Hvad er fordelene ved splittet-vindingstransformatorer i net-integrerede fotovoltaiske kraftværker
Solenergi, som en ren og fornyelig energikilde, er en vigtig ny energiform, der støttes i Kina. Den har rige teoretiske reserver (17.000 milliarder tons standard kulækvivalent årligt) og enorm udviklingspotentiel. Fotovoltaisk strømproduktion, der tidligere hovedsageligt fungerede off-grid i fjerne områder, udvikler sig nu hurtigt mod by-integrerede fotovoltaiske systemer og store grid-connected projekter i ørkenområder.
Denne artikel analyserer split-winding-transformatorer i grid-connected fotovoltaiske strømstationer gennem teoretisk analyse og ingeniørtilfælde.
1 Hovedkredsløbsfunktioner i grid-connected fotovoltaiske strømstationer
Hovedkredsløbet i fotovoltaiske strømstationer er tæt forbundet med inverter-layouts: distribuerede invertorer er egnet til by-integrerede projekter, mens centraliserede invertorer foretrækkes for ørkenbaserede fotovoltaiske strømstationer (for at opnå optimal strømproduktions effektivitet under ensartet belysning via centraliseret Maximum Power Point Tracking - MPPT).
Men flere strømstreng eller større kapacitets invertorer er ikke altid fordelagtige - kabelafstand, spændingsfald og kost-ydelse skal tages i betragtning. Derfor bestemmes kablelængder fra strømstreng til kombineringsbokse til invertorer og arealer af fotovoltaiske blokke af investerings-returforhold. For økonomisk optimering ligger typisk kapaciteten af centraliserede invertorer mellem 500 kW og 630 kW.
Grid-connected fotovoltaiske strømstationer anvender hovedsageligt tre hovedkredsløbskonfigurationer (som vist på figur 1). Enkeltstrømstrengskonfigurationen (med step-up-transformatorer) er simpel, men kræver mange transformatorer. Stor enhedskonfiguration (inklusive step-up-transformatorer) er den mest almindelige design, der balancerer omkostninger og effektivitet effektivt.
Denne artikel diskuterer fordelene ved at bruge split-winding-transformatorer for udvidet enhedsbelægning. I forhold til almindelige dobbeltvindings-transformatorer består hver fase af en dobbelt-split winding-transformator af en højspændingsvinding og to lavspændingsvindinger. Lavspændingsvindingerne har samme spænding og kapacitet, men kun svag magnetisk kobling mellem dem, som vist på figur 2.
Denne transformator har typisk tre driftstilstande: igennem-drift, halv-igennem-drift og split-drift. Når flere gren af split-vindingen parallelles til en total lavspændingsvinding for at køre mod højspændingsvindingen, kaldes det igennem-drift, og kortslutningsimpedancen af transformator kaldes igennem impedans X1 - 2. Når en gren af lavspændings-split-vindingen kører mod højspændingsvindingen, kaldes det halv-igennem-drift, og kortslutningsimpedancen kaldes halv-igennem impedans X1 - 2'. Når en gren af split-vindingen kører mod en anden gren, kaldes det split-drift, og kortslutningsimpedancen kaldes split impedans X2 - 2'.
2 Fordele ved split-winding-transformatorer
For nemmere diskussion citeres tekniske parametre for modne produkter til kvantitativ sammenligning med almindelige dobbeltvindings-transformatorer. Tag en 2500 kVA split-winding-transformator: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, kortslutningsreaktanceprocent 6.5%, fuld-igennem reaktanceprocent 6.5%, halv-igennem reaktanceprocent 11.7%, split-koefficient < 3.6%. Beregninger giver:
Fuld-igennem reaktance: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Halv-igennem reaktance: X1 - 2' = X1 + X2
Per-unit værdier:
Højspændingsgren reaktance:
Lavspændingsgren reaktance:
2.1 Reducering af kortslutningsstrøm
Under kortslutning ved d1 på figur 2, har kortslutningsstrømmen tre komponenter: fra systemet (højspændings side, med ikke-synkende periodiske komponenter), ikke-fejl-gren I''p1, og fejl-gren I''p2. For lavspændingsbryderen på fejl-gren, tages summen af system- og ikke-fejl-gren-strømmer i betragtning. Med en split-winding-transformator:
System-forsynet kortslutningsstrøm:
Inverter-type distribueret strømkortslutningsstrøm er 2-4 gange den nominale strøm (varighed 1.2-5 ms, 0.06-0.25 cyklus), og ikke-fejl-gren-strømmen er ~4 kA. For en almindelig dobbeltvindings-transformator (for sammenlignelighed, antag uk% = 6.5, samme som fuld-igennem reaktanceprocenten af split-winding-transformator uk1 - 2%:
Per-unit reaktance er：
System-forsynet kortslutningsstrøm er：
med yderligere bidrag fra ikke-fejl-grene. Tydeligt set, reducerer brugen af split-winding-transformatorer for udvidet enhedsbelægning betydeligt bryderekapacitetskravet for lavspændings-sidebranch-brydere.
Antag, at parametrene for de parallelle moduler er fuldstændig ens, og MPPT-styringsparametrene for invertorerne er ens. Så, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, og induktorstrømmen for hver inverter er:
Det kan ses, at induktorstrømmen for hver inverter består af to dele: Den første er belastningsstrømmen, som er den samme for begge invertorer; den anden er cirkulerende strøm, relateret til amplituden, fasen og frekvensforskellen af invertorerne's outputspændinger.
I øjeblikket er hovedkontrolløgikken for invertorer i solcelleanlæg Maximum Power Point Tracking (MPPT). Solcellemoduler har interne og eksterne resistancer. Når MPPT-styring gør disse resistancer lige på et givent tidspunkt, opererer solcellemodulen ved maksimal effektpunkt. Tag figur 3 som eksempel, aktiv effekt P1 og reaktiv effekt Q1 udsendt af Inverter 1 er:
2.3 Opretholdelse af spændingen på ikke-fejl-grene
Tag figurer 2 og 3 som eksempler, fotovoltaiske strømstationer anvender normalt en koncentreret inverter-transformator layout, og kabelimpedancen mellem inverteren og transformator er ubetydelig. Med en almindelig dobbeltvindings-transformator falder spændingen på ikke-fejl-grenen til nul potentiale. I dette tilfælde bruges normalt relæbeskyttelse til at forsinke operationen af ikke-fejl-grenens bryder for at reducere fejlområdet. Dog kan denne metode muligvis ikke opfylde beskyttelseskravene for fotovoltaiske strømstationer. Hvis fjernelsestiden for fejl-grenen overstiger lavspændingsride-through-evnen af inverteren, vil ikke-fejl-grenen blive tvunget til at afkoble fra nettet, hvilket øger risikoen for at udvide fejlområdet.
Med en split-winding-transformator, pga. eksistensen af split-impedans, er kortslutningsstrømmen, der leveres af systemet, lig med at køre i halv-igennem-tilstanden af split-winding-transformator. Kortslutningsstrømmen, der leveres af ikke-fejl-gren-inverter, er lig med at køre i split-tilstanden af split-winding-transformator. Ved kortslutning, er outputspændingen U''2 af ikke-fejl-gren-inverter I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Efterhånden som højspændings siden er et uendeligt system, ifølge tidligere diskussion, I''s er meget større end I''p2. Derfor, den første del I''s × X'2 decay'er ikke og er større end den anden del I''p2 × (X''2 + X'''2).
Beregninger viser, at . Outputspændingen af ikke-fejl-gren-inverter kan mindst opretholdes på ca. 0.5Un. Ifølge lavspændings ride-through-kravene for fotovoltaiske strømstationer, er fjernelsestiden større end 1 s (50 cykluser). Således kan udvidet enhedsbelægning med split-winding-transformatorer pålideligt opfylde kravet om, at ikke-fejl-gren ikke afkobles fra nettet inden for fjernelsestiden for fejl-grenens bryder.
3 Konklusion
Split-winding-transformatorer er bredt anvendt i ingeniørarbejde, især velegnet til grid-connected fotovoltaiske strømstationer. Som diskuteret ovenfor, ligger deres fordele hovedsageligt i reduktion af kortslutningsstrøm, begrænsning af driftscirkulerende strøm, og opretholdelse af spændingen på ikke-fejl-grene. Baseret på ingeniørdesigneksempler, analyserer denne artikel teoretisk deres anvendelsesfordeler i fotovoltaiske strømstationer, hvilket giver en vis vejledende betydning for valg af kabelformer og udstyr i grid-connected fotovoltaiske strømstationsprojekter.
