Koolstofvoetspoor vs TCO-analise vir kragtransformatorontwerp

1. Oorsig

Geeë as gevolg van globale opwarming is die vermindering van broeikasgasemissies 'n kritieke kwessie. 'n Beduidende deel van die verliese in kragoorgangstelsels kom van kragtransformers. Om broeikasgasemissies in kragstelsels te verminder, moet meer doeltreffende transformers geïnstalleer word. Effektiewe transformers vereis egter dikwels meer vervaardigingsmateriaal. Om die optimale verliesverhouding en vervaardigingsprys van transformers te bepaal, is die Total Cost of Ownership (TCO) metode die industrie se standaardpraktyk. Die TCO-formule hou rekening met die koopprys (PP) en die koste van verliese tydens die produk se beplande leeftyd (PPL). Hierdie metode neem die prys van verliese in ag deur kapitalisasiefaktore (A, B) te gebruik.

Hierdie benadering hou egter slegs die direkte elektrisiteitskoste van transformers tydens hul beplande dienslewe in ag. Indirekte impakte wat ekologiese hulpbronne, vervaardigingsinfrastruktuur, installasie en ondersteuningsisteme betref, word nie oorweeg nie. Byvoorbeeld, hierdie elektriese produkte word dikwels gerenoveer en/of hergebruik nadat hulle uit diens is. Met transformators as voorbeeld, kan 73% van die gebruikte materiaal gereken word, en hierdie persentasie kan verder verhoog word wanneer natuurlike ester-gesentreerde isolerende olie gebruik word. Die voordele van materiaalherwinning en hervervaardiging word nie in ag geneem nie.

Koolstofvoetspoor is 'n ander maatstaf om die omgewingsimpak van elektriese toerusting tydens sy dienslewe te bepaal. Tans is daar geen wyd aanvaarde metode vir die berekening van die koolstofvoetspoor van kragtoerusting nie. Verskillende berekeningshulpmiddels lei dikwels tot beduidend verskillende resultate. Hierdie artikel stel 'n koolstofvoetspooranalise-metode voor en pas dit toe op transformer-optimering. Die resulterende transformators word vergelyk met dié wat op die TCO-metode gebaseer is.

2. Total Cost of Ownership Metode

Die TCO-formule verteenwoordig die lewensikus-koste van 'n produk vanaf aankoop tot uiteindelike onttrekking. 'n Ander algemeen gebruikte term is Life Cycle Cost (LCC). Die primêre doel is om transformators op 'n gelyke basis te vergelyk om besluite oor aankope te neem. Die gestandaardiseerde vorm van die TCO-metode tydens die inskrywingstaak is as volg:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Waar A die nielaai-verlieskoëffisiënt (€/kW) is, B die laai-verlieskoëffisiënt (€/kW), PNLL (kW) die nielaai-verlies van die transformer oor sy hele lewe, en PLL (kW) die laai-verlies van die transformer oor sy hele lewe.

Vanuit die perspektief van kragmaatskappye of industriële en kommersiële gebruikers, verskil TCO-berekeninge ook. Kragmaatskappy-transformator-verlies-evaluasieprosedures behels die begrip en evaluering van die totale koste van transformator-generasie, -oorseening en -verspreiding, wat gelei tot komplekse berekeningsformules. Aan die ander kant, behels industriële en kommersiële gebruikers se transformator-verlies-evaluasieprosedures die begrip en evaluering van elektrisiteitspryse oor die beplande gebruikstydsduur van die transformer.

A. Detail van Analise Scenario

Die koëffisiënte (A, B) is bereken vir 'n 16MVA-kragtransformator wat aan 'n sonkragaanleg gekoppel is (Figuur 1). Ons het 'n gestandaardiseerde metode gebruik om die waardes van A en B in ons berekenings te bepaal.

Vir hierdie doel is dit nodig om die volgende vergelyking op te los:

3. Koolstofvoetspooranalise

Ons doel is om 'n metodologie te skep om die optimale koolstofvoetspoor (CF) vir kragtransformers te bepaal en te vergelyk. "CF meet die totale hoeveelheid koolstofdioksied-emissies wat direk of indirek deur 'n aktiwiteit veroorsaak word of gedurende 'n produk se lewensiklus opeengestap word." Dit kan ook die totale hoeveelheid koolstofdioksied (CO2) en ander broeikasgas (GHG)-emissies (soos methaan, liggass, ens.) weergegee wat met 'n produk verband hou. CF is 'n subset van die data wat deur die meer omvattende Life Cycle Assessment (LCA) oorbrug word. LCA is 'n internasionaal gestandaardiseerde metodologie (ISO 14040, ISO 14044) wat gebruik word om omgewingsbelasting en hulpbronnutting gedurende 'n produk se lewensiklus te evalueer. Daarom is CF 'n lewensikus-assessering wat slegs op emissies beperk is wat klimaatsverandering beïnvloed.

Daar is twee hoofmetodes vir CF-berekening: bottom-up proses-gebaseerde analise (PA) of top-down omgewingsuitgebreide invoer-uitvoer (EIO) analise. Prosesanalise (PA) is 'n bottom-up benadering wat die omgewingsimpak van 'n individueel produk vanaf vervaardiging tot skrap nagaan. Omgewingsinvoer-uitvoer (EIO) analise is gebaseer op 'n top-down benadering om CF te beraam.

Die Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) bied 'n universele metode om die CF van verskillende tipes elektriese produkte, soos verligtingsinstallasies, roterende elektriese masjiene, ens., te bereken. Hierdie metode bereken die CF van motore tydens vervaardiging, operasie en herwinning. Die PAIA-metode is egter nog nie op CF-evaluering van kragtransformers toegepas nie.

Addisioneel, word ekonomiese voetspoorontwerpe tipies vir arbitrêr gekose bestaande ontwerpe (Figuur 2) vergelyk, eerder as vir twee optimaal ontworpe transformators. As gevolg van die lang dienslewe van kragtransformers, vereis instandhoudingskoste verwant aan gereelde vervanging addisionele dele en geplande down-time. Al hierdie koste word nie in die inskrywingstaak ingesluit nie. Nadat Industrie 4.0 beginsels—voorspellende instandhouding—geïmplementeer is, kan hierdie bereken word vanaf die begin van toerustingontwerp.

3.1 Kapitalisasiefaktore

Vir hierdie doel is die kapitalisasiefaktore as volg:

Waar r die afslagkoers vir belegging verteenwoordig. Dit varieer tipies tussen 5-10%, en ons het 6,75% vir ons berekenings gekies. In hierdie geval is die verwagte leeftyd van die transformator (t) 25 jaar. In vergelyking (4) stel p die jaarlikse elektrisiteit per kW van maksimum vraag voor. Die vraagfaktor stel die verhouding van maksimum vraag tot die transformator se gerate kapasiteit (0,65) voor. Die kapitaalherstelkoeffisiënt (f) wys die totale toekomstige koste van jaarlikse betalings wat in huidige geldeenheid bereken word. Die huidige elektrisiteitsprys in Sentraal-Europa is 0,05 euro (€/kWh). Die laadverliesfaktor (LLF) word gedefinieer as die verhouding van gemiddelde kragverlies oor 'n tydperk tot die verlies tydens piekvraagtyd. Die laadfaktor (LF) is die gemiddelde laad van die transformator gedurende sy hele lewensiklus, uitgedruk as die ekwivalente persentasie van gemiddelde tot maksimum laad. In ons geval, vir fotovoltaiese kragstasies, LF=25%, dus LLF is gelyk aan 0,15625 (Figuur 1).

Uit vergelykings (4,5) kan die kapitalisasiefaktore (A, B) bereken word. In vergelykings (4,5) stel die faktor 8760 die jaarlikse bedryfstyd van die transformator voor. In vergelyking (B) word die laadverlieskoste bereken. Onder al die transformators is die mees koste-effektiewe en energie-effektiewe transformator die een wat die TCO minimeer (Figuur 2).

A. Doelwitfunksie vir Koolskoofanalise

Analoog aan die TCO-formule, kan 'n doelwitfunksie bekendgestel word om die koolskoof (CF) van kragtransformators te evalueer:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

waar TCO2 die berekende koolskoof (g) verteenwoordig. BCP verteenwoordig die koolskoof wat tydens die masjien se vervaardigingsproses bereken word. A* en B* is kapitalisasiefaktore vir die berekening van koolstofdioksieduitsettelinge (kg/kW) tydens die transformator se beplande dienslewe.

Om hierdie analoëse kapitalisasiefaktore te bereken, word drie broeikasgasse (GHG) oorweeg: koolstofdioksied (CO2), metaan (CH4), en lachgas (N2O) vir elke brandstoftipe wat in die kragnetwerk gebruik word. Dit is omdat, as ons berekenings maak op grond van nul-uitsettelinge van sonkragstasies, die resulterende transformator teoreties die minimum massa en maksimum verliese sou hê. Die uitsettelinge van metaan en lachgas word omgeskakel na CO2-ekwivalente uitsettelinge deur hulle met hul onderskeie globale verwarmingspotensiaalfaktore (I) te vermenigvuldig:

waar ei die uitsettelingsfaktor in eenhede van (tCO2/MWh) is, terwyl eCO2,i, eCH4,i en eN2O,i die uitsettelingsfaktore vir koolstofdioksied, metaan, en lachgas onderskeidelik vir die bestudeerde brandstoftipe (i) is, allemaal in eenhede van (t/GJ). Die faktor 0,0036 word gebruik om GJ om te skakel na MWh. Vir brandstof i, stel ni die omskakelingseffektiwiteit van brandstof i in die oordragstelsel (in persentasie %) voor, en λi stel die kragverliespersentasie vir brandstof i in die oordragstelsel voor. Hierdie artikel gebruik λi = 8% vir berekeninge van elke brandstoftipe.

Deur die energiestrukturele data van die Hongaarse kragnetwerk te gebruik, is die waardes van A*=425 kgCO2/kW en B*=66,5 kgCO2/kW bereken.

4 Transformatormodel

Die kragtransformatormodellering maak gebruik van 'n vereenvoudigde twee-windings aktiewe komponent (kern en windings). Hierdie benadering word wyd gebruik in voorbereidingsontwerpoptimeringsfases, omdat die dimensies van die aktiewe komponent die algemene transformatorgrootte bepaal. Die geometriese en elektriese kenmerke van die transformator word gemodelleer deur sleutelontwerpparameters. Hierdie aannames word wyd aanvaar in die industrie, wat voldoende akkuraatheid verskaf by die beraaming van koper- en kernverliese, terwyl dit die verskeie moontlike kern- en windingkonfigurasies beduidend vereenvoudig.

Die voorbereidingsontwerp transformatormodel definieer die buitegrense van die hoof aktiewe komponente duidelik, wat voldoende is vir vroeë stadium kosteberekeninge. Die begrip van hierdie sleutelontwerpparameters versnel ingenieurs se werk, en gedetailleerde ontwerpparameters kan maklik bepaal word deur middel van standaardpraktyke (Figuur 2). Transformatorvervaardigers in Europa en Amerika gebruik metaheuristiese optimeringsmetodes in praktyk.

5 Metaheuristiese Soektog

Die transformatormodel maak gebruik van geometriese programmering opgelos deur metaheuristiese algoritmes om die wiskundige model van die voorbereidingsontwerpoptimeringsprobleem aan te spreek. Twee faktore bepaal die superioriteit van geometriese programmeringoplossers. Ten eerste is moderne interne-puntgebaseerde GP-oplossers vinnig en robuust. Ten tweede verseker die wiskundige modelleringsreëls van geometriese programmering dat die verkryde oplossing globaal optimal is. Uitdrukkings vir gelykheid- en ongelykheidbeperkings moet voorgestel word deur spesiale wiskundige formules genaamd monomial (10) en posynomial (11).

Waar ck>0, die α parameters reële getalle is, en die waardes van x-veranderlikes moet positief wees. Die kosteoptimeringsprobleem vir omhullertipe kragtransformators kan in 'n spesiale geometriese struktuurformulering gestel word. Egter, hierdie wiskundige optimeringsmetode kan nie toegepas word op kern-tipe kragtransformators nie, omdat kern-tipe kragtransformators streng eise het vir kortsluitimpedans. Daarom, deur die GP-metode te kombineren met die tak-en-begrens-metode, is 'n vinnige en akkurate oplossingsmetode verkry.

6 Resultate en Bespreking

A. Toets-transformator tegniese spesifikasies

Optimeringsproewe is uitgevoer op 'n 16MVA kragtransformator met 'n spangverhouding van 120kV/20kV. Die optimeringsdoelwitte was in die eerste geval die Totale Besitkoste (TCO) en in die tweede geval die minimum Koolstofvoetspoor (CF). Die netfrekwensie was 50Hz, met 'n vereiste kortsluitimpedans van 8.5%. Parameters is volgens standaarde gekies. Die transformatorkoelingmetode is as ONAN gekies, met 'n omgewingstemperatuur wat op 40°C gespesifiseer is. Daarom is die toelaatbare spoelstroomdigtheidslimiet vir die hoofspoeling ingestel op 3A/mm², en vir die tapveranderder spoeling op 3.5A/mm².

Die lae-spannings (primêre) spoeling is gemodelleer as 'n spiraalvormige spoeling met CTC (Kontinu Oorgestelde Kabel), terwyl die hoë-spannings (sekondêre) spoeling as 'n skotelvormige spoeling met dubbele geleiders gemodelleer is. Met inagneming van kernmateriaalsaturasie en netoorspanning, is die maksimum fluxdichtheid beperk tot 1.7T. Minimale isolasiedistansies is op grond van empiriese reëls gekies. Die koste van elektriese staal is as 3.5€/kg gekies, en die spoelmateriaalkoste as 8€/kg. Die koolstofvoetspoorkoste vir die vervaardiging van elektriese staal was 1.8kgCO2/kg, en vir koper 6.5kgCO2/kg.

Die optimeringsresultate word opgesom in Tabel 2. Uit die resultate kan dit gesien word dat die optimale transformatorvermoëndheid onder CF-optimering laer is as die vermoëndheid na TCO-analise. Die transformator se spanning per spoel is verwant aan die koper-tot-yster-verhouding, en die waardes is byna identies in albei gevalle. Kernverliese is relatief klein in albei gevalle, sonder enige beduidende verskil. As gevolg van die klein LLF van sonenergieaanlegte, is kernverlieskoste relatief hoog in vergelyking met ladingverlieskoste. Die hoofverskil lê in koperverliese, wat beduidend kleiner is as in die TCO-geval. Aangesien die prysverhouding van nie-ferrosose en ferrosose metallurgie hoër is as die prysverhouding van kern- en kopermateriaal, en die CF van toegepasde materiaal relatief hoër is as die CF van elektriese verliese, neig die optimeringsalgoritme om ontwerpe met minder koper te aanvaar om die transformator se CF te verminder. As gevolg van die beduidende verskil tussen die CF van elektrisitepryse en dié van koper/yster-smelt, gun die algoritme 'n kleiner, minder effektiewe ontwerp in vergelyking met TCO-gebaseerde berekeninge.

7 Gevolgtrekking

Tans is daar geen gereedskaplike, wyd aanvaarde metode vir die bepaling van die koolstofvoetspoor van kragtransformateurs nie. In die post-ekonomiese era is koolstofvoetspooranalyses in literatuur uitgevoer op willekeurig gekose pare van transformateurs. Echter, groot kragtransformateurs word spesiaal vervaardig vir verskillende ekonomiese scenario's. Om geoptimeerde ontwerpe te vergelyk, is twee optimeringsontwerpe in 'n praktiese voorbeeld uitgevoer. In die eerste geval is TCO-optimering uitgevoer; in die tweede geval is die transformator se koolstofvoetspoor geminimaliseer. Die resultate toon dat koolstofvoetspooranalise transformateurs kan oplewer met laer vermoëndheid as tradisionele TCO-metodes. Dit kan wees omdat die omgewingskoste van groot motors tydens vervaardiging hoër is as hul verliese op die rooster. Verdere navorsing kan die omgewingsimpak van vervaardigingstyd, instandhouding, die gebruik van nuwe afbreekbare insulerende olies, of transformatorenhersikling evalueer.