¿Cuáles son las ventajas de los transformadores de bobina dividida en las estaciones fotovoltaicas conectadas a la red?
La energía solar, como una fuente de energía limpia y renovable, es una nueva energía clave que se apoya en China. Tiene reservas teóricas abundantes (17,000 mil millones de toneladas equivalentes a carbón estándar anualmente) y un enorme potencial de desarrollo. La generación de electricidad fotovoltaica, que antes operaba principalmente fuera de la red en áreas remotas, ahora se está desarrollando rápidamente hacia proyectos integrados en edificios y grandes proyectos conectados a la red en el desierto.
Este artículo analiza los transformadores de bobinado dividido en estaciones fotovoltaicas conectadas a la red a través de análisis teórico y casos de ingeniería.
1 Características del Circuito Principal de las Estaciones Fotovoltaicas Conectadas a la Red
El circuito principal de las estaciones fotovoltaicas está estrechamente relacionado con la disposición de los inversores: los inversores distribuidos son adecuados para proyectos integrados en edificios, mientras que los inversores centralizados son preferidos para estaciones fotovoltaicas en el desierto (para lograr la eficiencia óptima de generación de energía bajo iluminación uniforme a través del seguimiento de punto de máxima potencia - MPPT- centralizado).
Sin embargo, tener más cadenas o inversores de mayor capacidad no siempre es beneficioso; se deben considerar la distancia del cable, la caída de tensión y la relación costo-rendimiento. Por lo tanto, las longitudes de cable desde las cadenas hasta las cajas combinatorias hasta los inversores y las áreas de bloques fotovoltaicos se determinan por las tasas de retorno de la inversión. Para optimización económica, la capacidad de los inversores centralizados generalmente oscila entre 500 kW y 630 kW.
Las estaciones fotovoltaicas conectadas a la red adoptan principalmente tres esquemas de circuito principal (como se muestra en la Figura 1). El esquema de cadena única (con transformadores elevadores) es simple pero requiere un gran número de transformadores. El esquema de unidad grande (incorporando transformadores elevadores) es el diseño predominante, equilibrando eficazmente el costo y la eficiencia.
Este artículo discute las ventajas de usar transformadores de bobinado dividido para cableado de unidades expandidas. En comparación con los transformadores de doble bobinado ordinarios, cada fase de un transformador de doble bobinado dividido consta de un bobinado de alta tensión y dos bobinados de baja tensión. Los bobinados de baja tensión tienen la misma tensión y capacidad, pero solo una acoplamiento magnético débil entre ellos, como se muestra en la Figura 2.
Este transformador generalmente tiene tres modos de operación: operación a través, operación semia traviesa y operación dividida. Cuando varias ramas del bobinado dividido se paralelan en un bobinado de baja tensión total para operar contra el bobinado de alta tensión, se llama operación a través, y la impedancia de cortocircuito del transformador se llama impedancia a través X1 - 2. Cuando una rama del bobinado dividido de baja tensión opera contra el bobinado de alta tensión, se llama operación semia traviesa, y la impedancia de cortocircuito se llama impedancia semia traviesa X1 - 2'. Cuando una rama del bobinado dividido opera contra otra rama, se llama operación dividida, y la impedancia de cortocircuito se llama impedancia dividida X2 - 2'.
2 Ventajas de los Transformadores de Bobinado Dividido
Para facilitar la discusión, se citan parámetros técnicos de productos maduros para una comparación cuantitativa con transformadores de doble bobinado ordinarios. Tomemos un transformador de bobinado dividido de 2500 kVA: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, porcentaje de reactancia de cortocircuito 6.5%, porcentaje de reactancia completa a través 6.5%, porcentaje de reactancia semia traviesa 11.7%, coeficiente de división < 3.6%. Los cálculos dan:
Reactancia completa a través: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Reactancia semia traviesa: X1 - 2' = X1 + X2
Valores por unidad:
Reactancia de la rama del lado de alta tensión:
Reactancia de la rama del lado de baja tensión:
2.1 Reducción de la Corriente de Cortocircuito
Durante un cortocircuito en d1 en la Figura 2, la corriente de cortocircuito tiene tres componentes: del sistema (lado de alta tensión, con componentes periódicos no decrescentes), rama no defectuosa I''p1, y rama defectuosa I''p2. Para el interruptor de circuito de baja tensión en la rama defectuosa, su capacidad de interrupción considera la suma de las corrientes del sistema y de la rama no defectuosa. Con un transformador de bobinado dividido:
Corriente de cortocircuito suministrada por el sistema:
La corriente de cortocircuito de la energía distribuida de tipo inversor es 2-4 veces la corriente nominal (duración 1.2-5 ms, 0.06-0.25 ciclos), y la corriente de la rama no defectuosa es ~4 kA. Para un transformador de doble bobinado ordinario (por comparabilidad, supongamos uk% = 6.5, igual al porcentaje de reactancia completa a través del transformador de bobinado dividido uk1 - 2%:
La reactancia por unidad es：
La corriente de cortocircuito suministrada por el sistema es：
con contribuciones adicionales de las ramas no defectuosas. Claramente, el uso de transformadores de bobinado dividido para cableado de unidades expandidas reduce significativamente el requisito de capacidad de interrupción para los interruptores de circuito de baja tensión de las ramas.
Supongamos que los parámetros de los módulos paralelos son completamente iguales y los parámetros de control MPPT de los inversores son los mismos. Entonces, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, y la corriente del inductor de cada inversor es:
Se puede ver que la corriente del inductor de cada inversor consta de dos partes: La primera es la corriente de carga, que es la misma para ambos inversores; la segunda es la corriente circulante, relacionada con la amplitud, fase y diferencias de frecuencia de las tensiones de salida de los inversores.
Actualmente, la lógica de control principal para los inversores en las estaciones de energía fotovoltaica es el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Los módulos de células solares tienen resistencias internas y externas. Cuando el control MPPT hace que estas resistencias sean iguales en un cierto momento, el módulo fotovoltaico opera en el punto de máxima potencia. Tomando como ejemplo la Figura 3, la potencia activa P1 y la potencia reactiva Q1 emitidas por el Inversor 1 son:
2.3 Mantenimiento de la Tensión de las Ramas No Defectuosas
Tomando como ejemplos las Figuras 2 y 3, las estaciones de energía fotovoltaica generalmente adoptan una disposición de inversor centralizado-transformador, y la impedancia del cable entre el inversor y el transformador es despreciable. Con un transformador de doble bobinado ordinario, la tensión de la rama no defectuosa disminuye a cero potencial. En este caso, generalmente se utiliza la protección relé para retrasar la operación del interruptor de circuito de la rama no defectuosa para reducir el rango de eliminación de fallas. Sin embargo, este método puede no cumplir con los requisitos de protección para las estaciones de energía fotovoltaica. Si el tiempo de eliminación de la rama defectuosa excede la capacidad de paso por bajo voltaje del inversor, la rama no defectuosa se verá forzada a desconectarse de la red, aumentando el riesgo de expandir el rango de fallas.
Con un transformador de bobinado dividido, debido a la existencia de la impedancia dividida, la corriente de cortocircuito proporcionada por el sistema es equivalente a operar en el modo semia traviesa del transformador de bobinado dividido. La corriente de cortocircuito suministrada por el inversor de la rama no defectuosa es equivalente al modo de operación dividida del transformador de bobinado dividido. En el momento del cortocircuito, la tensión de salida U''2 del inversor de la rama no defectuosa es I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Dado que el lado de alta tensión es un sistema infinito, según la discusión anterior, I''s es mucho mayor que I''p2. Por lo tanto, la primera parte I''s × X'2 no decae y es mayor que la segunda parte I''p2 × (X''2 + X'''2).
Los cálculos muestran que . La tensión de salida del inversor de la rama no defectuosa se puede mantener al menos en aproximadamente 0.5Un. Según los requisitos de paso por bajo voltaje de la estación de energía fotovoltaica, el tiempo de eliminación es mayor de 1 s (50 ciclos). Por lo tanto, el cableado de unidades expandidas con transformadores de bobinado dividido puede cumplir confiablemente con el requisito de que la rama no defectuosa no se desconecte de la red dentro del tiempo de eliminación del interruptor de circuito de la rama defectuosa.
3 Conclusión
Los transformadores de bobinado dividido se utilizan ampliamente en la ingeniería, especialmente adecuados para estaciones de energía fotovoltaica conectadas a la red. Como se discutió anteriormente, sus ventajas principales radican en la reducción de la corriente de cortocircuito, la restricción de la corriente circulante de operación y el mantenimiento de la tensión de las ramas no defectuosas. Basado en ejemplos de diseño de ingeniería, este artículo analiza teóricamente sus ventajas de aplicación en estaciones de energía fotovoltaica, proporcionando cierta significación directriz para la selección de formas de cableado y equipos en proyectos de estaciones de energía fotovoltaica conectadas a la red.
