Welche Vorteile bieten Spaltwicklungstransformatoren in netzgekoppelten Photovoltaik-Kraftwerken
Solarenergie als saubere und erneuerbare Energiequelle ist eine der Schlüsselenergien, die in China unterstützt werden. Sie verfügt über reiche theoretische Reserven (jährlich 17.000 Milliarden Tonnen Kohleäquivalent) und ein enormes Entwicklungspotenzial. Die Photovoltaik, die ursprünglich hauptsächlich in abgelegenen Gebieten ohne Netzanschluss betrieben wurde, entwickelt sich nun schnell in Richtung Gebäudeintegrierte Photovoltaik und großflächige Wüstenprojekte mit Netzanschluss.
Dieser Artikel analysiert Spaltwinding-Transformator in netzgebundenen Photovoltaik-Kraftwerken durch theoretische Analyse und ingenieurtechnische Beispiele.
1 Hauptstromkreismerkmale von netzgebundenen Photovoltaik-Kraftwerken
Der Hauptstromkreis von Photovoltaik-Kraftwerken hängt eng mit der Anordnung von Wechselrichtern zusammen: Verteilte Wechselrichter sind für Gebäudeintegrierte Projekte geeignet, während zentrale Wechselrichter für Wüstenphotovoltaik-Kraftwerke bevorzugt werden (um unter gleichmäßiger Beleuchtung durch zentrale Maximum-Power-Point-Tracking-MPPT optimale Stromerzeugung zu erreichen).
Allerdings ist es nicht immer vorteilhaft, mehr Strings oder größere Wechselrichterkapazitäten zu haben – Kabelstrecke, Spannungsabfall und Kosten-Nutzen-Verhältnis müssen berücksichtigt werden. Daher werden die Kabelstrecken von Strings zu Sammelkästen zu Wechselrichtern und die Flächen der Photovoltaik-Blöcke durch Investitionsrendite bestimmt. Für wirtschaftliche Optimierung liegt die Kapazität zentraler Wechselrichter in der Regel zwischen 500 kW und 630 kW.
Netzgebundene Photovoltaik-Kraftwerke verwenden hauptsächlich drei Hauptstromkreisschemata (siehe Abbildung 1). Das Einzelstring-Schema (mit Steigtransformatoren) ist einfach, erfordert aber viele Transformator. Das Großbauteil-Schema (mit Steigtransformatoren) ist das vorherrschende Design, das Kosten und Effizienz effektiv ausbalanciert.
In diesem Artikel werden die Vorteile des Einsatzes von Spaltwinding-Transformator für erweiterte Bauteilverkabelungen diskutiert. Im Vergleich zu normalen Doppelwicklungs-Transformator besteht jede Phase eines Doppelspaltwinding-Transformators aus einer Hochspannungswicklung und zwei Niederspannungswicklungen. Die Niederspannungswicklungen haben die gleiche Spannung und Kapazität, aber nur schwache magnetische Kopplung zwischen ihnen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Dieser Transformator hat in der Regel drei Betriebsmodi: Durchgangsbetrieb, Halbdurchgangsbetrieb und Spaltschaltung. Wenn mehrere Zweige der Spaltwicklung parallel zu einer gesamten Niederspannungswicklung geschaltet werden, um gegen die Hochspannungswicklung zu arbeiten, wird dies als Durchgangsbetrieb bezeichnet, und der Kurzschlussspannungswiderstand des Transformators wird als Durchgangsimpedanz X1 - 2. bezeichnet. Wenn ein Zweig der Niederspannungsspaltwicklung gegen die Hochspannungswicklung arbeitet, wird dies als Halbdurchgangsbetrieb bezeichnet, und der Kurzschlussspannungswiderstand wird als Halbdurchgangsimpedanz X1 - 2' bezeichnet. Wenn ein Zweig der Spaltwicklung gegen einen anderen Zweig arbeitet, wird dies als Spaltschaltung bezeichnet, und der Kurzschlussspannungswiderstand wird als Spaltimpedanz X2 - 2'. bezeichnet.
2 Vorteile von Spaltwinding-Transformator
Um die Diskussion zu erleichtern, werden technische Parameter von ausgereiften Produkten für eine quantitative Vergleich mit normalen Doppelwicklungs-Transformator angeführt. Nehmen wir einen 2500 kVA Spaltwinding-Transformator: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, Kurzschlussspannungswiderstandsprozent 6.5%, vollständiger Durchgangswiderstandsprozent 6.5%, Halbdurchgangswiderstandsprozent 11.7%, Spaltfaktor < 3.6%. Berechnungen ergeben:
Vollständiger Durchgangswiderstand: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Halbdurchgangswiderstand: X1 - 2' = X1 + X2
Einheitswerte:
Hochspannungsseitenzweigreaktion:
Niederspannungsseitenzweigreaktion:
2.1 Reduzieren des Kurzschlussstroms
Bei einem Kurzschluss an d1 in Abbildung 2 besteht der Kurzschlussstrom aus drei Komponenten: vom System (Hochspannungseite, mit nicht abklingenden periodischen Komponenten), Nichtfehlzweig I''p1, und Fehlzweig I''p2. Für den Niederspannungssicherungsautomaten auf dem Fehlzweig wird seine Unterbrechungskapazität unter Berücksichtigung der Summe des Systems und des Nichtfehlzweiges berechnet. Mit einem Spaltwinding-Transformator:
Systemversorgter Kurzschlussstrom:
Der Kurzschlussstrom eines Inverter-basierten dezentralen Netzes beträgt 2–4 Mal den Nennstrom (Dauer 1.2–5 ms, 0.06–0.25 Zyklen), und der Strom des Nichtfehlzweigs beträgt ~4 kA. Für einen normalen Doppelwicklungs-Transformator (für Vergleichbarkeit, nehmen wir an uk% = 6.5, gleich wie der vollständige Durchgangswiderstandsprozent des Spaltwinding-Transformators uk1 - 2%:
Der Einheitswiderstand ist：
Der systemversorgte Kurzschlussstrom ist：
mit zusätzlichen Beiträgen von Nichtfehlzweigen. Offensichtlich reduziert der Einsatz von Spaltwinding-Transformator für erweiterte Bauteilverkabelungen erheblich die Unterbrechungskapazitätsanforderungen für Niederspannungszweigsicherungsautomaten.
Angenommen, die Parameter der parallelen Module sind vollständig identisch und die MPPT-Steuerelementparameter der Wechselrichter sind gleich. Dann, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, und der Induktionsstrom jedes Wechselrichters ist:
Es kann gesehen werden, dass der Induktionsstrom jedes Wechselrichters aus zwei Teilen besteht: Der erste ist der Laststrom, der für beide Wechselrichter identisch ist; der zweite ist der Zirkulationsstrom, der mit der Amplitude, Phase und Frequenzunterschieden der Ausgangsspannungen der Wechselrichter verbunden ist.
Derzeit ist die Hauptsteuerlogik für Wechselrichter in PV-Kraftwerken die Maximale Leistungspunktsteuerung (MPPT). Solarmodulkomponenten haben interne und externe Widerstände. Wenn die MPPT-Steuerung diese Widerstände zu einem bestimmten Zeitpunkt gleich macht, arbeitet das PV-Modul am maximalen Leistungspunkt. Wie in Abbildung 3 dargestellt, sind die aktive Leistung P1 und die reaktive Leistung Q1 des Wechselrichters 1:
2.3 Aufrechterhaltung der Spannung der Nichtfehlzweige
Wie in Abbildung 2 und 3 gezeigt, nutzen Photovoltaik-Kraftwerke in der Regel eine zentrale Anordnung von Wechselrichter-Transformator, und der Kabelwiderstand zwischen Wechselrichter und Transformator ist vernachlässigbar. Bei einem normalen Doppelwicklungs-Transformator fällt die Spannung des Nichtfehlzweigs auf Nullpotenzial. In diesem Fall wird die Relaissteuerung in der Regel verwendet, um die Operation des Nichtfehlzweigsicherungsautomaten zu verzögern, um den Fehlerschutzbereich zu reduzieren. Allerdings kann diese Methode die Schutzanforderungen für Photovoltaik-Kraftwerke nicht erfüllen. Wenn die Entfernungsdauer des Fehlzweigs die Low-Voltage-Ride-Through-Fähigkeit des Wechselrichters überschreitet, wird der Nichtfehlzweig gezwungen, vom Netz abzuschalten, was das Risiko einer Erweiterung des Fehlers erhöht.
Mit einem Spaltwinding-Transformator, aufgrund der Existenz der Spaltimpedanz, ist der Kurzschlussstrom, der vom System bereitgestellt wird, äquivalent zum Halbdurchgangsbetrieb des Spaltwinding-Transformators. Der Kurzschlussstrom, der vom Wechselrichter des Nichtfehlzweigs bereitgestellt wird, ist äquivalent zum Spaltschaltbetrieb des Spaltwinding-Transformators. Zum Zeitpunkt des Kurzschlusses ist die Ausgangsspannung U''2 des Wechselrichters des Nichtfehlzweigs I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Da die Hochspannungseite ein unendliches System ist, ist nach der vorherigen Diskussion I''s viel größer als I''p2. Daher fällt der erste Teil I''s × X'2 nicht ab und ist größer als der zweite Teil I''p2 × (X''2 + X'''2).
Berechnungen zeigen, dass . Die Ausgangsspannung des Wechselrichters des Nichtfehlzweigs kann mindestens bei etwa 0.5Un gehalten werden. Gemäß den Low-Voltage-Ride-Through-Anforderungen des Photovoltaik-Kraftwerks beträgt die Entfernungsdauer mehr als 1 s (50 Zyklen). Daher kann die erweiterte Bauteilverkabelung mit Spaltwinding-Transformator sicherstellen, dass der Nichtfehlzweig innerhalb der Entfernungsdauer des Fehlzweigsicherungsautomaten nicht vom Netz getrennt wird.
3 Schlussfolgerung
Spaltwinding-Transformator finden in der Ingenieurwelt weit verbreitete Anwendung, besonders für netzgebundene Photovoltaik-Kraftwerke. Wie oben besprochen, liegen ihre Vorteile hauptsächlich in der Reduzierung des Kurzschlussstroms, der Einschränkung des Betriebszirkulationsstroms und dem Aufrechterhalten der Spannung der Nichtfehlzweige. Basierend auf ingenieurtechnischen Beispielen analysiert dieser Artikel ihre Anwendungs- und Vorteile in Photovoltaik-Kraftwerken, bietet bestimmte Leitlinien für die Auswahl von Verkabelungsformen und Ausrüstung in netzgebundenen Photovoltaik-Kraftwerksprojekten.
