چه مزایایی برای ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده در ایستگاه‌های توان خورشیدی متصل به شبکه وجود دارد

با این حال، داشتن تعداد بیشتری رشته یا وارونگرهای با ظرفیت بیشتر همیشه مفید نیست—فاصله کابل، کاهش ولتاژ و نسبت هزینه-عملکرد باید در نظر گرفته شود. بنابراین، طول کابل‌ها از رشته‌ها به جعبه‌های ترکیب و وارونگرها و مساحت بلوک‌های فتوولتائیک توسط نسبت بازده سرمایه‌گذاری تعیین می‌شوند. برای بهینه‌سازی اقتصادی، ظرفیت وارونگرهای متمرکز معمولاً بین ۵۰۰ کیلووات تا ۶۳۰ کیلووات متغیر است.

ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه عمدتاً سه طرح مدار اصلی (همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است) را می‌پذیرند. طرح یک رشته‌ای (با ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ) ساده است اما نیاز به تعداد زیادی ترانسفورماتور دارد. طرح واحد بزرگ (با ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ) طراحی اصلی است که به طور موثری هزینه و کارایی را متعادل می‌کند.

این مقاله مزایای استفاده از ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده برای سیم‌کشی واحد گسترده را بحث می‌کند. در مقایسه با ترانسفورماتورهای دو پیچشی معمولی، هر فاز یک ترانسفورماتور با پیچش دو بخشی شامل یک پیچش ولتاژ بالا و دو پیچش ولتاژ پایین است. پیچش‌های ولتاژ پایین ولتاژ و ظرفیت یکسانی دارند اما فقط کوپل مغناطیسی ضعیفی بین آنها وجود دارد، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است.

این ترانسفورماتور معمولاً سه حالت کاری دارد: عملکرد عبوری، عملکرد نیمه‌عبوری و عملکرد تقسیم‌شده. وقتی چند شاخه پیچش تقسیم‌شده به صورت موازی به یک پیچش ولتاژ پایین کلی تبدیل شده و در مقابل پیچش ولتاژ بالا عمل می‌کنند، به آن عملکرد عبوری گفته می‌شود و امپدانس کوتاه‌مدار ترانسفورماتور را امپدانس عبوری X_1-2 می‌نامند. وقتی یک شاخه پیچش ولتاژ پایین تقسیم‌شده در مقابل پیچش ولتاژ بالا عمل می‌کند، به آن عملکرد نیمه‌عبوری گفته می‌شود و امپدانس کوتاه‌مدار آن را امپدانس نیمه‌عبوری X_1-2' می‌نامند. وقتی یک شاخه پیچش تقسیم‌شده در مقابل یک شاخه دیگر عمل می‌کند، به آن عملکرد تقسیم‌شده گفته می‌شود و امپدانس کوتاه‌مدار آن را امپدانس تقسیم‌شده X_2-2' می‌نامند.

مزایای ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده

برای بحث آسان‌تر، پارامترهای فنی محصولات رسیده به سن اوج برای مقایسه کمی با ترانسفورماتورهای دو پیچشی معمولی استفاده می‌شود. یک ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده ۲۵۰۰ kVA را در نظر بگیرید: ۳۷ ± ۲×۲.۵% / ۰.۳۶ kV / ۰.۳۶ kV، ۵۰ Hz، درصد واکنش کوتاه‌مدار ۶.۵٪، واکنش کامل عبوری ۶.۵٪، واکنش نیمه‌عبوری ۱۱.۷٪، ضریب تقسیم < ۳.۶٪. محاسبات نشان می‌دهند:

واکنش کامل عبوری: X_1-2 = X₁ + X₂ // X₂

واکنش نیمه‌عبوری: X_1-2' = X₁ + X₂

مقادیر واحد:

واکنش شاخه ولتاژ بالا:

واکنش شاخه ولتاژ پایین:

کاهش جریان کوتاه‌مدار

در زمان کوتاه‌مدار در d₁ در شکل 2، جریان کوتاه‌مدار سه مؤلفه دارد: از سیستم (شاخه ولتاژ بالا، با مؤلفه‌های دوره‌ای غیرفنی)، شاخه غیرخطای I''_p1 و شاخه خطای I''_p2. برای قطع‌کننده مدار کم ولتاژ در شاخه خطا، ظرفیت قطع آن مجموع جریان‌های سیستم و شاخه غیرخطا را در نظر می‌گیرد. با استفاده از ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده:

جریان کوتاه‌مدار تامین‌شده توسط سیستم:

جریان کوتاه‌مدار توزیع‌شده نوع وارونگر ۲ تا ۴ برابر جریان اسمی (مدت ۱.۲ تا ۵ میلی‌ثانیه، ۰.۰۶ تا ۰.۲۵ چرخه) و جریان شاخه غیرخطا حدود ۴ kA است. برای یک ترانسفورماتور دو پیچشی معمولی (برای قابلیت مقایسه، فرض کنید u_k% = ۶.۵، همانند درصد واکنش کامل عبوری ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده u_k1-2%:

واکنش واحد است:

جریان کوتاه‌مدار تامین‌شده توسط سیستم است:

با مشارکت‌های اضافی از شاخه‌های غیرخطا. واضح است که استفاده از ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده برای سیم‌کشی واحد گسترده به طور قابل توجهی نیاز به ظرفیت قطع قطع‌کننده‌های مدار کم ولتاژ را کاهش می‌دهد.

فرض کنید پارامترهای ماژول‌های موازی کاملاً یکسان هستند و پارامترهای کنترل MPPT وارونگرها یکسان هستند. در این صورت C₁ = C₂ = C، L₁ = L₂ = L و جریان القایی هر وارونگر است:

می‌توان دید که جریان القایی هر وارونگر از دو بخش تشکیل شده است: اول جریان بار که برای هر دو وارونگر یکسان است؛ دوم جریان چرخه‌ای که مربوط به اختلاف دامنه، فاز و فرکانس ولتاژ خروجی وارونگرها است.

در حال حاضر، منطق کنترل اصلی وارونگرها در ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک تعیین نقطه قدرت ماکسیمم (MPPT) است. ماژول‌های سلول خورشیدی مقاومت‌های داخلی و خارجی دارند. وقتی کنترل MPPT این مقاومت‌ها را در لحظه‌ای معادل می‌کند، ماژول فتوولتائیک در نقطه قدرت ماکسیمم عمل می‌کند. به عنوان مثال در شکل ۳، توان فعال P₁ و توان غیرفعال Q₁ خروجی وارونگر ۱ هستند:

حفظ ولتاژ شاخه‌های غیرخطا

به عنوان مثال در شکل‌های ۲ و ۳، ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک معمولاً از چیدمان متمرکز وارونگر-ترانسفورماتور استفاده می‌کنند و امپدانس کابل بین وارونگر و ترانسفورماتور قابل چشم‌پوشی است. با یک ترانسفورماتور دو پیچشی معمولی، ولتاژ شاخه غیرخطا به صفر پتانسیل می‌رسد. در این صورت، معمولاً از محافظی برای تأخیر در عملکرد قطع‌کننده مدار کم ولتاژ شاخه غیرخطا استفاده می‌شود تا محدوده حذف خطای کاهش یابد. با این حال، این روش ممکن است نیازهای محافظی را برای ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک برآورده نکند. اگر زمان حذف شاخه خطا بیش از توانایی عبور از ولتاژ کم وارونگر باشد، شاخه غیرخطا مجبور خواهد شد از شبکه جدا شود که خطر گسترش محدوده خطا را افزایش می‌دهد.

با یک ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده، به دلیل وجود امپدانس تقسیم، جریان کوتاه‌مدار تامین‌شده توسط سیستم معادل عملکرد نیمه‌عبوری ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده است. جریان کوتاه‌مدار تامین‌شده توسط وارونگر شاخه غیرخطا معادل عملکرد تقسیم ترانسفورماتور با پیچش تقسیم‌شده است. در لحظه کوتاه‌مدار، ولتاژ خروجی U''₂ وارونگر شاخه غیرخطا است I''_s × X'₂ + I''_p2 × (X''₂ + X'''₂). از آنجا که سمت ولتاژ بالا یک سیستم بی‌نهایت است، طبق بحث قبلی، I''_s بسیار بیشتر از I''_p2 است. بنابراین، بخش اول I''_s × X'₂ غیرفنی نیست و بزرگتر از بخش دوم I''_p2 × (X''₂ + X'''₂) است.

محاسبات نشان می‌دهند که U''₂ > I''_s × X'₂ = ۱۸۵ V. ولتاژ خروجی وارونگر شاخه غیرخطا حداقل حدود ۰.۵U_n حفظ می‌شود. بر اساس نیازهای عبور از ولتاژ کم ایستگاه تولید برق فتوولتائیک، زمان حذف بیش از ۱ ثانیه (۵۰ چرخه) است. بنابراین، سیم‌کشی واحد گسترده با ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده می‌تواند به طور قابل اعتماد نیاز به عدم جدا شدن شاخه غیرخطا از شبکه در طول زمان حذف قطع‌کننده مدار کم ولتاژ شاخه خطا را برآورده کند.

نتیجه‌گیری

ترانسفورماتورهای با پیچش تقسیم‌شده به طور گسترده در مهندسی استفاده می‌شوند، به ویژه برای ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه مناسب هستند. همانطور که در بالا بحث شد، مزایای اصلی آنها در کاهش جریان کوتاه‌مدار، محدود کردن جریان چرخه‌ای عملیاتی و حفظ ولتاژ شاخه‌های غیرخطا است. این مقاله از طریق مثال‌های طراحی مهندسی، مزایای استفاده از آنها در ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک را تحلیل می‌کند و برای انتخاب فرم‌های سیم‌کشی و تجهیزات در پروژه‌های ایستگاه‌های تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه راهنمایی معینی ارائه می‌دهد.