Quels sont les avantages des transformateurs à enroulement divisé dans les centrales photovoltaïques connectées au réseau
L'énergie solaire, en tant que source d'énergie propre et renouvelable, est l'une des principales nouvelles énergies soutenues en Chine. Elle possède des réserves théoriques abondantes (17 000 milliards de tonnes équivalent charbon par an) et un potentiel de développement énorme. La production photovoltaïque, qui fonctionnait principalement hors réseau dans les zones reculées, évolue désormais rapidement vers l'intégration au bâti et les projets à grande échelle connectés au réseau dans les déserts.
Ce document analyse les transformateurs à enroulement divisé dans les centrales photovoltaïques connectées au réseau à travers une analyse théorique et des cas d'ingénierie.
1 Caractéristiques principales du circuit principal des centrales photovoltaïques connectées au réseau
Le circuit principal des centrales photovoltaïques est étroitement lié aux dispositions des onduleurs : les onduleurs distribués sont adaptés aux projets intégrés au bâti, tandis que les onduleurs centralisés sont préférés pour les centrales photovoltaïques dans le désert (pour atteindre une efficacité optimale de production d'énergie sous un éclairage uniforme via le suivi optimal du point de puissance maximum - MPPT).
Cependant, avoir plus de chaînes ou des onduleurs de plus grande capacité n'est pas toujours bénéfique - la distance des câbles, la chute de tension et le rapport coût-efficacité doivent être pris en compte. Ainsi, les longueurs de câble des chaînes aux boîtiers de jonction aux onduleurs et les surfaces des blocs photovoltaïques sont déterminées par les ratios de retour sur investissement. Pour une optimisation économique, la capacité des onduleurs centralisés se situe généralement entre 500 kW et 630 kW.
Les centrales photovoltaïques connectées au réseau adoptent principalement trois schémas de circuit principal (comme illustré à la Figure 1). Le schéma à une seule chaîne (avec transformateurs élévateurs) est simple mais nécessite un grand nombre de transformateurs. Le schéma à grande unité (intégrant des transformateurs élévateurs) est le design dominant, équilibrant efficacement le coût et l'efficacité.
Ce document discute des avantages de l'utilisation de transformateurs à enroulement divisé pour le câblage à unité élargie. Comparativement aux transformateurs à double enroulement ordinaires, chaque phase d'un transformateur à double enroulement divisé se compose d'un enroulement haute tension et de deux enroulements basse tension. Les enroulements basse tension ont la même tension et capacité, mais seulement un couplage magnétique faible entre eux, comme illustré à la Figure 2.
Ce transformateur dispose généralement de trois modes de fonctionnement : le mode de passage, le mode de demi-passage et le mode de division. Lorsque plusieurs branches de l'enroulement divisé sont parallélisées en un enroulement basse tension total pour fonctionner contre l'enroulement haute tension, cela s'appelle le mode de passage, et l'impédance de court-circuit du transformateur est appelée impédance de passage X1 - 2. Lorsqu'une branche de l'enroulement basse tension divisé fonctionne contre l'enroulement haute tension, cela s'appelle le mode de demi-passage, et l'impédance de court-circuit est appelée impédance de demi-passage X1 - 2'. Lorsqu'une branche de l'enroulement divisé fonctionne contre une autre branche, cela s'appelle le mode de division, et l'impédance de court-circuit est appelée impédance de division X2 - 2'.
2 Avantages des transformateurs à enroulement divisé
Pour faciliter la discussion, les paramètres techniques de produits matures sont cités pour une comparaison quantitative avec les transformateurs à double enroulement ordinaires. Prenons un transformateur à enroulement divisé de 2500 kVA : 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, pourcentage de réactance de court-circuit 6.5%, pourcentage de réactance de passage total 6.5%, pourcentage de réactance de demi-passage 11.7%, coefficient de division < 3.6%. Les calculs donnent :
Réactance de passage total : X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Réactance de demi-passage : X1 - 2' = X1 + X2
Valeurs par unité :
Réactance de la branche côté haute tension :
Réactance de la branche côté basse tension :
2.1 Réduction du courant de court-circuit
Lors d'un court-circuit à d1 dans la Figure 2, le courant de court-circuit a trois composantes : provenant du système (côté haute tension, avec des composantes périodiques non décroissantes), la branche non défectueuse I''p1, et la branche défectueuse I''p2. Pour l'interrupteur basse tension sur la branche défectueuse, sa capacité de coupure prend en compte la somme des courants du système et de la branche non défectueuse. Avec un transformateur à enroulement divisé :
Courant de court-circuit fourni par le système :
Le courant de court-circuit de la puissance distribuée de type onduleur est de 2 à 4 fois le courant nominal (durée 1.2 à 5 ms, 0.06 à 0.25 cycles), et le courant de la branche non défectueuse est d'environ 4 kA. Pour un transformateur à double enroulement ordinaire (pour la comparabilité, supposons uk% = 6.5, identique au pourcentage de réactance de passage total du transformateur à enroulement divisé uk1 - 2%:
La réactance par unité est :
Le courant de court-circuit fourni par le système est :
avec des contributions supplémentaires des branches non défectueuses. Il est clair que l'utilisation de transformateurs à enroulement divisé pour le câblage à unité élargie réduit considérablement les exigences de capacité de coupure des interrupteurs basse tension des branches.
Supposons que les paramètres des modules parallèles soient complètement identiques et que les paramètres de contrôle MPPT des onduleurs soient les mêmes. Alors, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, et le courant de l'inducteur de chaque onduleur est :
On peut voir que le courant de l'inducteur de chaque onduleur se compose de deux parties : la première est le courant de charge, qui est le même pour les deux onduleurs ; la seconde est le courant circulant, lié à l'amplitude, la phase et la différence de fréquence des tensions de sortie des onduleurs.
Actuellement, la logique de contrôle principale des onduleurs dans les centrales photovoltaïques est le suivi du point de puissance maximum (MPPT). Les modules de cellules solaires ont des résistances internes et externes. Lorsque le contrôle MPPT rend ces résistances égales à un certain moment, le module photovoltaïque fonctionne au point de puissance maximale. En prenant la Figure 3 comme exemple, la puissance active P1 et la puissance réactive Q1 produites par l'Onduleur 1 sont :
2.3 Maintien de la tension des branches non défectueuses
En prenant les Figures 2 et 3 comme exemples, les centrales photovoltaïques adoptent généralement une disposition centralisée d'onduleurs-transformateurs, et l'impédance du câble entre l'onduleur et le transformateur est négligeable. Avec un transformateur à double enroulement ordinaire, la tension de la branche non défectueuse tombe à un potentiel nul. Dans ce cas, la protection par relais est généralement utilisée pour retarder l'opération de l'interrupteur de la branche non défectueuse afin de réduire la portée de la suppression de la panne. Cependant, cette méthode peut ne pas répondre aux exigences de protection des centrales photovoltaïques. Si le temps de suppression de la branche défectueuse dépasse la capacité de maintien de tension basse de l'onduleur, la branche non défectueuse sera forcée de se déconnecter du réseau, augmentant le risque d'élargir la portée de la panne.
Avec un transformateur à enroulement divisé, en raison de l'existence de l'impédance de division, le courant de court-circuit fourni par le système est équivalent au mode de demi-passage du transformateur à enroulement divisé. Le courant de court-circuit fourni par l'onduleur de la branche non défectueuse est équivalent au mode de division du transformateur à enroulement divisé. Au moment du court-circuit, la tension de sortie U''2 de l'onduleur de la branche non défectueuse est I''s × X'2 + I''p2 × (X''2 + X'''2). Étant donné que le côté haute tension est un système infini, selon la discussion précédente, I''s est beaucoup plus grand que I''p2. Par conséquent, la première partie I''s × X'2 ne décroît pas et est plus grande que la seconde partie I''p2 × (X''2 + X'''2).
Les calculs montrent que . La tension de sortie de l'onduleur de la branche non défectueuse peut être maintenue au moins à environ 0.5Un. Selon les exigences de maintien de tension basse des centrales photovoltaïques, le temps de suppression est supérieur à 1 s (50 cycles). Ainsi, le câblage à unité élargie avec des transformateurs à enroulement divisé peut répondre de manière fiable à l'exigence que la branche non défectueuse ne se déconnecte pas du réseau pendant le temps de suppression de l'interrupteur de la branche défectueuse.
3 Conclusion
Les transformateurs à enroulement divisé sont largement utilisés en ingénierie, particulièrement adaptés aux centrales photovoltaïques connectées au réseau. Comme discuté ci-dessus, leurs avantages reposent principalement sur la réduction du courant de court-circuit, la limitation du courant de circulation en fonctionnement et le maintien de la tension des branches non défectueuses. Sur la base d'exemples de conception d'ingénierie, ce document analyse théoriquement leurs avantages d'application dans les centrales photovoltaïques, fournissant une certaine signification directive pour la sélection des formes de câblage et de l'équipement dans les projets de centrales photovoltaïques connectées au réseau.
