Kulsporanalyse vs TCO-analyse for krafttransformatorer design

1. Oversigt

På grund af den globale opvarmning er reduktion af drivhusgasemissioner et kritisk spørgsmål. En betydelig del af tabene i strømafleveringssystemer kommer fra strømtransformatorer. For at reducere drivhusgasemissionerne i strømsystemer skal mere effektive transformatorer installeres. Mere effektive transformatorer kræver dog ofte flere produktionsmaterialer. For at fastlægge den optimale tabforhold og produktionspris for transformatorer er Total Cost of Ownership (TCO) metoden standardpraksis i industrien. TCO-formlen tager højde for købsprisen (PP) og omkostningerne ved tab under produktets planlagte levetid (PPL). Denne metode tager højde for prisen på tab gennem kapitaliseringsfaktorer (A, B).

Denne tilgang tager imidlertid kun højde for de direkte strømomkostninger for transformatorer under deres planlagte serviceperiode. Indirekte påvirkninger, der involverer økologiske ressourcer, produktionsinfrastruktur, installation og supportsystemer, tages ikke i betragtning. For eksempel bliver disse elektriske produkter ofte renoveret og/eller genbrugt efter pensionering. Med strømtransformatorer som eksempel kan 73% af de anvendte materialer genbruges, og denne procent kan øges yderligere, når man bruger naturbaserede ester-isoleringsolier. Fordele ved materialegenbrug og remanufacturering tages ikke i betragtning.

Kulstof fodspor er en anden måling for at bestemme miljøpåvirkningen af elektriske udstyr under deres serviceperiode. Der findes i øjeblikket ingen bredt accepteret metode til at beregne kulstof fodsporet for strømudstyr. Forskellige beregningsværktøjer giver ofte markant forskellige resultater. Dette dokument foreslår en metode til kulstof fodspor analyse og anvender den til transformeroptimering. De resulterende transformatorer sammenlignes med dem, der er baseret på TCO-metoden.

2. Total Cost of Ownership Metode

TCO-formlen repræsenterer produktets livscyklusomkostninger fra køb til endelig pensionering. Et andet ofte anvendt udtryk er Life Cycle Cost (LCC). Det primære mål er at sammenligne transformatorer på lige fod for at træffe indkøbsbeslutninger. Den standardiserede form for TCO-metoden under udbudsfasen er følgende:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Hvor A er koefficienten for tomgangstab (€/kW), B er belastningstabkoefficient (€/kW), PNLL (kW) er tomgangstab for transformator over dens hele levetid, og PLL (kW) er belastningstab for transformator over dens hele levetid.

Fra energiforsyningsvirksomheders eller industri- og handelsbrugeres synspunkt varierer TCO-beregninger også. Energiforsyningsvirksomheders evaluering af transformatorers tabprocedurer involverer forståelse og vurdering af den samlede omkostning af generering, transmission og distributionstab, hvilket resulterer i komplekse beregningsformler. På den anden side kræver industri- og handelsbrugeres evaluering af transformatorers tabprocedurer forståelse og vurdering af strømpriser over transformatorens planlagte brugstid.

A. Analyse scenariodetaljer

Koefficienterne (A, B) blev beregnet for en 16MVA strømtransformator forbundet til en solcelleanlæg (Figur 1). Vi brugte en standardiseret metode til at fastlægge værdierne af A og B i vores beregninger.

For dette formål er det nødvendigt at løse følgende ligning:

3. Kulstof Fodspor Analyse

Vores mål er at oprette en metode til at fastlægge og sammenligne det optimale kulstof fodspor (CF) for strømtransformatorer. "CF måler den totale mængde CO2-emissioner direkte eller indirekte forårsaget af en aktivitet eller accumuleret over produktets levetid." Det kan også repræsentere den samlede mængde CO2 og andre drivhusgas (GHG) emissioner (som metan, kvæveoxide osv.) forbundet med et produkt. CF er en delmængde af data, der dækkes af den mere omfattende Life Cycle Assessment (LCA). LCA er en internationalt standardiseret metode (ISO 14040, ISO 14044) brugt til at vurdere miljøbyrden og ressourceforbrug gennem produktets levetid. Derfor er CF en livscyklusvurdering, der begrænser sig udelukkende til emissioner, der påvirker klimaændringer.

Der findes to primære metoder til CF-beregning: bottom-up processbaseret analyse (PA) eller top-down miljøudvidet input-output (EIO) analyse. Processanalyse (PA) er en bottom-up tilgang, der tager højde for miljøpåvirkningen af et individuelt produkt fra produktion til affaldshåndtering. Miljøinput-output (EIO) analyse er baseret på en top-down tilgang til at estimere CF.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) giver en universel metode til at beregne CF for forskellige typer elektriske produkter, såsom belysningsinstallationer, roterende elektriske maskiner osv. Denne metode beregner CF for motorer under produktion, drift og genbrugsfaser. PAIA-metoden er dog endnu ikke anvendt til CF-vurdering af strømtransformatorer.

Desuden sammenlignes økonomiske fodspor-designs typisk for vilkårligt valgte eksisterende designs (Figur 2), snarere end for to optimalt designede transformatorer. På grund af den lange serviceperiode for strømtransformatorer, kræver vedligeholdelsesomkostninger relateret til rutinemæssig udskiftning yderligere dele og planlagt nedetid. Alle disse omkostninger er ikke inkluderet i udbudsfasen. Efter implementering af Industry 4.0 principper—prediktiv vedligeholdelse—kan disse beregnes fra begyndelsen af udstyr-designet.

3.1 Kapitaliseringsfaktorer

Til dette formål er kapitaliseringsfaktorerne følgende:

Hvor r repræsenterer den investeringsrabat, der typisk varierer mellem 5-10%, og vi har valgt 6,75% for vores beregninger. I dette tilfælde er den forventede levetid for transformator (t) 25 år. I ligning (4) repræsenterer p den årliggjorte elektricitet pr. kW af maksimal efterspørgsel. Efterspørgselsfaktoren repræsenterer forholdet mellem maksimal efterspørgsel og transformatorens nominale kapacitet (0,65). Kapitalgenoprettelseskoefficienten (f) viser den samlede fremtidige omkostning af årlige ydelser beregnet i nuværende valuta. Det nuværende elpris i Central-Europa er 0,05 euro (€/kWh). Belastningsfaktoren (LF) er gennemsnitlige belastning af transformator over dens hele livscyklus, udtrykt som det ækvivalente procentdelen af gennemsnitlig til maksimal belastning. I vores tilfælde for solcelleanlæg, LF=25%, så LLF er lig med 0,15625 (Figur 1).

Fra ligninger (4,5) kan kapitaliseringsfaktorerne (A, B) beregnes. I ligninger (4,5) repræsenterer faktoren 8760 de årlige driftstimer for transformator. I ligning (B) beregnes omkostningen til belastningsforskydning. Blandt alle transformatorer er den mest kosteffektive og energieffektive transformator den, der minimaliserer TCO (Figur 2).

A. Analyseformål for kul fodspor

Lignende TCO-formel kan en målfunktion introduceres for at evaluere kul fodsporet (CF) af strømtransformatorer:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

hvor TCO2 repræsenterer det beregnede kul fodspor (g), BCP repræsenterer kul fodsporet beregnet under maskinproduktion. A* og B* er kapitaliseringsfaktorer for beregning af kuldioxidudledning (kg/kW) under planlagt serviceperiode.

For at beregne disse analoge kapitaliseringsfaktorer tages tre drivhusgasser (GHG) i betragtning: kuldioxid (CO2), metan (CH4) og lachgas (N2O) for hver brændstoftype anvendt i strømnettet. Dette skyldes, at hvis vi beregner ved hjælp af nuludledning fra solceller, ville den resulterende transformator teoretisk have minimum masse og maksimum tab. Udledningen af metan og lachgas konverteres til CO2-ækvivalent udledning ved at multiplicere dem med deres respektive globale opvarmningspotentiale-faktorer (I):

hvor ei er emissionsfaktoren i enheder af (tCO2/MWh), mens eCO2,i, eCH4,i og eN2O,i er emissionsfaktorerne for kuldioxid, metan og lachgas henholdsvis for den undersøgte brændstoftype (i), alle i enheder af (t/GJ). Faktoren 0,0036 bruges til at konvertere GJ til MWh. For brændstoffet i, repræsenterer ni konverteringsnøjagtigheden af brændstoffet i transmissionssystemet (i procent %), og λi repræsenterer mangelprocenten for brændstoffet i transmissionssystemet. Denne artikel bruger λi = 8% til beregninger for hver brændstoftype.

Ved hjælp af energistrukturdata for det ungarske strømnet, blev værdierne A*=425 kgCO2/kW og B*=66,5 kgCO2/kW beregnet.

4 Transformator model

Modelleringen af strømtransformatorer anvender en forenklet to-vinding aktiv del (kern og vinder). Denne tilgang anvendes bredt i de første designoptimeringsfasen, da dimensionerne af den aktive del bestemmer den samlede størrelse på transformator. De geometriske og elektriske karakteristika af transformator modelleres ved hjælp af nøgle-designparametre. Disse antagelser er almindeligt accepterede i industrien, hvilket giver tilstrækkelig præcision i estimaterne af kobber- og kern-tab, mens de betydeligt forenkler de forskellige mulige kern- og vindingskonfigurationer.

Den foreløbige designtransformatormodel definerer klart de ydre grænser for de hovedaktivkomponenter, hvilket er tilstrækkeligt for tidlige omkostningsberegninger. At forstå disse nøgle-designparametre accelererer ingeniørers arbejde, og detaljerede designparametre kan let fastsættes ved hjælp af standardmetoder (Figur 2). Transformatorproducenter i Europa og Amerika anvender metaheuristik-baserede optimeringsmetoder i praksis.

5 Metaheuristik søgning

Transformatormodellen anvender geometrisk programmering løst ved metaheuristik-algoritmer for at adressere matematisk model af problemet med foreløbig designoptimering. To faktorer bestemmer fortrinsretten ved løsere af geometrisk programmering. For det første er moderne inderpunkt-baserede GP-løsere hurtige og robuste. For det andet garanterer de matematiske modellering regler for geometrisk programmering, at den opnåede løsning er global optimal. Udsagn for lighed og ulighed begrænsninger skal være repræsenteret ved specielle matematiske formler kaldet monomialer (10) og posynomialer (11).

Hvor ck>0, α-parametrene er reelle tal, og værdierne af x variabler skal være positive. Omkostningsoptimeringsproblemet for skalforskikningspowertransformatorer kan formuleres i en særlig geometrisk strukturform. Dog kan denne matematiske optimeringsmetode ikke anvendes til kernetype powertransformatorer, da kernetype powertransformatorer har strenge krav til kortslutningsimpedans. Derfor er ved at kombinere GP-metoden med branch-and-bound-metoden, blev en hurtig og præcis løsningsmetode opnået.

6 Resultater og diskussion

A. Testtransformator tekniske specifikationer

Optimeringstests blev udført på en 16MVA strømtransformator med spændingsforhold på 120kV/20kV. Optimeringsmålene var Total Cost of Ownership (TCO) i det første tilfælde og minimum Carbon Footprint (CF). Netfrekvensen var 50Hz, med et krav om kortslutningsimpedans på 8.5%. Parametre blev valgt i overensstemmelse med standarder. Transformatorns kølemetode blev valgt som ONAN, med en omgivelsistemperatur specificeret som 40°C. Derfor blev den tilladte vindingsstrømtæthedsgrense for hovedvindingen sat til 3A/mm², og for tap changer vindingen til 3.5A/mm². 

Den lavspændings (primære) vinding blev modelleret som en spiralvinding med CTC (Continuously Transposed Cable), mens den højspændings (sekundære) vinding blev modelleret som en diskvinding med dobbeltledere. Med hensyn til kernes materiale saturation og netoverspænding blev maksimal fluxtæthed begrænset til 1.7T. Minimum isolationsafstande blev valgt baseret på empiriske regler. Prisen for elektrisk stål blev valgt som 3.5€/kg, og vindingmaterialepris som 8€/kg. Kohlenfodsporet for produktion af elektrisk stål var 1.8kgCO2/kg, og for kobber 6.5kgCO2/kg.

Optimeringsresultaterne er opsummeret i tabel 2. Ud fra resultaterne kan det ses, at den optimale transformer-effektivitet under CF-optimering er lavere end effektiviteten efter TCO-analyse. Transformerens spænding pr. vinding er relateret til forholdet mellem kobber og jern, og værdierne er næsten identiske i begge tilfælde. Kjernejtab er relativt små i begge tilfælde, uden betydelig forskel. På grund af den lille LLF for solceller, er kjernejtab-kostnaderne relativt høje sammenlignet med lastjtab-kostnader. Den primære forskel ligger i kobbertab, som er markant mindre end i TCO-tilfældet. Da priserelationen mellem ikke-jernmalm og jernmalm er højere end priserelationen mellem kjerne- og kobbermaterialer, og CF for anvendte materialer er relativt højere end CF for elektriske tab, tendere optimeringsalgoritmen til at bruge design med mindre kobber for at reducere transformerens CF. På grund af den betydelige forskel mellem CF for elpriser og for kobber/jernsmeltning, foretrækker algoritmen et mindre, mindre effektivt design sammenlignet med TCO-baserede beregninger.

7 Konklusion

I øjeblikket findes der ingen klar, bredt accepteret metode til at bestemme kuldioxidfoden for strømtransformatorer. I den post-økonomiske æra er kuldioxidfodanalyser i litteraturen blevet udført på vilkårligt valgte par af transformatorer. Dog er store strømtransformatorer skræddersyet til forskellige økonomiske scenarier. For at sammenligne optimerede design blev to optimeringsdesign udført i et praktisk eksempel. I det første tilfælde blev TCO-optimering udført; i det andet tilfælde blev transformerens kuldioxidfod minimeret. Resultaterne viser, at kuldioxidfodanalyse kan give transformatorer med lavere effektivitet end traditionelle TCO-metoder. Dette kan skyldes, at miljøkosten for store motorer er højere under produktion end deres tab på nettet. Yderligere forskning kunne vurdere miljøpåvirkningen af produktionstid, vedligeholdelse, anvendelse af nye nedbrydelige isolerende olier eller genbrug af transformatorer.