Jaké jsou výhody transformátorů s rozděleným cívkováním v síťově připojených fotovoltaických elektrárnách
Sluneční energie, jako čistý a obnovitelný zdroj energie, je klíčovou novou energií podporovanou v Číně. Má bohaté teoretické zásoby (17 000 miliard tun ekvivalentu standardního uhlí ročně) a obrovský potenciál pro rozvoj. Fotovoltaická výroba elektrické energie, která byla dříve hlavně provozována mimo síť v odlehlých oblastech, se nyní rychle vyvíjí směrem k integraci do budov a velkým pouštním projektem s připojením k síti.
Tento článek analyzuje rozdělené cívky transformátorů v fotovoltaických elektrárnách s připojením k síti prostřednictvím teoretické analýzy a inženýrských případů.
1 Hlavní vlastnosti obvodů fotovoltaických elektráren s připojením k síti
Hlavní obvod fotovoltaických elektráren je těsně spojen s uspořádáním inverterů: distribuované invertery jsou vhodné pro integrované projekty v budovách, zatímco centrální invertry jsou preferovány pro pouštní fotovoltaické elektrárny (pro dosažení optimální efektivity výroby elektřiny za stejnoměrné osvětlení prostřednictvím centralizovaného Maximálního sledování bodu maximálního výkonu - MPPT).
Nicméně, více řad nebo invertry s větší kapacitou nejsou vždy výhodné - musí být zohledněna délka kabelů, pokles napětí a poměr cena/výkon. Tedy, délky kabelů od řad k sběrným krabicím a inverterům a plochy fotovoltaických bloků jsou určeny poměrem investice/návratnost. Pro ekonomickou optimalizaci typicky bývá kapacita centrálních inverterů v rozmezí 500 kW až 630 kW.
Fotovoltaické elektrárny s připojením k síti převážně používají tři hlavní schémata hlavního obvodu (viz obrázek 1). Jednořadové schéma (s step-up transformátory) je jednoduché, ale vyžaduje velké množství transformátorů. Schéma s velkými jednotkami (zahrnující step-up transformátory) je mainstreamovým designem, efektivně vyvažujícím náklady a efektivitu.
Tento článek diskutuje výhody použití transformátorů s rozdělenými cívkami pro rozšířené jednotkové vedení. V porovnání s běžnými dvojcívkovými transformátory každá fáze dvojitě rozděleného cívkového transformátoru se skládá z jedné vysokonapěťové cívky a dvou nízkonapěťových civek. Nízkonapěťové cívky mají stejné napětí a kapacitu, ale pouze slabé magnetické vazby mezi nimi, jak je znázorněno na obrázku 2.
Tento transformátor obvykle má tři režimy fungování: propustný režim, polopropustný režim a rozdělený režim. Když několik větví rozdělené cívky je paralelně zapojeno do celkové nízkonapěťové cívky, aby fungovalo proti vysokonapěťové cívce, nazývá se to propustným režimem, a krátkozavěrový impedancí transformátoru se nazývá propustná impedancia X1 - 2. Když jedna větev nízkonapěťové rozdělené cívky funguje proti vysokonapěťové cívce, nazývá se to polopropustným režimem, a krátkozavěrová impedancia se nazývá polopropustná impedancia X1 - 2'. Když jedna větev rozdělené cívky funguje proti jiné větvi, nazývá se to rozděleným režimem, a krátkozavěrová impedancia se nazývá rozdělená impedancia X2 - 2'.
2 Výhody transformátorů s rozdělenými cívkami
Pro snazší diskusi jsou citovány technické parametry zralých produktů pro kvantitativní srovnání s běžnými dvojcívkovými transformátory. Uveďme 2500 kVA transformátor s rozdělenými cívkami: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, procento krátkozavěrové induktance 6.5%, plná propustná induktance 6.5%, polopropustná induktance 11.7%, koeficient rozdělení < 3.6%. Výpočty dávají:
Plná propustná induktance: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Polopropustná induktance: X1 - 2' = X1 + X2
Per-unit hodnoty:
Induktance větve vysokonapěťové strany:
Induktance větve nízkonapěťové strany:
2.1 Snížení krátkozavěrového proudu
Při krátkém zavěru v d1 na obrázku 2 má krátkozavěrový proud tři složky: ze systému (vysokonapěťová strana, s nezanikajícími periodickými složkami), nevadnoucí větev I''p1, a vadnoucí větev I''p2. Pro nízkonapěťový okruhový vypínač na vadné větvi se jeho vypínací kapacita zohledňuje součet proudu ze systému a nevadné větve. S transformátorem s rozdělenými cívkami:
Krátkozavěrový proud dodaný systémem:
Krátkozavěrový proud invertorového distribuovaného zdroje je 2–4krát vyšší než nominální proud (doba trvání 1.2–5 ms, 0.06–0.25 cyklů), a proud nevadné větve je ~4 kA. Pro běžný dvojcívkový transformátor (pro srovnatelnost, předpokládejme uk% = 6.5, stejně jako plná propustná induktance transformátoru s rozdělenými cívkami uk1 - 2%:
Per-unit induktance je：
Krátkozavěrový proud dodaný systémem je：
s dodatečnými příspěvky nevadných větví. Zřejmě, použití transformátorů s rozdělenými cívkami pro rozšířené jednotkové vedení výrazně snižuje požadavek na vypínací kapacitu nízkonapěťových větvových vypínačů.
Předpokládejme, že parametry paralelních modulů jsou úplně stejné a parametry ovládání MPPT invertorů jsou stejné. Pak C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, a proud induktorů každého invertoru je:
Je vidět, že proud induktorů každého invertoru se skládá ze dvou částí: první je proud zátěže, který je stejný pro oba invertory; druhá je proud cirkulace, který je spojen s amplitudou, fází a frekvencí rozdílů výstupních napětí invertorů.
Aktuálně je hlavní logikou ovládání invertorů v fotovoltaických elektrárnách sledování bodu maximálního výkonu (MPPT). Solární články mají vnitřní a vnější odpory. Když kontrola MPPT tyto odpory v dané chvíli vyrovná, fotovoltaický článek pracuje v bodě maximálního výkonu. Na obrázku 3 jako příklad, aktivní výkon P1 a reaktivní výkon Q1 vytvořený Inverterem 1 jsou:
2.3 Udržení napětí nevadných větví
Na základě obrázků 2 a 3, fotovoltaické elektrárny obvykle používají uspořádání s centrálními invertry a transformátory, a impedance kabelu mezi inverterem a transformátorem lze zanedbat. S běžným dvojcívkovým transformátorem, napětí nevadné větve klesne na nulové potenciály. V tomto případě se obvykle používá relé ochrany pro zpoždění operace nevadné větve okruhového vypínače, aby se snížil rozsah odstranění vady. Nicméně, tento způsob nemusí splňovat požadavky na ochranu fotovoltaických elektráren. Pokud čas odstranění vadné větve přesahuje schopnost zachování napětí invertoru, nevadná větev bude nucena odpojit se od sítě, což zvyšuje riziko rozšíření rozsahu vady.
S transformátorem s rozdělenými cívkami, díky existence rozdělené impedanci, krátkozavěrový proud dodaný systémem je ekvivalentní funkci v polopropustném režimu transformátoru s rozdělenými cívkami. Krátkozavěrový proud dodaný nevadnou větví invertoru je ekvivalentní funkci v rozděleném režimu transformátoru s rozdělenými cívkami. V okamžiku krátkého zavěru, výstupní napětí U''2 nevadné větve invertoru je I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Protože vysokonapěťová strana je nekonečný systém, podle předchozí diskuse, I''s je mnohem větší než I''p2. Proto, první část I''s × X'2 nezaniká a je větší než druhá část I''p2 × (X''2 + X'''2).
Výpočty ukazují, že . Výstupní napětí nevadné větve invertoru lze udržet alespoň přibližně na 0.5Un. Podle požadavků na zachování napětí fotovoltaické elektrárny, čas odstranění je větší než 1 s (50 cyklů). Tedy, rozšířené jednotkové vedení s transformátory s rozdělenými cívkami spolehlivě splňuje požadavek, aby nevadná větev neodpojila od sítě během času odstranění okruhového vypínače vadné větve.
3 Závěr
Transformátory s rozdělenými cívkami jsou široce používány v inženýrství, zejména jsou vhodné pro fotovoltaické elektrárny s připojením k síti. Jak bylo výše diskutováno, jejich výhody spočívají hlavně v snížení krátkozavěrového proudu, omezování proudů cirkulace a udržení napětí nevadných větví. Na základě inženýrských návrhů tento článek teoreticky analyzuje jejich využití v fotovoltaických elektrárnách, poskytující určité vodítko pro výběr form vedení a zařízení v projektech fotovoltaických elektráren s připojením k síti.
