Thiết kế máy biến áp tăng áp cho hệ thống quang điện (PV) và lưu trữ năng lượng bằng pin: Quản lý dòng công suất hai chiều, ứng suất nhiệt và bảo vệ

Việc tích hợp ngày càng tăng các hệ thống phát điện từ năng lượng mặt trời (PV) và hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) đang làm thay đổi cách các nhà máy năng lượng tái tạo kết nối với mạng lưới phân phối điện.

Khác với các hệ thống năng lượng mặt trời truyền thống chủ yếu xuất điện sản xuất ra, các cơ sở lai ghép PV-BESS có thể vận hành ở nhiều chế độ: xuất năng lượng mặt trời vào lưới, sạc pin từ lưới hoặc từ chính nguồn phát điện mặt trời, xả năng lượng đã lưu trữ và cung cấp các dịch vụ hỗ trợ lưới điện.

Những điều kiện vận hành thay đổi này đặt ra các yêu cầu kỹ thuật mới đối với trạm biến áp tăng áp điện mặt trời và các máy biến áp liên quan.

Một hệ thống nối đất được thiết kế đúng cách máy biến áp cho dòng công suất hai chiều phai dap ung cac muc do tai trong khac nhau, duy tri hieu suat nhiet o muc chap nhan duoc, chiu duoc cac xao tron dien ap da chi dinh va hoat dong trong mot he thong bao ve phoi hop.

Do do, doi voi cac nha thau EPC nang luong mat troi, cac nha tich hop he thong luu tru nang luong (BESS), ky su cong ty dien luc va cac ky su thiet ke he thong dien cong nghiep, viec lua chon may bien ap la mot yeu to quan trong de dam bao do tin cay cua du an va quan ly chi phi trong suot vong doi.

Tai lieu huong dan nay phan tich cac thach thuc ve mat dien, nhiet va bao ve khi tich hop he thong quang dien (PV) va he thong luu tru nang luong (BESS), dong thoi giai thich cach xac dinh cac thong so cho may bien ap tang ap phu hop voi cac du an nang luong tai tao lai hien dai.

1. Hieu biet ve he thong dien lai gom quang dien va BESS

1.1 Su thay doi trong phan phoi dien do ket hop nang luong mat troi va luu tru nang luong

Trong mot nha may quang dien ket noi voi luoi dien thong thuong, cac bo bien doi quang dien chuyen doi dong dien mot chieu (DC) tu cac module quang dien thanh dong dien xoay chieu (AC).

Mot may bien ap tang ap lam tang dien ap dau ra cua bo bien doi len muc dien ap phan phoi trung the yeu cau, nhu 10 kV, 20 kV hoac 35 kV.

Dòng điện thường chạy từ thiết bị phát điện năng lượng mặt trời về phía mạng lưới thu thập hoặc lưới điện công cộng, mặc dù các tải phụ và một số điều kiện vận hành nhất định có thể dẫn đến dòng điện ngược hạn chế.

Khi tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS), kiến trúc điện trở nên phức tạp hơn.

Một hệ thống lai PV-BESS có thể vận hành ở nhiều chế độ khác nhau:

Chế độ hoạt động	Dòng năng lượng	Cân nhắc về máy biến áp
Solar generation	Biến tần PV → Máy biến áp → Lưới điện	Tải phát điện liên tục
Sạc pin từ lưới điện	Lưới điện → Máy biến áp → Bộ chuyển đổi nguồn pin (PCS)	Dòng công suất tác dụng ngược
Xả pin	BESS PCS → Máy biến áp → Lưới điện	Tải xuất và hiệu suất nhiệt
Xuất điện mặt trời và BESS	PV + BESS → Máy biến áp → Lưới điện	Công suất đầu ra tối đa kết hợp
Hỗ trợ lưới điện	Trao đổi công suất tác dụng/phản kháng hai chiều	Điều chỉnh điện áp và phối hợp bảo vệ
Đứng sẵn	Truyền tải công suất tác dụng tối thiểu	Tổn thất khi không tải và nhu cầu phụ trợ

Trong các hệ thống ghép nối AC, bộ nghịch lưu quang điện và hệ thống chuyển đổi công suất pin (PCS) có thể kết nối với một mạng thu thập AC chung.

Một máy biến áp chuyên dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS), một máy biến áp tăng áp chung hoặc nhiều cấu hình máy biến áp có thể được sử dụng tùy theo công suất hệ thống và kiến trúc điện.

1.2 Tại sao dòng điện hai chiều lại quan trọng

Một máy biến áp thông thường thường có khả năng truyền công suất xoay chiều (AC) theo cả hai hướng, miễn là các giới hạn về điện áp, dòng điện, cách điện, nhiệt độ và bảo vệ của nó được tuân thủ.

Vì vậy, dòng điện hai chiều không nhất thiết đòi hỏi một thiết kế từ tính máy biến áp hoàn toàn khác .

Thách thức kỹ thuật phát sinh từ các điều kiện vận hành liên quan đến hệ thống lai mặt trời và lưu trữ năng lượng.

Các hỗn hợp này có thể bao gồm:

• Các lần thay đổi lặp đi lặp lại giữa chế độ sạc và xả.

• Tải thay đổi trong suốt cả ngày.

• Dòng hài do bộ nghịch lưu tạo ra.

• Trao đổi công suất phản kháng.

• Khả năng tiêm dòng một chiều (DC).

• Các mức đóng góp dòng sự cố khác nhau trong các chế độ vận hành khác nhau.

• Sự thay đổi điện áp trên toàn bộ mạng thu thập.

• Thời gian dài vận hành ở trạng thái chờ có điện.

Một biến áp tăng áp quang điện phải được đánh giá dựa trên các điều kiện vận hành thực tế này thay vì chỉ dựa vào hướng dòng công suất.

2. Ứng suất nhiệt và các thách thức về tải đối với Biến áp tăng áp BESS

2.1 Chu kỳ nhiệt trong quá trình sạc và xả

Hiệu năng nhiệt là một yếu tố quan trọng hàng đầu khi lựa chọn một Biến áp tăng áp BESS .

Nhiệt độ của dây quấn biến áp và chất lỏng cách điện chủ yếu phụ thuộc vào tổn thất điện, điều kiện làm mát, nhiệt độ môi trường xung quanh và lịch sử tải trước đó.

Một nhà máy lưu trữ pin có thể trải qua nhiều chu kỳ sạc và xả trong vòng một ngày.

Ví dụ, hệ thống pin có thể sạc vào thời điểm sản xuất điện mặt trời cao, xả vào giờ cao điểm buổi tối và cung cấp thêm các dịch vụ lưới điện trong các khoảng thời gian trung gian.

Mặc dù việc đảo chiều dòng công suất không tự thân gây ra thêm nhiệt ở cùng giá trị hiệu dụng (RMS) của dòng điện, nhưng những thay đổi thường xuyên về độ lớn dòng điện có thể tạo ra các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội lặp đi lặp lại.

Các chu kỳ này có thể ảnh hưởng đến:

• Nhiệt độ điểm nóng trên dây quấn.

• Tốc độ lão hóa cách điện.

• Sự giãn nở và co lại do nhiệt.

• Tải cơ học lên các cấu trúc đỡ dây quấn.

• Tình trạng dầu và cách điện về lâu dài.

Biến thiên nhiệt độ kết quả phụ thuộc vào thời gian tải và hằng số thời gian nhiệt của máy biến áp.

Do đó, việc chọn kích thước máy biến áp cần tính đến toàn bộ hồ sơ vận hành thay vì chỉ dựa vào công suất định mức của hệ thống chuyển đổi điện (PCS).

2.2 Đánh giá nhiệt độ điểm nóng của máy biến áp

Tuổi thọ cách điện của máy biến áp chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ điểm nóng trên cuộn dây.

Đối với máy biến áp ngâm dầu, nhiệt độ điểm nóng xấp xỉ có thể được biểu diễn như sau:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Ở đâu:

• θH: Nhiệt độ điểm nóng trên dây quấn.

• θA: Nhiệt độ môi trường.

• δθTO: Mức tăng nhiệt độ của lớp dầu trên so với nhiệt độ môi trường.

• δθH: Độ dốc điểm nóng của cuộn dây so với nhiệt độ dầu trên cùng.

Mức tăng nhiệt thực tế thay đổi tùy theo tải, thiết kế làm mát, hình học máy biến áp và lịch sử vận hành.

Kỹ sư cần đánh giá mức tải bằng các hướng dẫn áp dụng được như IEEE C57.91 hoặc IEC 60076-7, tùy theo đặc tả dự án.

Đối với các hệ thống lắp đặt BESS, biểu đồ tải dạng chuỗi thời gian tiêu biểu có thể giúp xác định các rủi ro nhiệt mà tính toán công suất định mức đơn thuần không thể hiện ra.

2.3 Tiêm dòng một chiều và bão hòa lõi

Các bộ chuyển đổi điện tử công suất có thể đưa thành phần dòng một chiều nhỏ vào đầu ra xoay chiều của chúng trong một số điều kiện nhất định.

Việc tiêm dòng một chiều quá mức có thể gây lệch từ tính trong lõi máy biến áp, dẫn đến các hậu quả tiềm tàng như:

• Dòng từ hóa tăng.

• Bão hòa lõi.

• Các tổn thất rò rỉ bổ sung.

• Nhiệt độ tăng cục bộ.

• Độ ồn âm thanh gia tăng.

• Rung bất thường.

Tuy nhiên, các bộ biến tần nối lưới và thiết bị PCS được thiết kế tốt đều tích hợp các chức năng điều khiển và bảo vệ nhằm hạn chế dòng điện một chiều (DC) xâm nhập.

Độ lệch DC cần được đánh giá như một yêu cầu về chất lượng điện năng và khả năng tương thích thiết bị, chứ không nên coi là hệ quả tất yếu không thể tránh khỏi của hoạt động hai chiều.

Các nhà sản xuất máy biến áp nên yêu cầu nhà sản xuất thiết bị PCS cung cấp giới hạn cụ thể về dòng điện một chiều (DC) xâm nhập khi đánh giá khả năng tương thích.

3. Mất dạng hài và Máy biến áp Tổn thất trong các hệ thống lai PV-BESS

3.1 Vì sao bộ chuyển đổi điện tử công suất lại quan trọng

Các bộ biến tần quang điện và thiết bị PCS pin sử dụng chuyển mạch bán dẫn và các thuật toán điều khiển để chuyển đổi năng lượng điện.

Các quá trình chuyển đổi này có thể gây ra các thành phần dòng điện hài.

Tùy thuộc vào cấu trúc bộ biến đổi, tần số chuyển mạch, chiến lược điều khiển và lọc, các thành phần hài liên quan có thể bao gồm hài bậc 5, bậc 7, bậc 11 và bậc 13, cũng như các thành phần tần số cao hơn.

Phổ hài thực tế phải được lấy từ nhà sản xuất thiết bị hoặc từ một nghiên cứu chất lượng điện phù hợp.

Dòng điện hài có thể làm tăng:

• Tổn thất dòng xoáy trong dây quấn.

• Tổn thất rò rỉ trong các thành phần kết cấu.

• Nhiệt độ dây dẫn tăng thêm.

• Tải nhiệt tổng thể của máy biến áp.

• Ứng suất điện liên quan đến cộng hưởng tiềm ẩn trong toàn bộ hệ thống.

Vì tổn thất dòng xoáy liên quan đến hài phụ thuộc vào tần số, nên việc chỉ đánh giá dòng điện hiệu dụng ở tần số cơ bản có thể làm giảm ước tính một số thành phần tổn thất.

3.2 Máy biến áp hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) có cần xếp hạng hệ số K không?

Hệ số K thường được dùng để mô tả khả năng của máy biến áp trong việc chịu đựng các đặc tính tải phi tuyến đã nêu rõ, đặc biệt trong một số ứng dụng máy biến áp kiểu khô.

Tuy nhiên, việc chọn ngẫu nhiên xếp hạng K-4, K-9 hoặc K-13 không phải là yêu cầu chung đối với máy biến áp tăng áp cho hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) kiểu ngâm dầu.

Đối với máy biến áp ngâm dầu trung thế, cách tiếp cận kỹ thuật phù hợp hơn là đánh giá phổ hài dự kiến và các tổn thất bổ sung phát sinh từ đó.

Tiêu chuẩn IEEE C57.110 cung cấp các phương pháp liên quan đến việc đánh giá khả năng chịu tải của máy biến áp trong điều kiện dòng tải không hình sin, trong phạm vi phạm vi được định nghĩa bởi tiêu chuẩn này.

Các bước kỹ thuật được khuyến nghị bao gồm:

1. Thu thập dữ liệu dòng điện hài từ bộ nghịch lưu điện mặt trời (PV inverter) và bộ chuyển đổi nguồn hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS PCS).

2. Đánh giá các điều kiện vận hành dự kiến ở cả chế độ sạc và xả.

3. Tính toán các tổn thất phụ thêm trên dây quấn và tổn thất tản khi áp dụng.

4. Xác minh mức tăng nhiệt độ dây quấn và tải cách điện.

5. Xác định xem có cần cấu tạo dây quấn đặc biệt, làm mát bổ sung hoặc giảm công suất định mức hay không.

Cách tiếp cận theo từng ứng dụng cụ thể này giúp tránh việc chọn biến áp quá cỡ một cách không cần thiết, đồng thời bảo vệ hiệu năng lâu dài.

3.3 Giảm ứng suất nhiệt liên quan đến sóng hài

Tùy thuộc vào đặc tính bộ nghịch lưu và yêu cầu dự án, các phương án kỹ thuật biến áp có thể bao gồm:

• Thiết kế dây dẫn dây quấn được tối ưu hóa.

• Sự hoán vị dây dẫn phù hợp hoặc bố trí dây quấn.

• Dự trữ nhiệt bổ sung.

• Khả năng làm mát được cải thiện.

• Đánh giá tổn thất dưới tải sóng hài được chỉ định.

• Lọc phối hợp ở cấp biến tần hoặc cấp hệ thống.

Việc lọc sóng hài thường là một quyết định kỹ thuật ở cấp hệ thống, liên quan đến nhà cung cấp thiết bị chuyển đổi nguồn (PCS), nhà thầu EPC và nhà thiết kế kết nối lưới điện.

Thiết kế máy biến áp riêng lẻ không thể giải quyết mọi vấn đề sóng hài trong một nhà máy điện lai.

4. Điều chỉnh điện áp và lựa chọn bộ đổi nấc cho dòng công suất hai chiều

4.1 Hiện tượng tăng điện áp và giảm điện áp trong các hệ thống lai

Điện áp đầu cực máy biến áp phụ thuộc vào hướng và độ lớn của công suất tác dụng và phản kháng, trở kháng máy biến áp, cũng như đặc tính của mạng lưới được kết nối.

Trong quá trình phát điện từ pin mặt trời (PV) hoặc xả pin lưu trữ năng lượng (BESS), việc xuất công suất có thể gây ra hiện tượng tăng điện áp tại một số điểm kết nối.

Trong quá trình sạc từ lưới điện, công suất nhập về có thể gây ra hiện tượng giảm điện áp.

Tuy nhiên, phản ứng điện áp thực tế cũng phụ thuộc vào điều khiển công suất phản kháng, trở kháng hệ thống, điều chỉnh điện áp phía đầu nguồn và các điều kiện vận hành của mạng lưới.

Do đó, trong các hệ thống lắp đặt kết hợp quang điện – pin lưu trữ năng lượng (PV-BESS), việc điều chỉnh điện áp phải được phối hợp đồng bộ giữa bộ nghịch lưu, máy biến áp và hệ thống kết nối với lưới điện.

4.2 Bộ thay đổi đầu ra khi ngắt mạch so với bộ thay đổi đầu ra khi có tải

Hai phương án thay đổi đầu ra phổ biến được sử dụng trong máy biến áp lực.

Bộ thay đổi đầu ra khi ngắt điện (DETC)

Bộ thay đổi đầu ra khi ngắt điện cho phép điều chỉnh tỷ số vòng dây của máy biến áp chỉ khi máy biến áp đã được ngắt điện một cách an toàn theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Các ưu điểm bao gồm:

• Cấu tạo tương đối đơn giản.

• Chi phí ban đầu thấp hơn.

• Độ phức tạp cơ học giảm.

• Phù hợp trong trường hợp các biến động điện áp vận hành có thể được kiểm soát bởi các thiết bị khác.

Thay đổi đầu phân áp dưới tải (OLTC)

Máy biến áp có bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) cho phép điều chỉnh các đầu ra (tap) trong khi máy biến áp vẫn được cấp điện và đang mang tải, tùy thuộc vào thiết kế và giới hạn vận hành của nó.

Các hệ thống OLTC có thể phù hợp trong trường hợp điều kiện điện áp mạng yêu cầu điều chỉnh chủ động tỷ số biến áp.

Tuy nhiên, việc sử dụng OLTC không tự động trở thành bắt buộc chỉ vì hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) sạc và xả thường xuyên.

Các nguồn phát hiện đại dựa trên bộ nghịch lưu (inverter) có thể cung cấp khả năng điều khiển điện áp và công suất phản kháng trong phạm vi khả năng của chúng cũng như các yêu cầu theo quy chuẩn kết nối lưới điện.

Việc điều chỉnh đầu ra (tap) thường xuyên cũng có thể làm tăng yêu cầu bảo trì bổ sung.

Khuyến nghị kỹ thuật: Hãy đánh giá khả năng điều khiển Volt-VAR của bộ nghịch lưu, khả năng điều tiết điện áp ở cấp điện áp trung thế (medium-voltage), các yêu cầu kết nối với lưới điện và tần suất dự kiến điều chỉnh đầu ra (tap) trước khi lựa chọn thiết bị OLTC.

5. Lựa chọn kiến trúc trạm biến áp tăng áp quang điện phù hợp

5.1 Trạm biến áp tăng áp tích hợp PV-BESS

Atrạm biến áp tăng áp điện mặt trời kết hợp các thiết bị điện cần thiết để kết nối các thiết bị năng lượng tái tạo điện áp thấp với mạng thu thập điện áp trung thế.

Tùy thuộc vào thiết kế, trạm biến áp tích hợp có thể bao gồm:

• Máy biến áp phân phối tăng áp.

• Thiết bị đóng cắt điện áp trung thế hoặc bộ đơn vị vòng (RMU).

• Thiết bị đóng cắt đầu vào điện áp thấp.

• Thiết bị bảo vệ và điều khiển.

• Thiết bị đo đếm.

• Bảo vệ chống quá áp.

• Hệ thống điện phụ trợ.

• Giao diện giám sát và truyền thông.

Giải pháp tích hợp có thể làm giảm số lượng thành phần lắp đặt riêng lẻ tại hiện trường và đơn giản hóa bố trí thiết bị.

Các lợi ích tiềm năng cho dự án bao gồm giảm diện tích chiếm đất, kết nối được tích hợp sẵn tại nhà máy, cải thiện sự phối hợp giữa các thiết bị và lập kế hoạch lắp đặt hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, lịch trình lắp đặt cuối cùng phụ thuộc vào công tác xây dựng dân dụng, phê duyệt tiện ích, kiểm tra hiện trường và chương trình xây dựng tổng thể.

5.2 Trạm biến áp tích hợp so với bố trí thiết bị mô-đun

Yếu tố Lựa chọn	Trạm biến áp tăng áp tích hợp	Bố trí thiết bị mô-đun
Bố trí thiết bị	Gói tích hợp tại nhà máy	Các đơn vị máy biến áp và tủ đóng cắt riêng biệt
Diện tích mặt bằng hiện trường	Có thể nhỏ gọn	Phụ thuộc vào khoảng cách giữa các thiết bị
Tích hợp nhà máy	Mức độ tiền lắp ráp cao hơn	Có thể cần phối hợp hiện trường thêm
Tiếp cận bảo trì	Phải được tích hợp vào thiết kế vỏ bọc	Có thể cung cấp khoảng cách lớn hơn giữa các thiết bị
Việc mở rộng trong tương lai	Phụ thuộc vào thiết kế bố trí	Thường mang lại tính linh hoạt cao hơn trong bố trí tổng thể
Ứng dụng điển hình	Các khối pin mặt trời/BESS và các khu vực nhỏ gọn	Các trạm biến áp lớn hoặc phức tạp

Đối với các nhà máy lai quy mô dịch vụ tiện ích, kiến trúc thiết bị nên được lựa chọn dựa trên khả năng bảo trì, yêu cầu mở rộng, khoảng cách điện an toàn, độ an toàn và tổng chi phí lắp đặt.

5.3 Thiết kế biến áp có hai cuộn dây hạ áp

Một số nhà máy PV-BESS sử dụng biến áp có các cuộn dây hạ áp riêng biệt cho bộ nghịch lưu quang điện và bộ chuyển đổi năng lượng pin (PCS).

Cấu hình này có thể cung cấp các giao diện điện riêng biệt cho hai hệ thống chuyển đổi trong khi chia sẻ một kết nối điện áp trung bình chung.

Các lợi thế tiềm năng bao gồm:

• Các bố trí kết nối điện áp thấp độc lập.

• Độ linh hoạt cao hơn khi lựa chọn điện áp quấn dây.

• Giảm nhu cầu về một số thiết bị kết hợp xoay chiều bên ngoài.

• Thiết kế trở kháng và nối đất đặc thù theo ứng dụng.

Tuy nhiên, các cuộn dây riêng biệt không đảm bảo cách ly điện hoàn toàn giữa các hệ thống được kết nối trong mọi điều kiện vận hành.

Dòng sự cố, ghép nối cuộn dây, quá áp đột biến và phối hợp bảo vệ phải được đánh giá bằng sơ đồ mạch tương đương nhiều cuộn dây của máy biến áp.

Do đó, thiết kế hai cuộn thứ cấp cần được xác định dựa trên công suất yêu cầu, điện áp cuộn dây, nhóm véc-tơ, trở kháng và đặc tính ngắn mạch.

6. Máy biến áp Bảo vệ cho chế độ vận hành PV-BESS hai chiều

6.1 Bảo vệ quá dòng có hướng

Bảo vệ phân phối truyền thống có thể dựa trên giả định rằng dòng sự cố chủ yếu chảy từ nguồn cung cấp của công ty điện lực về phía các tải được kết nối.

Các hệ thống lai ghép PV-BESS có thể tạo ra các đường dẫn đóng góp dòng sự cố khác nhau, tùy thuộc vào chế độ vận hành, điều khiển bộ nghịch lưu và cấu hình mạng.

Các chức năng quá dòng có chọn hướng như ANSI 67 và 67N có thể phù hợp khi cần phân biệt hướng dòng sự cố.

Các chức năng bảo vệ khác có thể bao gồm:

Chức năng ANSI	Chức năng bảo vệ	Xem xét ứng dụng
50/51	Quá dòng tức thời/thời gian	Bảo vệ sự cố pha
50N/51N	Quá dòng đất	Phát hiện sự cố chạm đất
67/67N	Bảo vệ quá dòng có hướng	Phân biệt sự cố khi tồn tại nhiều nguồn cung cấp
87T	So lệch máy biến áp	Phát hiện sự cố bên trong máy biến áp
49	Bảo vệ nhiệt	Giám sát quá tải nhiệt
27/59	Điện áp thấp/quá cao	Các điều kiện điện áp bất thường
81U/81O	Tần số thấp/quá cao	Rối loạn tần số lưới

Việc lựa chọn bảo vệ phụ thuộc vào kích thước máy biến áp, cấu hình nối đất, yêu cầu của quy chuẩn lưới điện và kiến trúc nhà máy.

Bảo vệ định hướng không nên được chỉ định chỉ vì công suất tác dụng có thể đảo chiều; tính cần thiết của nó phải được xác lập thông qua một nghiên cứu phối hợp bảo vệ.

6.2 Bảo vệ chống xung và phối hợp cách điện

Các hệ thống quang điện và hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể chịu các xung do sét gây ra, quá áp chuyển mạch và nhiễu điện áp.

Hệ thống cách điện của máy biến áp phải được phối hợp với môi trường điện dự kiến.

Các thông số quan trọng bao gồm:

• Điện áp cao nhất cho thiết bị.

• Mức chịu đựng xung sét.

• Điện áp chịu đựng tần số công nghiệp.

• Định mức bộ chống sét.

• Các phương án nối đất.

• Đặc tính cách điện của cáp.

• Các điều kiện chuyển tiếp khi chuyển mạch.

Các bộ chống sét oxit kim loại có thể được tích hợp theo các yêu cầu phối hợp cách điện của hệ thống.

Việc lựa chọn chúng cần xem xét hệ thống nối đất, điện áp vận hành liên tục cực đại, các điều kiện quá điện áp tạm thời và môi trường xung dự kiến.

6.3 Giám sát máy biến áp và tích hợp với hệ thống SCADA

Các nhà máy PV-BESS quy mô lớn thường tích hợp các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu tập trung (SCADA).

Tùy thuộc vào thiết kế máy biến áp và yêu cầu dự án, việc giám sát có thể bao gồm:

• Nhiệt độ dầu trên cùng.

• Chỉ thị hoặc ước tính nhiệt độ dây quấn.

• Mức chất lỏng.

• Trạng thái thiết bị giải áp.

• Bảo vệ chống tích tụ khí (nếu áp dụng).

• Tình trạng hệ thống làm mát.

• Tiếp điểm cảnh báo và ngắt mạch.

Rơ-le Buchholz thường được sử dụng với các máy biến áp ngâm dầu kiểu bể chứa phù hợp, chứ không phải với mọi máy biến áp phân phối kín.

Dữ liệu giám sát có thể được kết nối với hệ thống SCADA cấp nhà máy hoặc hệ thống quản lý năng lượng thông qua giao diện điều khiển thích hợp.

Việc tích hợp như vậy có thể hỗ trợ giám sát tình trạng, lập kế hoạch bảo trì và tăng tính minh bạch trong vận hành.

7. Các tiêu chuẩn IEEE và IEC về Máy biến áp tăng áp PV-BESS

Các dự án năng lượng tái tạo quốc tế phải đáp ứng các tiêu chuẩn máy biến áp áp dụng và các yêu cầu liên kết lưới điện địa phương.

Các tiêu chuẩn sau đây cung cấp các tài liệu tham khảo kỹ thuật liên quan.

Tiêu chuẩn	Phạm vi	Mức độ liên quan đến các dự án PV-BESS
IEEE C57.159	Hướng dẫn về máy biến áp trong các hệ thống phát điện quang điện phân tán	Hướng dẫn ứng dụng máy biến áp cho bộ nghịch lưu quang điện
IEEE C57.12.00	Yêu cầu chung đối với máy biến áp ngâm dầu	Kết cấu và hiệu năng của máy biến áp
IEEE C57.110	Khả năng chịu tải của máy biến áp dưới dòng tải không hình sin	Đánh giá tổn thất do sóng hài và mức tải
IEEE C57.91	Tải đối với máy biến áp ngâm dầu khoáng	Hiệu năng nhiệt và lão hóa cách điện
IEC 60076-1	Yêu cầu chung đối với máy biến áp điện lực	Các thông số định mức và đặc điểm kỹ thuật chung
IEC 60076-2	Độ tăng nhiệt đối với máy biến áp ngâm dầu	Thử nghiệm nhiệt và giới hạn nhiệt
IEC 60076-5	Khả năng chịu ngắn mạch	Yêu cầu chịu ngắn mạch
IEC 60076-7	Hướng dẫn tải cho máy biến áp ngâm dầu khoáng	Đánh giá chu kỳ tải
IEC 60076-16	Máy biến áp dành cho ứng dụng tuabin gió	Chủ yếu liên quan đến máy biến áp tăng áp cho tuabin gió
IEEE 1547	Kết nối các nguồn tài nguyên năng lượng phân tán	Các yêu cầu về giao diện lưới điện DER trong phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn

IEC/IEEE 60076-16 được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng biến áp tăng áp tuabin gió. Tiêu chuẩn này không nên được trình bày như một tiêu chuẩn dành riêng cho biến áp PV-BESS.

Tương tự, IEEE C57.159 cung cấp hướng dẫn cho ứng dụng biến áp quang điện phân tán, nhưng không thay thế các tiêu chuẩn chung về thiết kế, thử nghiệm và kết nối lưới điện đối với biến áp.

Đối với các hệ thống lai, kỹ sư cần xác định riêng từng yêu cầu áp dụng và xác nhận xem các điều khoản cụ thể có liên quan đến cấu hình biến áp đã chọn hay không.

8. Lựa chọn chất lỏng cách điện cho biến áp năng lượng mặt trời và BESS

Việc lựa chọn chất lỏng cách điện ảnh hưởng đến hiệu suất điện môi, truyền nhiệt, bảo vệ chống cháy và các yếu tố môi trường.

8.1 Biến áp dùng dầu khoáng

Dầu khoáng vẫn là chất cách điện và làm mát phổ biến đối với biến áp ngâm dầu.

Những ưu điểm của nó bao gồm các quy trình sản xuất đã được thiết lập, khả năng cung ứng rộng rãi, kinh nghiệm vận hành đã được chứng minh và chi phí ban đầu nói chung cạnh tranh.

8.2 Dầu cách điện este tự nhiên

Các loại dầu este tự nhiên ngày càng được xem xét cho các hệ thống lắp đặt nơi an toàn cháy nổ và hiệu suất môi trường là những yếu tố quan trọng.

So với dầu cách điện khoáng thông thường, các loại dầu este tự nhiên phù hợp thường mang lại:

• Điểm bắt cháy cao hơn.

• Đặc tính phân hủy sinh học thuận lợi.

• Các đặc tính quản lý độ ẩm khác biệt.

• Những lợi thế tiềm năng trong một số ứng dụng nhạy cảm với cháy.

Một số loại dầu este tự nhiên thương mại có điểm bắt cháy trên 300°C.

Tuy nhiên, loại dầu được chọn phải tương thích với hệ thống cách điện của máy biến áp, gioăng làm kín, hệ thống làm mát và quy trình bảo trì.

Việc lựa chọn chất lỏng cũng cần xem xét các quy định về phòng cháy chữa cháy áp dụng được, các yêu cầu về chứa giữ và các đặc tả môi trường của dự án.

Không nên lựa chọn chất lỏng este tự nhiên hay dầu khoáng chỉ dựa trên một đặc tính hiệu suất duy nhất.

9. Xác định kích thước máy biến áp thực tế cho dự án lai ghép PV-BESS

Xét một ví dụ minh họa về hệ thống lắp đặt lai ghép với các thông số thiết kế sau:

• Công suất bộ nghịch lưu PV: 3 MW.

• Công suất xả của PCS BESS: 2 MW.

• Công suất sạc của PCS BESS: 2 MW.

• Hệ thống thu gom điện áp trung thế: 35 kV.

• Sơ đồ thu gom xoay chiều chung.

Nếu hệ thống điều khiển cho phép PV và BESS đồng thời xuất ra công suất tác dụng cực đại, thì tổng công suất đầu ra có thể đạt:

3 MW + 2 MW = 5 MW

Với hệ số công suất giả định là 0,95, yêu cầu công suất biểu kiến xấp xỉ bằng:

S = P / PF

S = 5.000 kW / 0,95 = 5.263 kVA

Do đó, đánh giá kỹ thuật sơ bộ có thể xem xét các cấp biến áp cao hơn công suất biểu kiến đã tính toán này, tùy thuộc vào chế độ vận hành yêu cầu, điều kiện làm mát và các tiêu chuẩn áp dụng.

Tuy nhiên, việc lựa chọn thực tế phải xem xét thêm các yếu tố khác.

Ví dụ, nếu bộ điều khiển nhà máy giới hạn tổng công suất xuất về lưới ở mức 4 MW, thì yêu cầu tải của biến áp tương ứng có thể khác biệt.

Tương tự, việc sạc pin có thể tạo ra các kịch bản dòng công suất bổ sung, tùy thuộc vào nguồn cung cấp năng lượng là từ hệ thống điện mặt trời, lưới điện hay cả hai.

Cấp biến áp cuối cùng cần được xác định dựa trên ma trận vận hành đầy đủ bao gồm:

1. Công suất xuất đồng thời lớn nhất từ PV và BESS.

2. Giới hạn tối đa cho phép về công suất lấy từ lưới điện.

3. Giới hạn vận hành công suất phản kháng.

4. Tải sóng hài.

5. Tải phụ trợ của máy biến áp.

6. Nhiệt độ môi trường.

7. Khả năng mở rộng công suất trong tương lai.

8. Các điều kiện quá tải được phép.

Đối với máy biến áp nhiều cuộn dây, mỗi cuộn dây cũng phải được đánh giá riêng theo định mức và giới hạn dòng điện riêng của nó.

Nguyên tắc cốt lõi là chọn kích thước máy biến áp dựa trên các điều kiện vận hành điện và nhiệt độ khả dĩ cao nhất, chứ không đơn thuần dựa trên tổng công suất ghi trên nhãn của các thiết bị đã lắp đặt.

10. Giải pháp máy biến áp tăng áp tích hợp PV-BESS do Jiangsu Dingxin Electric thiết kế riêng

Jiangsu Dingxin Electric là nhà sản xuất máy biến áp phân phối, máy biến áp lực và trạm biến áp tiền chế, phục vụ các thị trường cơ sở hạ tầng điện quốc tế.

Với hơn 30 năm kinh nghiệm trong ngành chế tạo máy biến áp, Dingxin cung cấp hỗ trợ kỹ thuật chuyên về sản xuất và ứng dụng cho các dự án năng lượng tái tạo, phân phối công nghiệp và lưới điện.

10.1 Máy biến áp tùy chỉnh cho các dự án năng lượng mặt trời và lưu trữ pin

Các ứng dụng điện quang (PV) và hệ thống lưu trữ pin (BESS) thường yêu cầu các cấu hình điện khác biệt so với các dự án phân phối thương mại thông thường.

Dingxin hợp tác cùng khách hàng để rà soát các yêu cầu đặc thù của từng dự án liên quan đến:

• Công suất định mức máy biến áp ở cấp điện áp trung thế.

• Cách bố trí kết nối bộ nghịch lưu điện quang (PV inverter) và bộ chuyển đổi năng lượng hệ thống lưu trữ pin (BESS PCS).

• Tổ hợp điện áp sơ cấp và thứ cấp.

• Cuộn dây hạ áp đơn hoặc nhiều cuộn.

• Nhóm véc-tơ máy biến áp.

• Yêu cầu về điện kháng.

• Lựa chọn chất lỏng cách điện.

• Các phương án làm mát.

• Các cấu hình tủ ngoài trời.

• Các phụ kiện bảo vệ và giám sát.

Đối với các dự án sử dụng hệ thống thu năng lượng cấp điện áp 35 kV, có thể xem xét thiết kế trạm biến áp tích hợp tùy chỉnh dựa trên điện áp yêu cầu, công suất, bố trí thiết bị đóng cắt và điều kiện lắp đặt.

10.2 Hỗ trợ kỹ thuật cho dòng công suất hai chiều

Việc tích hợp đáng tin cậy giữa hệ thống quang điện (PV) và hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) đòi hỏi sự phối hợp giữa thiết kế máy biến áp và kỹ thuật điện ở cấp độ hệ thống.

Trong quá trình rà soát đặc tả kỹ thuật, những yếu tố cần lưu ý quan trọng bao gồm:

Đánh giá nhiệt: Đánh giá chu kỳ tải, nhiệt độ môi trường và mức tăng nhiệt độ cuộn dây.

Đánh giá hài bậc: Xem xét dữ liệu hài bậc của bộ nghịch lưu và bộ điều khiển nguồn (PCS) để xác định xem có cần thực hiện thêm các tính toán tổn thất hoặc các biện pháp thiết kế đặc biệt hay không.

Cấu hình điện: Phù hợp điện áp dây quấn, trở kháng, nhóm véc-tơ và bố trí nối đất với hệ thống điện lai.

Tính tương thích của hệ thống bảo vệ: Điều phối các yêu cầu bảo vệ máy biến áp với hệ thống rơ-le và bố trí đóng cắt của hệ thống.

Kiểm tra và tài liệu hóa: Xác lập các yêu cầu áp dụng theo IEEE/IEC, tiêu chí nghiệm thu tại nhà máy và tài liệu kỹ thuật trước khi sản xuất.

Dingxin có thể hỗ trợ thảo luận về các thông số kỹ thuật máy biến áp tùy chỉnh dành cho các nhà thầu EPC năng lượng mặt trời, các nhà phát triển năng lượng tái tạo và các đối tác tích hợp BESS.

Các thông số định mức thực tế của sản phẩm, trạng thái tuân thủ, phạm vi thử nghiệm và các cấu hình khả dụng cần được xác nhận dựa trên tài liệu kỹ thuật cụ thể của từng dự án.

11. Các câu hỏi thường gặp về máy biến áp tăng áp PV-BESS

Máy biến áp có dòng công suất hai chiều là gì?

Máy biến áp có dòng công suất hai chiều là máy biến áp được sử dụng trong hệ thống điện, nơi công suất tác dụng có thể truyền theo cả hai chiều.

Các máy biến áp xoay chiều thông thường nói chung có khả năng truyền công suất theo cả hai chiều, nhưng các ứng dụng năng lượng tái tạo lai có thể yêu cầu đánh giá bổ sung về chu kỳ tải, sóng hài, điều chỉnh điện áp và bảo vệ.

Máy biến áp tăng áp cho hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) khác biệt như thế nào so với máy biến áp mặt trời thông thường?

Máy biến áp tăng áp cho BESS có thể vận hành trong các chế độ sạc, xả, chờ và hỗ trợ công suất phản kháng.

So với ứng dụng phát điện mặt trời thông thường, đặc điểm vận hành của nó có thể bao gồm các chu kỳ tải khác nhau và các yêu cầu về chất lượng điện khác nhau.

Thiết kế máy biến áp cần phù hợp với đặc tính thực tế của thiết bị chuyển đổi nguồn pin (PCS) và điều kiện vận hành của hệ thống.

Một máy biến áp có thể kết nối đồng thời bộ nghịch lưu quang điện (PV inverter) và thiết bị chuyển đổi nguồn pin (BESS PCS) không?

Có. Việc bố trí chung bộ biến áp có thể khả thi nếu kiến trúc điện, định mức cuộn dây, mức điện áp, phối hợp bảo vệ và dung lượng nhiệt được thiết kế đúng cách.

Các lựa chọn bao gồm một thanh cái điện áp thấp chung hoặc một thiết kế biến áp nhiều cuộn dây.

Việc truyền công suất hai chiều có gây bão hòa lõi biến áp không?

Không tự thân nó.

Hiện tượng bão hòa lõi liên quan đến các điều kiện làm việc từ tính như tỷ số điện áp trên tần số quá cao, thành phần một chiều (DC bias) hoặc một số điều kiện quá độ nhất định.

Chỉ riêng hướng truyền công suất tác dụng xoay chiều bình thường không tự thân gây ra hiện tượng bão hòa lõi biến áp.

Biến áp hệ số K có bắt buộc đối với các trạm tích năng pin (BESS) không?

Không. Tải sóng hài cần được đánh giá dựa trên phổ dòng thực tế của bộ chuyển đổi nguồn (PCS) và phương pháp thiết kế biến áp tương ứng.

Không nên mặc định rằng một chỉ định hệ số K cụ thể là bắt buộc đối với mọi biến áp BESS ngâm dầu.

Có cần bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) cho trạm tăng áp kết hợp điện mặt trời – BESS không?

Chưa chắc.

Các yêu cầu về bộ điều chỉnh tải dưới điện áp (OLTC) phụ thuộc vào điều kiện điện áp lưới, khả năng công suất phản kháng của bộ nghịch lưu, chiến lược điều tiết mạng và đặc tả dự án.

Nhiều hệ thống lắp đặt sử dụng cấu hình thay đổi đầu nối khi không có điện kết hợp với điều tiết điện áp ở cấp độ bộ nghịch lưu và lưới điện phù hợp.

Các tiêu chuẩn nào áp dụng cho máy biến áp PV-BESS?

Các tài liệu tham khảo liên quan có thể bao gồm IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 và các hướng dẫn tải áp dụng.

Các yêu cầu kết nối với lưới điện phải được xem xét riêng biệt.

Nhà sản xuất máy biến áp có thể hỗ trợ các dự án lai ghép PV-BESS như thế nào?

Một nhà sản xuất có thể hỗ trợ lựa chọn máy biến áp theo đặc thù dự án, cấu hình dây quấn, đánh giá tổn thất, thiết kế cách điện, đánh giá hiệu suất nhiệt, lựa chọn phụ kiện và tài liệu kiểm tra tại nhà máy.

Đặc tả kỹ thuật thiết bị cuối cùng cần được phối hợp giữa nhà thầu EPC, nhà cung cấp PCS, kỹ sư lưới điện và nhà sản xuất máy biến áp.

12. Kết luận: Kỹ thuật đảm bảo độ tin cậy Cơ sở hạ tầng điện năng PV-BESS

Khi việc phát điện từ năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng bằng pin ngày càng được tích hợp sâu rộng, việc lựa chọn máy biến áp đang vượt xa việc chỉ căn cứ vào công suất định mức và phù hợp điện áp theo cách truyền thống.

Đáng tin cậy trạm biến áp tăng áp điện mặt trời phải hỗ trợ các đặc tính vận hành của hệ thống năng lượng tái tạo lai trong khi vẫn duy trì hiệu suất nhiệt, điện môi và điện học phù hợp.

Các yếu tố kỹ thuật then chốt cần xem xét bao gồm:

• Dòng công suất tác dụng và phản kháng hai chiều.

• Các đặc tuyến sạc và xả thay đổi.

• Đặc tính dòng điện hài.

• Tải nhiệt và lão hóa cách điện của máy biến áp.

• Điều chỉnh điện áp và lựa chọn đầu phân áp.

• Dòng ngắn mạch từ nhiều nguồn và phối hợp bảo vệ.

• Các tiêu chuẩn IEEE/IEC áp dụng.

• Yêu cầu về độ tin cậy và bảo trì dài hạn.

Đối với các dự án năng lượng tái tạo quy mô lớn, việc phối hợp sớm giữa nhà sản xuất máy biến áp, các nhà thầu EPC, nhà cung cấp thiết bị PCS và kỹ sư của công ty điện lực có thể giảm thiểu rủi ro tích hợp và nâng cao khả năng tương thích thiết bị.

Yêu cầu máy biến áp tăng áp PV-BESS tùy chỉnh

Đang thiết kế dự án lai năng lượng mặt trời kết hợp lưu trữ hoặc nâng cấp trạm biến áp năng lượng tái tạo hiện hữu?

Jiangsu Dingxin Electric cung cấp giải pháp máy biến áp tùy chỉnh và trạm biến áp tích hợp cho phát điện quang điện, lưu trữ năng lượng pin và phân phối điện áp trung thế.

Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi có thể xem xét các yêu cầu điện của quý khách, bao gồm công suất máy biến áp, điện áp hệ thống, cấu hình cuộn dây, phụ kiện bảo vệ và các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng.

Liên hệ Jiangsu Dingxin Electric để yêu cầu xem xét đặc tả máy biến áp theo từng dự án hoặc gửi yêu cầu báo giá kỹ thuật (RFQ).

Trang web: https://www.dishinelectric.com/