Kolleguttak vs TCO-analyse for krafttransformator-design

1. Oversikt

På grunn av global oppvarming er reduksjon av utslipp av drivhusgasser et kritisk spørsmål. En betydelig andel av tap i kraftoverføringsystemer kommer fra strømtransformatorer. For å redusere utslipp av drivhusgasser i kraftsystemer, må mer effektive transformatorer installeres. Mer effektive transformatorer krever ofte mer råmaterialer til produksjon. For å fastsette den optimale tapforholdet og produksjonsprisen for transformatorer, er Total Cost of Ownership (TCO) metoden standard praksis i bransjen. TCO-formelen tar hensyn til kjøpspris (PP) og kostnaden av tap under produktets planlagte levetid (PPL). Denne metoden regner med prisen på tap gjennom kapitaliseringsfaktorer (A, B).

Denne tilnærmingen tar imidlertid bare hensyn til de direkte elektriske kostnadene for transformatorer under deres planlagte tjenesteperiode. Indirekte effekter som involverer økologiske ressurser, produksjonsinfrastruktur, installasjon og støttesystemer tas ikke hensyn til. For eksempel blir disse elektriske produkter ofte rekonstruert og/eller gjenbrukt etter pensjonering. Ved å ta strømtransformatorer som eksempel, kan 73% av de anvendte materialene gjenbrukes, og denne prosentandelen kan økes ytterligere ved bruk av naturlig esterbasert isolerende olje. Fordeler av materiell gjenbruk og remanufakturering tas ikke hensyn til.

Kolonnefotavtrykk er en annen metrik for å bestemme miljøpåvirkningen av elektrisk utstyr under dets tjenesteperiode. Det finnes for øyeblikket ingen vidt akseptert metode for å beregne kolonnefotavtrykket av kraftutstyr. Forskjellige beregningsverktøy gir ofte vesentlig forskjellige resultater. Denne artikkelen foreslår en analysemetode for kolonnefotavtrykk og bruker den i transformatoroptimalisering. De resulterende transformatorer sammenlignes med de basert på TCO-metoden.

2. Total Cost of Ownership Metode

TCO-formelen representerer produktets totale livssykluskostnader fra kjøp til sluttpensjonering. Et annet ofte brukt begrep er Life Cycle Cost (LCC). Hovedmålet er å sammenligne transformatorer på like vilkår for å gjøre innkjøpsbeslutninger. Den standardiserte formen av TCO-metoden under anbudsfasen er som følger:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Der A er tomgangtap-koeffisienten (€/kW), B er belastningstap-koeffisienten (€/kW), PNLL (kW) er transformatorens tomgangtap over hele livet, og PLL (kW) er transformatorens belastningstap over hele livet.

Fra energiforsyningsvirksomheters eller industri- og kommersielle brukeres synspunkt, varierer TCO-beregninger også. Vurdering av tap for transformatorer i energiforsyningsvirksomheter involverer forståelse og vurdering av totalt tap for generering, overføring og distribusjon, som fører til komplekse beregningsformler. På den andre siden, vurdering av tap for industri- og kommersielle brukere krever forståelse og vurdering av strømpriser over transformatorens planlagte bruksperiode.

A. Detaljer om analysescenario

Koeffisientene (A, B) ble beregnet for en 16MVA strømtransformator koblet til et solenergianlegg (Figur 1). Vi brukte en standardisert metode for å bestemme verdiene av A og B i våre beregninger.

For dette formålet er det nødvendig å løse følgende ligning:

3. Kolonnefotavtrykk Analyse

Vårt mål er å skape en metode for å fastsette og sammenligne det optimale kolonnefotavtrykket (CF) for strømtransformatorer. "CF måler den totale mengden CO2-utslipp direkte eller indirekte forårsaket av en aktivitet eller akkumulert over produktets livssyklus." Det kan også representere den totale mengden CO2 og andre drivhusgassutslipp (som metan, lachgas, osv.) forbundet med et produkt. CF er en delmengde av data dekket av den mer omfattende Livssyklusanalyse (LCA). LCA er en internasjonalt standardisert metode (ISO 14040, ISO 14044) brukt for å evaluere miljøbelastning og ressursforbruk over produktets livssyklus. Derfor er CF en livssyklusanalyse begrenset til utslipp som påvirker klimaendringer.

Det finnes to primære metoder for CF-beregning: bottom-up prosessbasert analyse (PA) eller top-down miljømessig utvidet inngang-utgang (EIO) analyse. Prosessanalyse (PA) er en bottom-up tilnærming som vurderer miljøpåvirkningen av et individuelt produkt fra produksjon til avvikling. Miljømessig inngang-utgang (EIO) analyse er basert på en top-down tilnærming for å estimere CF.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) gir en universell metode for å beregne CF for ulike typer elektriske produkter, som belysningsanordninger, roterende elektriske maskiner, osv. Denne metoden beregner CF for motorer under produksjon, drift og gjenbruk faser. PAIA-metoden har imidlertid ikke blitt brukt for CF-vurdering av strømtransformatorer.

I tillegg sammenlignes økonomiske fotavtrykk vanligvis for vilkårlig valgte eksisterende design (Figur 2), snarere enn for to optimalt designede transformatorer. På grunn av den lange tjenesteperioden for strømtransformatorer, krever vedlikeholdsutgifter relatert til rutinmessig erstattelse ekstra deler og planlagt nedetid. Alle disse kostnadene er ikke inkludert i anbudsfasen. Etter implementering av Industri 4.0-prinsipper—prediktiv vedlikehold—kan disse beregnes fra starten av utstyrsdesignet.

3.1 Kapitaliseringsfaktorer

For dette formålet er kapitaliseringsfaktorene som følger:

Hvor r representerer avkastningskravet for investeringen. Dette varierer typisk mellom 5-10%, og vi valgte 6,75% for våre beregninger. I dette tilfellet er den forventede levetiden for transformator (t) 25 år. I ligning (4) representerer p den årlige strømforbruket per kW av maksimal etterspørsel. Etterspørselsfaktoren representerer forholdet mellom maksimal etterspørsel til transformatorens nominerte kapasitet (0,65). Kapitaltilbakeføringskoeffisienten (f) viser det totale fremtidige kostnaden av årlige betalinger regnet i dagens valuta. Det nåværende strømprisen i sentral-Europa er 0,05 euro (€/kWh). Belastningsfaktoren (LF) er den gjennomsnittlige belastningen på transformator over hele dens livssyklus, uttrykt som det ekvivalente prosentandelen av gjennomsnittlig til maksimal belastning. I vårt tilfelle, for fotovoltaiske kraftverk, LF=25%, slik at LLF er lik 0,15625 (Figur 1).

Fra ligning (4,5) kan kapitaliseringsfaktorene (A, B) beregnes. I ligning (4,5) representerer faktoren 8760 de årlige driftstimer for transformator. I ligning (B) beregnes kostnaden for lasttap. Blant alle transformatorer, er den mest kostnadseffektive og energieffektive transformator den som minimerer TCO (Figur 2).

A. Analysemål for karbonfotavtrykk

Analogt med TCO-formelen, kan en målfunksjon innføres for å evaluere karbonfotavtrykket (CF) av strømtransformatorer:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

der TCO2 representerer det beregnede karbonfotavtrykket (g), BCP representerer karbonfotavtrykket beregnet under maskinproduksjonsprosessen. A* og B* er kapitaliseringsfaktorer for å beregne kuldioxidutslipp (kg/kW) under planlagt tjenesteperiode for transformator.

For å beregne disse analoge kapitaliseringsfaktorene, tas tre drivhusgasser (GHG) hensyn til: kuldioxid (CO2), metan (CH4), og lachgas (N2O) for hver brændsels type brukt i strømnettverket. Dette er fordi, hvis vi beregner ved hjelp av nullutslipp fra solkraftverk, ville den resulterende transformator teoretisk sett ha minimum masse og maksimum tap. Utslippene av metan og lachgas konverteres til CO2-ekvivalent utslipp ved å multiplisere dem med deres respektive globale oppvarmingspotensialfaktorer (I):

der ei er utslippsfaktoren i enheter av (tCO2/MWh), mens eCO2,i, eCH4,i og eN2O,i er utslippsfaktorene for kuldioxid, metan, og lachgas henholdsvis for den studerte brændsels typen (i), alle i enheter av (t/GJ). Faktoren 0,0036 brukes for å konvertere GJ til MWh. For brændsel i, representerer ni konverteringsgraden for brændsel i i transmisjonssystemet (i prosent %), og λi representerer tapprosenten for brændsel i i transmisjonssystemet. Denne artikkelen bruker λi = 8% for beregninger av hver brændsels type.

Ved hjelp av energistrukturdataene for det ungerske strømnettverket, ble verdien av A*=425 kgCO2/kW og B*=66,5 kgCO2/kW beregnet.

4 Transformatormodell

Modellering av strømtransformatorer bruker en forenklet tovingaktiv del (kjernestykke og viklinger). Denne tilnærmingen er bredt anvendt i tidlige designoptimeringsfasen, fordi dimensjonene på den aktive delen bestemmer den totale størrelsen på transformator. De geometriske og elektriske karakteristikkene til transformator modelleres ved hjelp av nøkkel designparametre. Disse antakelsene er vidt akseptert i industri, gir tilstrekkelig nøyaktighet i estimat av kobber- og kjernetap, samtidig som de betydelig forenkler de ulike mulige kjernestykke- og viklingskonfigurasjonene.

Den foreløpige designtransformatormodellen definerer tydelig de ytre grensene for de hovedsakelige aktive komponentene, noe som er tilstrekkelig for tidlige kostnadsberegninger. Forståelse for disse nøkkel designparametrene akselererer ingeniørenes arbeid, og detaljerte designparametre kan lett bestemmes ved hjelp av standard praksis (Figur 2). Transformatorprodusenter i Europa og Amerika bruker metaheuristiske optimeringsmetoder i praksis.

5 Metaheuristisk søk

Transformatormodellen bruker geometrisk programmering løst av metaheuristiske algoritmer for å løse den matematiske modellen av det foreløpige designoptimeringsproblemet. To faktorer bestemmer fortrinnene ved løsere for geometrisk programmering. For det første er moderne GP-løser basert på indre punkt hurtige og robuste. For det andre garanterer de matematiske modelleringreglene for geometrisk programmering at den oppnådde løsningen er global optimal. Uttrykk for likhet og ulikhet begrensninger må være representert ved spesielle matematiske formler kalde monomialer (10) og posynomialer (11).

Der ck>0, α-parametrene er reelle tall, og x-variabelverdiene må være positive. Kostnadsoptimeringsproblemet for skalltype strømtransformatorer kan formuleres i en spesiell geometrisk strukturform. Imidlertid kan ikke denne matematiske optimeringsmetoden anvendes på kjernetype strømtransformatorer, fordi kjernetype strømtransformatorer har streng krav til kortslutningsimpedans. Derfor, ved å kombinere GP-metoden med branch-and-bound-metoden, ble en rask og nøyaktig løsningsmetode oppnådd.

6 Resultater og diskusjon

A. Tekniske spesifikasjoner for testtransformator

Optimaliseringsprøver ble gjennomført på en 16MVA strømtransformator med spenningforhold på 120kV/20kV. Optimaliseringsmålene var Total Cost of Ownership (TCO) i det første tilfellet og minimum Carbon Footprint (CF). Nettfrekvensen var 50Hz, med et nødvendig kortslutningsimpedans på 8,5%. Parametrene ble valgt i samsvar med standarder. Kjølingmetoden for transformator ble valgt som ONAN, med en omgivelses temperatur på 40°C. Dermed ble den tillatte strømtetthetsgrensen for hovedvindingen satt til 3A/mm², og for tapendringvindingen til 3,5A/mm². 

Lavspenningsvindingen (primær) ble modellert som en spirevinding med CTC (Continuously Transposed Cable), mens høyspenningsvindingen (sekundær) ble modellert som en diskvinding med doble ledere. Med hensyn til kjernemateriale saturasjon og nett overvoltage, ble maksimal fluxtettlelsen begrenset til 1,7T. Minimum isolasjonsavstander ble valgt basert på empiriske regler. Prisen for elektrisk stål ble valgt som 3,5€/kg, og vindingmaterialekostnaden som 8€/kg. Koholtavtrykket for produksjon av elektrisk stål var 1,8kgCO2/kg, og for kobber 6,5kgCO2/kg.

Optimaliseringsresultatene er summeret i tabell 2. Fra resultatene kan det ses at den optimale transformatorverknaden under CF-optimalisering er lavere enn verknaden etter TCO-analyse. Transformatorspansningen per vikling har sammenheng med forholdet mellom kobber og jern, og verdien er nesten identisk i begge tilfeller. Kjernetap er relativt små i begge tilfeller, uten signifikant forskjell. På grunn av den lave LLF-en for solkraftverk, er kjernetapskostnadene relativt høye sammenlignet med belastningstapskostnader. Den største forskjellen ligger i kobbertap, som er markant mindre enn i TCO-tilfellet. Siden prisorforholdet for ikke-jernmetaller og jernmetaller er høyere enn prisorforholdet for kjerner og kobbermaterialer, og CF-en for anvendte materialer er relativt høyere enn CF-en for elektriske tap, neiger optimaliseringsalgoritmen mot design med mindre kobber for å redusere transformatorens CF. På grunn av den betydelige forskjellen mellom CF-en for strømpriser og CF-en for smelting av kobber/jern, foretrekker algoritmen et mindre, mindre effektivt design sammenlignet med beregninger basert på TCO.

7 Konklusjon

For øyeblikket finnes det ingen ferdig utviklet, bredt akseptert metode for å fastsette klimasporet til strømtransformatorer. I postøkonomisk epoke har klimasporanalyser i litteraturen blitt gjennomført på vilkårlig valgte par av transformatorer. Imidlertid er store strømtransformatorer tilpasset ulike økonomiske scenarier. For å sammenligne optimerte design ble to optimaliseringsdesign utført i et praktisk eksempel. I det første tilfellet ble TCO-optimalisering utført; i det andre tilfellet ble transformatorens klimasporet minimert. Resultatene viser at klimasporanalyser kan gi transformatorer med lavere verknad enn tradisjonelle TCO-metoder. Dette kan være fordi miljøkostnaden ved produksjon av store motorer er høyere under produksjon enn tapene på nettet. Videre forskning kan vurdere miljøpåvirkningen av produksjonstid, vedlikehold, bruk av nye biologisk nedbrytelige isolerende olier, eller gjenbruk av transformatorer.