пов’язані з гармоніками, у гібридній електростанції.

4. Регулювання напруги та вибір регулювального пристрою з відводами для двонаправленого потоку потужності

4.1 Підвищення та зниження напруги в гібридних системах

Напруга на затискачах трансформатора залежить від напрямку й величини активної та реактивної потужності, імпедансу трансформатора та характеристик підключеної мережі.

Під час генерації від ФЕС або розряду АЕСС експорт потужності може спричиняти підвищення напруги в окремих точках підключення.

Під час заряджання від мережі імпортована електроенергія може спричиняти падіння напруги.

Однак реальна реакція напруги також залежить від керування реактивною потужністю, імпедансу системи, регулювання напруги на вищому рівні та умов роботи мережі.

Тому в гібридних установках з фотовольтаїчними модулями та акумуляторними енергосистемами регулювання напруги має бути узгодженим між інвертором, трансформатором та системою підключення до мережі.

4.2 Вимикачі відводів поза колом порівняно з вимикачами відводів під навантаженням

У силових трансформаторах застосовують два поширені типи пристроїв зміни відводів.

Вимикач відводів при відключенні (DETC)

Вимикач відводів при відключенні дозволяє змінювати коефіцієнт трансформації трансформатора лише тоді, коли трансформатор безпечно відключений згідно з інструкціями виробника.

Переваги включають:

• Відносно проста конструкція.

• Нижча початкова вартість.

• Знижена механічна складність.

• Підхожість у випадках, коли коливання робочої напруги можна компенсувати іншим обладнанням.

Регулятор відводів під навантаженням (OLTC)

Регулювальний пристрій з під навантаженням (OLTC) дозволяє змінювати коефіцієнт трансформації, поки трансформатор залишається під напругою й навантаженим, за умови відповідності його конструкції та експлуатаційних обмежень.

Системи OLTC можуть бути доцільними там, де умови напруги в мережі вимагають активної корекції коефіцієнта трансформації.

Однак наявність OLTC не є автоматично обов’язковою лише через часте заряджання та розряджання системи акумуляторного зберігання електроенергії (BESS).

Сучасні ресурси на основі інвертерів можуть забезпечувати регулювання напруги та реактивної потужності в межах своїх технічних можливостей та вимог сіткових кодексів.

Часті операції перемикання відводів також можуть спричинити додаткові вимоги до технічного обслуговування.

Інженерна рекомендація: Перед визначенням необхідності обладнання OLTC слід оцінити можливості інвертерів у режимі Volt-VAR, регулювання напруги у середньонапружених мережах, вимоги до підключення до мережі та очікувану частоту операцій перемикання відводів.

5. Вибір відповідної архітектури підвищувальної підстанції для фотовольтаїчних систем

5.1 Інтегровані підвищувальні підстанції для фотовольтаїчних систем і BESS

А підвищувальної підстанції для ФЕС поєднує електрообладнання, необхідне для підключення обладнання низьковольтних відновлюваних джерел енергії до середньовольтної збірної мережі.

Залежно від конструкції інтегрована підстанція може включати:

• Підвищувальний розподільний трансформатор.

• Середньовольтне комутаційне обладнання або кільцевий розподільний пристрій (RMU).

• Низьковольтне вхідне комутаційне обладнання.

• Пристрої захисту та керування.

• Вимірювальне обладнання.

• Захист від імпульсних перенапружень.

• Допоміжні електричні системи.

• Інтерфейси моніторингу та зв’язку.

Інтегроване рішення може зменшити кількість окремих компонентів, що встановлюються на місці, і спростити розташування обладнання.

Потенційні переваги проекту включають зменшення площі ділянки, інтеграцію підключень на заводі, покращену узгодженість обладнання та спрощене планування монтажу.

Тим не менш, остаточний графік монтажу залежить від будівельних робіт, затвердження комунальних служб, випробувань на місці та загального графіка будівництва.

5.2 Інтегрована підстанція порівняно з модульною компоновкою обладнання

Фактор вибору	Інтегрована підвищувальна підстанція	Модульна компоновка обладнання
Розташування обладнання	Заводський інтегрований комплект	Окремі трансформаторні та комутаційні пристрої
Площа ділянки	Можливо компактна	Залежить від відстані між обладнанням
Інтеграція на заводі	Вищий ступінь попередньої збірки	Може знадобитися більше координації на місці
Доступ до технічного обслуговування	Повинен бути врахований у проектуванні корпусу	Може забезпечити більше розділення обладнання
Майбутнє розширення	Залежить від конструкції комплекту	Часто пропонує більшу гнучкість планування
Типове застосування	Блоки сонячних електростанцій/акумуляторних енергосистем та компактні ділянки	Великі або складні підстанції

Для електростанцій комбінованого типу масштабу енергопостачальника архітектуру обладнання слід вибирати з урахуванням ремонтопридатності, вимог до розширення, електричних зазорів, безпеки та загальної встановленої вартості.

5.3 Двовитковий трансформатор із низьковольтними обмотками

Деякі електростанції на основі ФЕС–АЕС використовують трансформатори з окремими низьковольтними обмотками для інвертора фотовольтаїчної системи та перетворювача батарейної системи.

Така конфігурація забезпечує окремі електричні інтерфейси для двох систем перетворення, одночасно спільно використовуючи середньовольтне підключення.

Можливі переваги включають:

• Незалежні схеми низьковольтного підключення.

• Більша гнучкість у виборі напруги обмоток.

• Зменшена потреба в певному зовнішньому обладнанні для з’єднання змінного струму.

• Імпеданс і схема заземлення, розроблені спеціально для конкретного застосування.

Однак окремі обмотки не забезпечують повної електричної ізоляції між підключеними системами за всіх режимів роботи.

Струми короткого замикання, взаємозв’язок обмоток, перехідні напруги та узгодження захисних пристроїв слід оцінювати за допомогою еквівалентної схеми трансформатора з кількома обмотками.

Отже, двовиткову конструкцію слід визначати з урахуванням необхідних потужностей, напруг обмоток, векторної групи, імпедансів та характеристик при короткому замиканні.

6. Трансформатор Захист для двонапрямкової роботи ФЕС-АКБ

6.1 Спрямований захист від перевантаження струмом

Традиційний розподільний захист може ґрунтуватися на припущенні, що аварійний струм переважно тече від мережі електропостачання до підключених навантажень.

Гібридні системи ФЕС-АКБ можуть створювати різні шляхи подачі аварійного струму залежно від режиму роботи, керування інверторами та конфігурації мережі.

Спрямовані функції захисту від перевантаження струмом, такі як ANSI 67 та 67N, можуть бути доречними там, де необхідно розрізняти напрямок аварійного струму.

Інші функції захисту можуть включати:

Функція ANSI	Функція захисту	Розглядання застосувань
50/51	Миттєвий/часовий захист від перевантаження струмом	Захист від фазових пошкоджень
50N/51N	Земельний надструм	Виявлення замикання на землю
67/67N	Спрямований надструм	Дискримінація пошкоджень у разі наявності кількох джерел
87T	Диференційний захист трансформатора	Виявлення внутрішніх пошкоджень трансформатора
49	Термозахист	Моніторинг теплового перевантаження
27/59	Низька/висока напруга	Аномальні умови напруги
81U/81O	Низька/висока частота	Збурення частоти мережі

Вибір захисту залежить від розміру трансформатора, конфігурації заземлення, вимог кодексу мережі та архітектури електростанції.

Спрямований захист не слід вказувати виключно через можливість зміни напрямку активної потужності; його необхідність має бути встановлена за результатами дослідження узгодження захистів.

6.2 Захист від імпульсних перенапруг та узгодження ізоляції

Фотовольтаїчні установки та системи накопичення електроенергії (BESS) можуть піддаватися впливу імпульсних перенапруг, спричинених блискавкою, комутаційними перехідними процесами та порушеннями напруги.

Ізоляційні системи трансформаторів мають бути узгоджені з очікуваним електричним середовищем.

До важливих параметрів належать:

• Найвища напруга для обладнання.

• Рівень витривалості до імпульсних перенапруг блискавки.

• Діелектрична витривалість на промисловій частоті.

• Параметри обмежувачів перенапруг.

• Засоби заземлення.

• Характеристики ізоляції кабелів.

• Умови комутаційних перехідних процесів.

Оксидні обмежувачі перенапруг можна встановлювати згідно з вимогами узгодження ізоляції системи.

Під час їхнього вибору слід враховувати систему заземлення, максимальну тривалу робочу напругу, тимчасові режими перенапруги та очікуване середовище для перенапруг.

6.3 Моніторинг трансформаторів та інтеграція з SCADA

Великі електростанції на основі фотовольтаїчних модулів і акумуляторних енергосистем (PV-BESS) часто оснащуються централізованими системами нагляду, керування та збору даних (SCADA).

Залежно від конструкції трансформатора та вимог проекту моніторинг може включати:

• Температуру масла на верхньому рівні.

• Індикацію або оцінку температури обмоток.

• Рівень рідини.

• Стан пристрою зниження тиску.

• Захист від накопичення газу, де це застосовно.

• Стан системи охолодження.

• Контакти сигналізації та вимкнення.

Реле Бухгольца зазвичай використовуються разом із трансформаторами масляного типу з резервуаром, а не з усіма герметичними розподільними трансформаторами.

Дані моніторингу можна підключити до систем SCADA або систем управління енергетичними ресурсами на рівні об’єкта через відповідний інтерфейс керування.

Така інтеграція може забезпечувати моніторинг стану, планування технічного обслуговування та оперативну видимість.

7. Стандарти IEEE та IEC для Трансформаторів підвищення напруги PV-BESS

Міжнародні проекти у сфері відновлюваних джерел енергії мають відповідати чинним стандартам щодо трансформаторів та місцевим вимогам до підключення до електромережі.

Наступні стандарти надають відповідні технічні посилання.

Стандартний	Обсяг	Значення для проектів PV-BESS
IEEE C57.159	Керівництво щодо трансформаторів у розподілених фотогальванічних системах генерації	Рекомендації щодо застосування трансформаторів для фотогальванічних інверторів
IEEE C57.12.00	Загальні вимоги до трансформаторів з рідким охолодженням	Конструкція та експлуатаційні характеристики трансформаторів
IEEE C57.110	Здатність трансформаторів працювати при несинусоїдальних струмах навантаження	Оцінка гармонійних втрат та навантаження
IEEE C57.91	Завантаження трансформаторів, занурених у мінеральне масло	Термічна ефективність та старіння ізоляції
IEC 60076-1	Загальні вимоги до силових трансформаторів	Номінальні значення та загальні специфікації
IEC 60076-2	Підвищення температури для трансформаторів, занурених у рідину	Термічні випробування та граничні значення
IEC 60076-5	Здатність витримувати коротке замикання	Вимоги щодо стійкості до короткого замикання
IEC 60076-7	Керівництво щодо навантаження трансформаторів з охолодженням мінеральним маслом	Оцінка навантаження за циклом
IEC 60076-16	Трансформатори для застосування в вітрових турбінах	Переважно стосується підвищувальних трансформаторів вітрових турбін
IEEE 1547	Підключення розподілених енергетичних ресурсів	Вимоги до інтерфейсу РЕР з мережею в межах його сфери застосування

IEC/IEEE 60076-16 спеціально призначений для застосування у підвищувальних трансформаторах вітрових турбін. Його не слід подавати як спеціальний стандарт для трансформаторів ФЕС–БЕС.

Аналогічно, IEEE C57.159 надає рекомендації щодо застосування трансформаторів у розподілених фотогальванічних системах, але не замінює загальні стандарти проектування, випробування та підключення трансформаторів до мережі.

Для гібридних установок інженери повинні окремо вказувати застосовні вимоги та підтверджувати, чи є певні положення актуальними для обраної конфігурації трансформатора.

8. Вибір ізоляційних рідин для трансформаторів сонячних електростанцій і БЕС

Вибір ізоляційної рідини впливає на діелектричну характеристику, тепловідведення, протипожежний захист та екологічні аспекти.

8.1 Трансформатори з мінеральним маслом

Мінеральне масло залишається поширеним ізоляційним та охолоджувальним середовищем для трансформаторів з рідким охолодженням.

До його переваг належать відпрацьовані технології виробництва, широка доступність, доведений досвід експлуатації та, як правило, конкурентна початкова вартість.

8.2 Природні естерні ізоляційні рідини

Природні естерні рідини все частіше розглядаються для встановлення в місцях, де важливими є пожежна безпека та екологічні показники.

Порівняно з традиційним мінеральним ізоляційним маслом, придатні природні естерні рідини, як правило, забезпечують:

• Вищі температури спалаху.

• Сприятливі характеристики біорозкладання.

• Інші властивості управління вологою.

• Потенційні переваги в окремих застосуваннях, чутливих до пожежі.

Деякі комерційні природні естерні рідини мають температуру спалаху понад 300 °C.

Однак вибраний рідкий теплоносій має бути сумісним із системою ізоляції трансформатора, ущільненнями, системою охолодження та процедурами технічного обслуговування.

Під час вибору рідкого теплоносія також слід враховувати чинні вимоги щодо протипожежного захисту, вимоги до систем утримання рідини та екологічні специфікації проекту.

Натуральні естерні рідини й мінеральні олії не слід вибирати лише на основі однієї характеристики продуктивності.

9. Практичне визначення потужності трансформатора для гібридного проекту ФЕС–АЕС

Розглянемо прикладну гібридну установку з такими проектними параметрами:

• Потужність інвертора ФЕС: 3 МВт.

• Потужність розряду ПКС АЕС: 2 МВт.

• Потужність заряду ПКС АЕС: 2 МВт.

• Середньонапружена збірна мережа: 35 кВ.

• Загальна зміннострумна збірна схема.

Якщо система керування дозволяє ФЕС та САЕ одночасно віддавати електроенергію на мережу з їхніми максимальними активними потужностями, то сумарна віддача може досягти:

3 МВт + 2 МВт = 5 МВт

За припущеного коефіцієнта потужності 0,95 приблизна потреба у повній потужності становить:

S = P / PF

S = 5 000 кВт / 0,95 = 5 263 кВА

Тому попереднє інженерне оцінювання може розглядати трансформатори з номінальною потужністю, що перевищує цю розраховану повну потужність, за умови врахування необхідного режиму роботи, умов охолодження та чинних стандартів.

Однак фактичний вибір має враховувати й інші чинники.

Наприклад, якщо контролер електростанції обмежує загальну віддачу до 4 МВт, то відповідна вимога до навантаження трансформатора може відрізнятися.

Аналогічно, заряджання акумуляторів може створювати додаткові сценарії потоків потужності залежно від того, чи надходить енергія від сонячних генераторів, мережі чи від обох джерел.

Остаточну номінальну потужність трансформатора слід визначити на основі повної матриці роботи, яка включає:

1. Максимальний одночасний експорт від ФЕС та СЕА.

2. Максимально дозволений імпорт з мережі.

3. Межі роботи за реактивною потужністю.

4. Гармонійне навантаження.

5. Допоміжні навантаження трансформатора.

6. Температура навколишнього середовища.

7. Майбутнє розширення потужності.

8. Дозволені умови перевантаження.

У разі багатообмоткових трансформаторів кожну обмотку також слід оцінювати окремо з урахуванням її індивідуального номінального значення та граничних струмів.

Ключовим принципом є підбір трансформатора за максимально ймовірними електричними й тепловими робочими умовами, а не просто за сумою номінальних значень встановленого обладнання.

10. Індивідуальні рішення для підвищувальних трансформаторів PV-BESS компанії Jiangsu Dingxin Electric

Jiangsu Dingxin Electric — виробник розподільних трансформаторів, силових трансформаторів та збірних підстанцій, що обслуговує міжнародні ринки електричної інфраструктури.

З набутим досвідом понад 30 років у галузі виробництва трансформаторів, компанія Dingxin надає виробничі та інженерні послуги, орієнтовані на конкретні застосування, для проектів у сфері відновлюваних джерел енергії, промислового розподілу електроенергії та комунальних потреб.

10.1 Індивідуальні трансформатори для проектів сонячної енергетики та акумуляторних систем зберігання енергії

У застосуваннях PV та BESS часто потрібні інші електричні конфігурації, ніж у звичайних комерційних розподільних проектах.

Компанія Dingxin співпрацює з замовниками для аналізу специфічних вимог кожного проекту, зокрема щодо:

• Номінальних параметрів трансформаторів середньої напруги.

• Схем підключення інвертерів сонячних електростанцій (PV) та перетворювачів систем зберігання енергії (BESS PCS).

• Комбінацій первинної та вторинної напруг.

• Одного або кількох низьковольтних обмоток.

• Груп векторів трансформаторів.

• Вимоги до імпедансу.

• Вибір ізоляційної рідини.

• Системи охолодження.

• Конфігурації зовнішніх корпусів.

• Аксесуари для захисту та моніторингу.

Для проектів із системами збору класу 35 кВ можна розглянути спеціалізовані інтегровані проекти підстанцій з урахуванням необхідної напруги, потужності, компоновки комутаційного обладнання та умов монтажу.

10.2 Інженерна підтримка двонаправленого потоку потужності

Надійна інтеграція ФЕС із системами зберігання електроенергії на основі акумуляторів вимагає узгодження конструкції трансформатора з інженерними рішеннями на рівні системи.

Під час перевірки технічних специфікацій важливо врахувати таке:

Тепловий аналіз: Оцінити цикли навантаження, температуру навколишнього середовища та підвищення температури обмоток.

Оцінка гармонік: Проаналізувати дані щодо гармонік інвертора та PCS, щоб визначити необхідність додаткових розрахунків втрат або конструктивних заходів.

Електрична конфігурація: Узгодити напругу обмоток, імпеданс, векторну групу та схеми заземлення з гібридною системою живлення.

Сумісність систем захисту: Узгодити вимоги до захисту трансформатора з релейним захистом системи та схемами комутації.

Випробування та документація: Визначити чинні вимоги IEEE/IEC, критерії приймання на заводі та технічну документацію до початку виробництва.

Dingxin може надавати консультації щодо спеціалізованих специфікацій трансформаторів для підрядників сонячних EPC, розробників відновлюваних джерел енергії та партнерів з інтеграції BESS.

Фактичні номінальні параметри продукту, статус відповідності, обсяг випробувань та доступні конфігурації слід підтвердити згідно з технічною документацією, що стосується конкретного проекту.

11. Найпоширеніші запитання щодо трансформаторів підвищення напруги для фотоелектричних систем із системами зберігання енергії (PV-BESS)

Що таке трансформатор із двонаправленим потоком потужності?

Трансформатор із двонаправленим потоком потужності — це трансформатор, що застосовується в електричній системі, де активна потужність може передаватися в будь-якому напрямку.

Звичайні змінні струми (AC) трансформатори, як правило, здатні передавати потужність в обох напрямках, але у гібридних відновлюваних енергетичних застосуваннях може знадобитися додаткова оцінка циклів навантаження, гармонік, регулювання напруги та захисту.

Чим трансформатор підвищення напруги для BESS відрізняється від звичайного сонячного трансформатора?

Трансформатор підвищення напруги для BESS може працювати в режимах заряджання, розряджання, очікування та надання реактивної потужності.

Порівняно зі звичайними застосуваннями сонячної генерації його робочий профіль може включати інші цикли навантаження та вимоги до якості потужності.

Конструкція трансформатора має відповідати реальним характеристикам ПКС (PCS) та умовам експлуатації системи.

Чи може один трансформатор підключати як інвертори PV, так і обладнання ПКС BESS?

Так. Спільна схема трансформатора можлива, якщо електрична архітектура, номінальні значення обмоток, рівні напруги, координація захисту та теплова потужність спроектовані належним чином.

Варіантами є спільна низьковольтна шина або трансформатор із кількома обмотками.

Чи призводить двонапрямлений потік потужності до насичення трансформатора?

Ні, сам по собі.

Насичення осердя пов’язане з магнітними умовами роботи, такими як надмірне співвідношення напруги до частоти, постійний струм (DC bias) або певні перехідні режими.

Сам по собі напрямок нормального змінного струму активної потужності не призводить до насичення осердя трансформатора.

Чи є трансформатори з коефіцієнтом K обов’язковими для встановлення систем зберігання енергії на основі акумуляторів (BESS)?

Ні. Навантаження гармоніками слід оцінювати за фактичним спектром струму PCS та застосовувати відповідну методологію проектування трансформатора.

Не слід автоматично вважати, що конкретне позначення коефіцієнта K є обов’язковим для кожного трансформатора BESS з рідким охолодженням.

Чи потрібен регулювальний пристрій під навантаженням (OLTC) для підстанції підвищення напруги у системах PV-BESS?

Не обов’язково.

Вимоги до ОРП залежать від умов напруги в мережі, реактивної потужності інвертора, стратегії регулювання мережі та специфікацій проекту.

Багато установок використовують відключені схеми регулювання відводів у поєднанні з відповідним регулюванням напруги на рівні інвертора та електромережі.

Які стандарти застосовуються до трансформаторів PV-BESS?

До відповідних нормативних документів можуть належати IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 та чинні керівництва щодо навантаження.

Вимоги до підключення до мережі слід розглядати окремо.

Як виробник трансформаторів може підтримувати гібридні проекти PV-BESS?

Виробник може забезпечити підбір трансформаторів з урахуванням специфіки проекту, конфігурацію обмоток, оцінку втрат, проектування ізоляції, оцінку теплових характеристик, підбір аксесуарів та документацію щодо заводських випробувань.

Остаточну специфікацію обладнання слід узгоджувати між підрядником EPC, постачальником PCS, інженером з мережі та виробником трансформаторів.

12. Висновок: проектування надійних Інфраструктура електроживлення з фотовольтаїчних станцій та акумуляторних енергосховищ

Оскільки генерація сонячної енергії та акумуляторні енергосховища все більше інтегруються в енергосистеми, вибір трансформаторів виходить за межі традиційного підбору за номінальною потужністю та відповідністю напруг.

Надійна підвищувальної підстанції для ФЕС повинен забезпечувати робочі характеристики гібридних систем відновлюваної енергії, зберігаючи при цьому належну теплову, діелектричну та електричну продуктивність.

Ключові інженерні аспекти включають:

• Двонапрямковий активний та реактивний потік потужності.

• Змінні профілі заряджання та розряджання.

• Характеристики гармонійних струмів.

• Теплове навантаження трансформатора та старіння ізоляції.

• Регулювання напруги та вибір регулювальних відводів.

• Походження аварійного струму від кількох джерел та узгодження захисних пристроїв.

• Застосовні стандарти IEEE/IEC.

• Вимоги до тривалої надійності та технічного обслуговування.

Для масштабних проектів відновлюваних джерел енергії раннє узгодження між виробниками трансформаторів, підрядниками EPC, постачальниками систем керування енергією (PCS) та інженерами електромереж може зменшити ризики інтеграції й покращити сумісність обладнання.

Замовте спеціалізований трансформатор підвищення напруги для фотоелектричних станцій із системами акумуляторного зберігання енергії (PV-BESS).

Розробляєте гібридний проект сонячної електростанції зі зберіганням енергії чи модернізуєте наявну підстанцію відновлюваних джерел енергії?

Jiangsu Dingxin Electric надає спеціалізовані рішення щодо трансформаторів і комплексних підстанцій для фотоелектричної генерації, акумуляторного зберігання енергії та розподілу електроенергії середньої напруги.

Наша команда може проаналізувати ваші електричні вимоги, зокрема потужність трансформатора, напругу системи, конфігурацію обмоток, захисні аксесуари та чинні інженерні стандарти.

Зв’яжіться з Dingxin Electric, щоб замовити перевірку специфікацій трансформатора для вашого проекту або надіслати технічний запит пропозиції (RFQ).

Вебсайт: https://www.dishinelectric.com/