Quins són els avantatges dels transformadors de bobines dividides en les estacions fotovoltaiques connectades a la xarxa?
L'energia solar, com a font d'energia neta i renovable, és una de les noves energies clau que es promouen a Xina. Té reserves teòriques abundants (17.000 milions de tones equivalent a carbó anualment) i un gran potencial de desenvolupament. La generació de energia fotovoltaica, que anteriorment operava principalment fora de la xarxa en zones remotes, avui en dia evoluciona ràpidament cap a projectes integrats en edificis i grans projectes connectats a la xarxa en zones desèrtiques.
Aquest article analitza els transformadors de bobinat dividit en estacions fotovoltaiques connectades a la xarxa mitjançant anàlisis teòriques i casos d'enginyeria.
1 Característiques del Circuit Principal de les Estacions Fotovoltaiques Connectades a la Xarxa
El circuit principal de les estacions fotovoltaiques està estretament relacionat amb la disposició dels inversors: els inversors distribuïts són adequats per a projectes integrats en edificis, mentre que els inversors centralitzats són preferits per a estacions fotovoltaiques desèrtiques (per aconseguir l'eficiència òptima de generació d'energia sota il·luminació uniforme mitjançant el seguiment centralitzat del punt de màxima potència - MPPT).
No obstant això, tenir més cadenes o inversors de major capacitat no sempre és beneficiós; cal considerar la distància del cable, la caiguda de tensió i la relació qualitat-preu. Així, les longituds dels cables des de les cadenes a les cassetes de combinació als inversors i les àrees dels blocs fotovoltaics es determinen pels ratios de retorn de la inversió. Per a l'optimització econòmica, la capacitat dels inversors centralitzats sol ser de 500 kW a 630 kW.
Les estacions fotovoltaiques connectades a la xarxa adopten principalment tres esquemes de circuit principal (tal com es mostra a la Figura 1). L'esquema de cadena única (amb transformadors elevadors) és simple però requereix un gran nombre de transformadors. L'esquema de gran unitat (incorporant transformadors elevadors) és el disseny dominant, equilibrant eficàcement cost i rendiment.
Aquest article discuteix els avantatges de l'ús de transformadors de bobinat dividit per a la connexió d'unitats ampliades. En comparació amb els transformadors de doble bobinat normals, cada fase d'un transformador de doble bobinat dividit consta d'un bobinat de alta tensió i dos bobinats de baixa tensió. Els bobinats de baixa tensió tenen la mateixa tensió i capacitat, però només tenen un acoblament magnètic feble entre ells, tal com es mostra a la Figura 2.
Aquest transformador sol tenir tres modes d'operació: operació total, operació semitotal i operació dividida. Quan diverses branques del bobinat dividit s'associen en un bobinat de baixa tensió total per operar contra el bobinat de alta tensió, es diu operació total, i la impedància de curtcircuït del transformador es diu impedància total X1 - 2. Quan una branca del bobinat de baixa tensió dividit opera contra el bobinat de alta tensió, es diu operació semitotal, i la impedància de curtcircuït es diu impedància semitotal X1 - 2'. Quan una branca del bobinat dividit opera contra una altra branca, es diu operació dividida, i la impedància de curtcircuït es diu impedància dividida X2 - 2'.
2 Avantatges dels Transformadors de Bobinat Dividit
Per facilitar la discussió, es citen paràmetres tècnics de productes madurs per a una comparació quantitativa amb els transformadors de doble bobinat normals. Prengui's un transformador de bobinat dividit de 2500 kVA: 37 ± 2×2,5% / 0,36 kV / 0,36 kV, 50 Hz, percentatge de reactància de curtcircuït 6,5%, percentatge de reactància total 6,5%, percentatge de reactància semitotal 11,7%, coeficient de divisió < 3,6%.Els càlculs donen:
Reactància total: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Reactància semitotal: X1 - 2' = X1 + X2
Valors per unitat:
Reactància de la branca de banda d'alta tensió:
Reactància de la branca de banda de baixa tensió:
2.1 Reducció de la Corrent de Curtcircuït
Durant un curtcircuït a d1 a la Figura 2, la corrent de curtcircuït té tres components: del sistema (banda d'alta tensió, amb components periòdics no decreixents), branca sense falla I''p1, i branca amb falla I''p2. Per al interruptor de circuit de banda de baixa tensió a la branca amb falla, la seva capacitat de trencament considera la suma de les corrents del sistema i de la branca sense falla.Amb un transformador de bobinat dividit:
Corrent de curtcircuït suministrada pel sistema:
La corrent de curtcircuït de la potència distribuïda de tipus inversor és 2–4 vegades la corrent nominal (durada 1,2–5 ms, 0,06–0,25 cicles), i la corrent de la branca sense falla és ~4 kA.Para un transformador de doble bobinat normal (per comparabilitat, assumim uk% = 6,5, igual que el percentatge de reactància total del transformador de bobinat dividit uk1 - 2%:
La reactància per unitat és：
La corrent de curtcircuït suministrada pel sistema és：
amb contribucions addicionals de branques sense falla.Clarament, l'ús de transformadors de bobinat dividit per a la connexió d'unitats ampliades redueix significativament el requisit de capacitat de trencament per a interruptors de circuit de banda de baixa tensió.
Assumint que els paràmetres dels mòduls paral·lels són completament iguals i que els paràmetres de control MPPT dels inversors són iguals. Llavors, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, i la corrent de l'inductor de cada inversor és:
Es pot veure que la corrent de l'inductor de cada inversor consta de dues parts: La primera és la corrent de càrrega, que és la mateixa per a tots dos inversors; la segona és la corrent circulant, relacionada amb les amplituds, fases i diferències de freqüència de les tensions de sortida dels inversors.
Actualment, la lògica de control principal per als inversors en les estacions de potència fotovoltaica és el seguiment del punt de màxima potència (MPPT). Les cel·les solars tenen resistències internes i externes. Quan el control MPPT fa que aquestes resistències siguin iguals en un moment determinat, el mòdul fotovoltaic opera al punt de màxima potència. Prenent la Figura 3 com a exemple, la potència activa P1 i la potència reactiva Q1 produïdes per l'Inversor 1 són:
2.3 Manteniment de la Tensió de les Branques Sense Falla
Prenent com a exemples les Figures 2 i 3, les estacions de potència fotovoltaica solen adoptar una disposició centralitzada d'inversor-transformador, i la impedància del cable entre l'inversor i el transformador és negligible. Amb un transformador de doble bobinat normal, la tensió de la branca sense falla cau a zero potencial. En aquest cas, generalment s'utilitza la protecció per relè per retardar l'operació del interruptor de circuit de la branca sense falla per reduir l'àrea de supressió de la falla. No obstant això, aquest mètode pot no complir els requisits de protecció per a les estacions de potència fotovoltaica. Si el temps de supressió de la branca amb falla supera la capacitat de passatge de baixa tensió de l'inversor, la branca sense falla serà forçada a desconectar-se de la xarxa, augmentant el risc d'ampliar l'àrea de la falla.
Amb un transformador de bobinat dividit, a causa de l'existència de la impedància dividida, la corrent de curtcircuït suministrada pel sistema és equivalent a operar en mode semitotal del transformador de bobinat dividit. La corrent de curtcircuït suministrada per l'inversor de la branca sense falla és equivalent al mode de divisió del transformador de bobinat dividit. Al moment del curtcircuït, la tensió de sortida U''2 de l'inversor de la branca sense falla és I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Com que la banda d'alta tensió és un sistema infinit, segons la discussió anterior, I''s és molt més gran que I''p2. Per tant, la primera part I''s × X'2 no decaeix i és més gran que la segona part I''p2 × (X''2 + X'''2).
Els càlculs mostren que . La tensió de sortida de l'inversor de la branca sense falla es pot mantenir almenys a uns 0,5Un. Segons els requisits de passatge de baixa tensió de la estació fotovoltaica, el temps de supressió és superior a 1 s (50 cicles). Així, la connexió d'unitats ampliades amb transformadors de bobinat dividit pot assegurar de manera fiable que la branca sense falla no es desconecti de la xarxa dins del temps de supressió del interruptor de circuit de la branca amb falla.
3 Conclusió
Els transformadors de bobinat dividit s'utilitzen ampliament en enginyeria, especialment adequats per a estacions fotovoltaiques connectades a la xarxa. Com s'ha discutit anteriorment, els seus avantatges principals resideixen en la reducció de la corrent de curtcircuït, la restricció de la corrent circulant d'operació i el manteniment de la tensió de les branques sense falla. Basant-se en exemples de disseny d'enginyeria, aquest article analitza teòricament els avantatges de la seva aplicació en estacions fotovoltaiques, proporcionant certa orientació per a la selecció de formes de connexió i equipament en projectes d'estacions fotovoltaiques connectades a la xarxa.
