Usporedba ugovonog otiska i analize ukupnih poslovnih troškova za dizajn transformatora snage

1. Pregled

Zbog globalnog zagrijavanja, smanjenje emisija stakleničkih plinova je ključan problem. Značajan deo gubitaka u sistemima prenose električne energije dolazi od transformatora. Da bi se smanjile emisije stakleničkih plinova u elektroenergetskim sistemima, potrebno je instalirati efikasnije transformatore. Međutim, efikasniji transformatori često zahtevaju više materijala za proizvodnju. Da bi se odredila optimalna stopa gubitaka i cena proizvodnje transformatora, metoda ukupnog troška vlasništva (Total Cost of Ownership - TCO) je standardna praksa u industriji. Formula TCO uzima u obzir cenu kupovine (PP) i troškove gubitaka tokom planiranog životnog veka proizvoda (PPL). Ova metoda uzima u obzir cenu gubitaka putem faktora kapitalizacije (A, B).

Međutim, ovaj pristup uzima u obzir samo direktni troškove struje transformatora tokom njihovog planiranog životnog veka. Indirektni uticaji koji uključuju ekološke resurse, infrastrukturu za proizvodnju, instalaciju i podržavajuće sisteme nisu uzeti u obzir. Na primer, ovi električni proizvodi često se renoviraju i/ili ponovo koriste nakon isteka roka korišćenja. Uzimajući transformatore kao primer, 73% korišćenih materijala može se reciklirati, a ova procenat može biti još povišen korišćenjem ester baziranih izolacionih ulja. Prednosti recikliranja materijala i remanufakture nisu uzete u obzir.

Ugledni otisak ugljičnog dioksida je još jedna merodavnica za određivanje ekološkog uticaja električnog opreme tokom njenog životnog veka. Trenutno ne postoji široko prihvaćena metoda za izračunavanje ugljičnog otiska napajanja. Različiti alati za izračunavanje često daju značajno različite rezultate. Ovaj rad predlaže metod analize ugljičnog otiska i primenjuje ga na optimizaciju transformatora. Rezultujući transformatori su uspoređeni sa onima baziranim na metodi TCO.

2. Metoda Ukupnog Troška Vlasništva

Formula TCO predstavlja troškove životnog ciklusa proizvoda od kupovine do finalnog isteka roka korišćenja. Još jedan često korišćen termin je Life Cycle Cost (LCC). Glavni cilj je da se transformatori uporede na jednakoj osnovi kako bi se doneli odluke o kupovini. Standardizovana forma metode TCO tokom faze licitacije je sledeća:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Gde je A koeficijent gubitaka bez opterećenja (€/kW), B je koeficijent gubitaka pod opterećenjem (€/kW), PNLL (kW) su gubitci bez opterećenja transformatora tokom celog životnog veka, a PLL (kW) su gubitci pod opterećenjem transformatora tokom celog životnog veka.

Sa stanovišta električnih kompanija ili industrijskih i trgovinskih korisnika, izračuni TCO se takođe razlikuju. Postupci procene gubitaka transformatora električnih kompanija uključuju razumevanje i ocenu ukupnog troška generisanja, prenosa i raspodele gubitaka transformatora, što dovodi do složenih formula za izračunavanje. Sa druge strane, postupci procene gubitaka transformatora industrijskih i trgovinskih korisnika zahtevaju razumevanje i ocenu cena struje tokom planiranog vremena korišćenja transformatora.

A. Detalji scenarija analize

Koeficijenti (A, B) su izračunati za 16MVA transformator spojen na solarnu elektranolaznu (Slika 1). Koristili smo standardizovanu metodu da bismo odredili vrednosti A i B u našim izračunavanjima.

Za tu svrhu, potrebno je rešiti sledeću jednačinu:

3. Analiza Ugljičnog Otiska

Naš cilj je da kreiramo metodologiju za određivanje i upoređivanje optimalnog ugljičnog otiska (CF) za transformatore. "CF meri ukupnu količinu emisija ugljičnog dioksida direktno ili indirektno uzrokovanih aktivnostima ili akumuliranih tokom životnog veka proizvoda." Može takođe da predstavlja ukupnu količinu emisija ugljičnog dioksida (CO2) i drugih stakleničkih plinova (poput metana, azotnog oksida itd.) vezanih za proizvod. CF je podskup podataka pokrivenih širim Life Cycle Assessment (LCA). LCA je međunarodno standardizovana metodologija (ISO 14040, ISO 14044) koriscena za procenu ekoloških opterećenja i potrošnje resursa tokom životnog veka proizvoda. Stoga, CF predstavlja procenu životnog ciklusa ograničenu samo na emisije koje utiču na klimatske promene.

Postoje dve glavne metode za izračunavanje CF: bottom-up procesna analiza (PA) ili top-down ekološki proširena ulazno-izlazna (EIO) analiza. Procesna analiza (PA) je bottom-up pristup koji uzima u obzir ekološki uticaj pojedinačnog proizvoda od proizvodnje do odbačenja. Ekološka ulazno-izlazna (EIO) analiza temelji se na top-down pristupu za procenu CF.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) pruža univerzalnu metodu za izračunavanje CF različitih vrsta električnih proizvoda, poput svetiljki, rotativnih električnih mašina itd. Ova metoda izračunava CF motora tokom faza proizvodnje, rada i recikliranja. Međutim, PAIA metoda još nije primenjena na procenu CF transformatora.

Dodatno, ekonomski otisci obično se upoređuju za proizvoljno izabrane postojeće dizajne (Slika 2), umesto za dva optimalno dizajnirana transformatora. Zbog dugog životnog veka transformatora, troškovi održavanja vezani za redovnu zamenu zahtevaju dodatne delove i planirano isključivanje. Svi ovi troškovi nisu uključeni u fazu licitacije. Nakon implementacije principa Industrije 4.0 - prediktivno održavanje - ovi se mogu izračunati od samog početka dizajna opreme.

3.1 Faktori Kapitalizacije

Za tu svrhu, faktori kapitalizacije su sledeći:

Где r представља каматну стопу за инвестицију. Обично се ова варира између 5-10%, а ми смо изабрали 6,75% за наша израчунавања. У овом случају, очекиван живот трансформатора (t) је 25 година. У једначини (4), p представља годишњу електричну енергију по кВ по максималној потреби. Фактор потребе представља однос максималне потребе према номиналној капацитету трансформатора (0,65). Кофицијент опоравка капитала (f) показује укупну будућу стоимость годишњих плаћања израчуната у тренутним валутама. Тренутна цена електричне енергије у Централној Европи је 0,05 евра (€/кВх). Фактор губитка оптерећења (LLF) дефинисан је као однос просечног губитка моћи током неког периода према губитку на врхунском времену потребе. Фактор оптерећења (LF) је просечно оптерећење трансформатора током његовог циклуса живота, изражено као еквивалентни процент средњег у односу на максимално оптерећење. У нашем случају, за фото-волтначке електранице, LF=25%, тако да LLF износи 0,15625 (Слика 1).

Из једначина (4,5), могу се израчунати фактори капиталације (A, B). У једначинама (4,5), фактор 8760 представља годишње радно време трансформатора. У једначини (B), израчунава се стоимость губитка оптерећења. Међу свим трансформаторима, најефикаснији и енергетски најефективнији трансформатор је онај који минимизира TCO (Слика 2).

A. Analiza угљених отисака Циљна функција

Аналогно формули TCO, може се увести циљна функција за процену угљених отисака (CF) трансформатора:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

где TCO2 представља израчунати угљени отисак (g), BCP представља угљени отисак израчунат током производње машине. A* и B* су фактори капиталације за израчунавање емисија угљен диоксида (kg/kW) током планираног временског оквира службе трансформатора.

За израчунавање ових аналогних фактора капиталације, узимају се у обзир три парниковогаса (GHG): угљен диоксид (CO2), метан (CH4) и закисник азота (N2O) за сваки тип горива коришћен у електро-мрежи. Ово је зато што, ако израчунамо користећи нулту емисију код фотолећних електраница, резултујући трансформатор теоријски би имао минималну масу и максималне губитке. Емисије метана и закисника азота се конвертишу у еквивалентне емисије CO2 множењем их са својим респективним факторима глобалног загревања (I):

где је ei фактор емисије у јединицама (tCO2/MWh), док су eCO2,i, eCH4,i и eN2O,i фактори емисије угљен диоксида, метана и закисника азота респективно за проучавани тип горива (i), сви у јединицама (t/GJ). Фактор 0,0036 се користи за конверзију GJ у MWh. За гориво i, ni представља ефикасност конверзије горива i у систему преноса (у процентима %), а λi представља процент губитка моћи за гориво i у систему преноса. Овај рад користи λi = 8% за израчунавања сваког типа горива.

Користећи податке о структури енергије Мађарске електро-мреже, израчунате су вредности A*=425 kgCO2/kW и B*=66,5 kgCO2/kW.

4 Модел трансформатора

Моделирање моћног трансформатора користи поједностављен део са две витке (језгра и витке). Ова метода се широко користи у фазама оптимизације прелиминарног дизајна, јер димензије активног дела одређују укупну величину трансформатора. Геометријске и електричне карактеристике трансформатора моделирају се користећи клучне параметре дизајна. Ове претпоставке су широко прихваћене у индустрији, што пружа довољну тачност у процени губитака меди и језгра, док значајно поједностављавају различите могуће конфигурације језгра и витки.

Прелиминарни модел трансформатора јасно дефинише спољне границе главних активних компоненти, што је адекватно за ране фазе израчунавања трошкова. Разумевање ових ключних параметара дизајна убрзава рад инжењера, а детаљни параметри дизајна могу се лако одредити користећи стандардне практике (Слика 2). Производачи трансформатора у Европи и Америци у пракси користе метахеуристичке методе оптимизације.

5 Метахеуристичко претрага

Модел трансформатора користи геометријско програмирање решено метахеуристичким алгоритмима за решавање математичког модела проблема оптимизације прелиминарног дизајна. Два фактора одређују превозходност решавача геометријског програмирања. Прво, савремени решавачи GP засновани на интериор-тачкама су брзи и надежни. Друго, правила математичког моделирања геометријског програмирања гарантују да је добијено решење глобално оптимално. Изрази за једнакости и неједнакости морају бити представљени помоћу специјалних математичких формула познатих као мономи (10) и полиноми (11).

Где је ck>0, α параметри су реални бројеви, а вредности променљивих x морају бити позитивне. Проблем оптимизације трошкова за трансформаторе са оболочком може бити формализован у специјалном геометријском структурном облику. Међутим, овај математички метод оптимизације не може се применити на трансформаторе са језгром, јер трансформатори са језгром имају строга захтева за импедансом кратког спајања. Стога, комбиновањем GP метода са методом грана и граница, добијена је брза и тачна метода решавања.

6 Резултати и дискусија

A. Техничке спецификације тест трансформатора

Optimizacioni testovi su sprovedeni na transformatoru snage od 16MVA sa odnosom napona od 120kV/20kV. Ciljevi optimizacije bili su ukupni trošak vlasništva (TCO) u prvom slučaju i minimalna ekološka stopa (CF). Frekvencija mreže iznosila je 50Hz, sa zahtevanim kratkoskim otporom od 8,5%. Parametri su izabrani u skladu sa standardima. Metod hlađenja transformatora bio je ONAN, sa okružnom temperaturom od 40°C. Stoga je dozvoljeni limes gustine struje za glavno vijanje postavljen na 3A/mm², a za vijanje menjača nivoa na 3,5A/mm². 

Niskonaponsko (primarno) vijanje modelirano je kao helikso vijanje sa CTC (kontinuirano transponovan kabel), dok je visokonaponsko (sekundarno) vijanje modelirano kao diskovito vijanje sa dvostrukim vodičima. Uzimajući u obzir nasitljivost materijala jezgra i prenapon mreže, maksimalna gustoća fluksa ograničena je na 1,7T. Minimalne izolacione rastojanja izabrana su na osnovu empirijskih pravila. Trošak električnog čelika izabran je kao 3,5€/kg, a trošak materijala za vijanje kao 8€/kg. Trošak ekološke stope za proizvodnju električnog čelika iznosio je 1,8kgCO2/kg, a za bakar 6,5kgCO2/kg.

Rezultati optimizacije su sažeti u Tabeli 2. Iz rezultata se može videti da je optimalna efikasnost transformatora pod CF optimizacijom niža od efikasnosti nakon analize TCO. Napetost po zavojnicu transformatora je povezana s omjerom bakar-željezo, a vrijednosti su gotovo identične u oba slučaja. Gubitci u jezgru su relativno mali u oba slučaja, bez značajne razlike. Zbog malog LLF fotovoltaičnih elektranama, troškovi gubitaka u jezgru su relativno visoki u usporedbi s troškovima gubitaka opterećenja. Glavna razlika leži u gubitcima bakra, koji su značajno manji u odnosu na slučaj TCO. Budući da je cijena neferoznih i feroznih metala viša od omjera cijena materijala za jezgro i bakar, te CF primijenjenih materijala relativno veći nego CF električnih gubitaka, optimizacioni algoritam teži prema dizajnima s manjom količinom bakra kako bi smanjio CF transformatora. Zbog značajne razlike između CF cijena struje i CF topljenja bakra/željeza, algoritam preferira manji, manje efikasan dizajn u usporedbi s proračunima baziranim na TCO.

7 Zaključak

Trenutno ne postoji spremna, široko prihvaćena metoda za određivanje stope emisija ugljičnog dioksida (CF) transformatora. U postekonomskom dobu, analize stopa emisija ugljičnog dioksida u literature su provedene na proizvoljno odabranih parova transformatora. Međutim, veliki transformatori snage su prilagođeni različitim ekonomskim scenarijima. Za usporedbu optimiziranih dizajna, dva optimizacijska dizajna su provedena u praktičnom primjeru. U prvom slučaju, provedena je optimizacija TCO; u drugom slučaju, minimizirana je CF transformatora. Rezultati pokazuju da analiza CF može dati transformatore s nižom efikasnošću od tradicionalnih metoda TCO. To može biti posljedica činjenice da je okruženjski trošak proizvodnje velikih motora veći tijekom proizvodnje nego njihovi gubitci na mreži. Daljnja istraživanja mogla bi procijeniti okruženjski utjecaj vremena proizvodnje, održavanja, upotrebe novih biogradivih izolacionih ulja ili recikliranja transformatora.