Que vantaxes ofrecen os transformadores de bobinado dividido nas centrais fotovoltaicas conectadas á rede
A enerxía solar, como fonte de enerxía limpa e renovable, é unha nova enerxía clave apoiada en China. Ten reservas teóricas abundantes (17.000 billóns de toneladas equivalentes a carbón estándar anualmente) e un enorme potencial de desenvolvemento. A xeración de enerxía fotovoltaica, que antes operaba principalmente fora da rede en áreas remotas, está evolucionando rapidamente cara á integración de edificios e proxectos de conexión a gran escala baseados no deserto.
Este artigo analiza os transformadores de bobinado dividido nas centrais eléctricas fotovoltaicas conectadas á rede a través do análise teórica e casos de enxeñaría.
1 Características Principais do Circuíto Principal das Centrais Eléctricas Fotovoltaicas Conectadas á Rede
O circuito principal das centrais eléctricas fotovoltaicas está estreitamente relacionado coa disposición dos inversores: os inversores distribuídos son adecuados para proxectos de integración de edificios, mentres que os inversores centralizados son preferidos para as centrais eléctricas fotovoltaicas no deserto (para lograr a máxima eficiencia de xeración de enerxía baixo iluminación uniforme mediante o seguimento de punto de potencia máxima - MPPT- centralizado).
No entanto, ter máis cadenas ou inversores de maior capacidade non sempre é beneficioso, xa que hai que considerar a distancia do cable, a caída de tensión e a relación coste-rendemento. Polo tanto, as longitudes dos cables dende as cadeas ata as cajas combinadoras e aos inversores e as áreas dos bloques fotovoltaicos están determinadas polas ratios de retorno da inversión. Para a optimización económica, a capacidade dos inversores centralizados xeralmente oscila entre 500 kW e 630 kW.
As centrais eléctricas fotovoltaicas conectadas á rede adoptan principalmente tres esquemas de circuito principal (como se mostra na Figura 1). O esquema de unha única cadena (con transformadores elevadores) é simple pero require un gran número de transformadores. O esquema de grande unidade (incorporando transformadores elevadores) é o deseño dominante, equilibrando eficazmente o custo e a eficiencia.
Este artigo discute as vantaxes do uso de transformadores de bobinado dividido para a conexión de unidades expandidas. En comparación cos transformadores de dobre bobinado comúns, cada fase dun transformador de dobre bobinado dividido consiste nun bobinado de alta tensión e dous bobinados de baixa tensión. Os bobinados de baixa tensión teñen a mesma tensión e capacidade, pero só un acoplamento magnético débil entre eles, como se mostra na Figura 2.
Este transformador xeralmente ten tres modos de funcionamento: modo de paso, modo de medio paso e modo de división. Cando varias ramas do bobinado dividido están paralelizadas nun bobinado de baixa tensión total para operar contra o bobinado de alta tensión, chámase modo de paso, e a impedancia de curto-circuíto do transformador chámase impedancia de paso X1 - 2. Cando unha rama do bobinado de baixa tensión dividido opera contra o bobinado de alta tensión, chámase modo de medio paso, e a impedancia de curto-circuíto chámase impedancia de medio paso X1 - 2'. Cando unha rama do bobinado dividido opera contra outra rama, chámase modo de división, e a impedancia de curto-circuíto chámase impedancia de división X2 - 2'.
2 Vantaxes dos Transformadores de Bobinado Dividido
Para facilitar a discusión, citanse parámetros técnicos de produtos maduros para unha comparación cuantitativa con transformadores de dobre bobinado comúns. Tomemos un transformador de bobinado dividido de 2500 kVA: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, porcentaxe de reactancia de curto-circuíto 6.5%, porcentaxe de reactancia de paso completo 6.5%, porcentaxe de reactancia de medio paso 11.7%, coeficiente de división < 3.6%. As cálculos dan:
Reactancia de paso completo: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Reactancia de medio paso: X1 - 2' = X1 + X2
Valores por unidade:
Reactancia da rama do lado de alta tensión:
Reactancia da rama do lado de baixa tensión:
2.1 Redución da Corrente de Curto-Circuíto
Durante un curto-circuíto en d1 na Figura 2, a corrente de curto-circuíto ten tres compoñentes: do sistema (lado de alta tensión, con compoñentes periódicos non decrescentes), rama non defectuosa I''p1, e rama defectuosa I''p2. Para o interruptor de circuito do lado de baixa tensión na rama defectuosa, a súa capacidade de interrupción considera a suma das correntes do sistema e da rama non defectuosa. Con un transformador de bobinado dividido:
Corrente de curto-circuíto suministrada polo sistema:
A corrente de curto-circuíto de enerxía distribuída tipo inversor é 2-4 veces a corrente nominal (duración 1.2-5 ms, 0.06-0.25 ciclos), e a corrente da rama non defectuosa é ~4 kA. Para un transformador de dobre bobinado común (para comparabilidade, supoñamos uk% = 6.5, igual que a porcentaxe de reactancia de paso completo do transformador de bobinado dividido uk1 - 2%:
A reactancia por unidade é：
A corrente de curto-circuíto suministrada polo sistema é：
con contribucións adicionais das ramas non defectuosas. Claramente, o uso de transformadores de bobinado dividido para a conexión de unidades expandidas reduce significativamente o requisito de capacidade de interrupción para os interruptores de circuito do lado de baixa tensión.
Supoñamos que os parámetros dos módulos en paralelo son completamente os mesmos e que os parámetros de control MPPT dos inversores son os mesmos. Entón, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, e a corrente do inductor de cada inversor é:
Pódese ver que a corrente do inductor de cada inversor consta de dúas partes: A primeira é a corrente de carga, que é a mesma para ambos os inversores; a segunda é a corrente circulante, relacionada coa amplitud, fase e diferenzas de frecuencia das voltaxes de saída dos inversores.
Actualmente, a lóxica de control principal para os inversores nas centrais eléctricas fotovoltaicas é o Seguimento do Punto de Potencia Máxima (MPPT). Os módulos de células solares teñen resistencias internas e externas. Cando o control MPPT fai que estas resistencias sexan iguais nun momento determinado, o módulo fotovoltaico opera no punto de potencia máxima. Tomando a Figura 3 como exemplo, a potencia activa P1 e a potencia reactiva Q1 producidas polo Inversor 1 son:
2.3 Mantemento da Tensión das Ramas Non Defectuosas
Tomando as Figuras 2 e 3 como exemplos, as centrais eléctricas fotovoltaicas xeralmente adoptan un dispoñemento de inversor-transformador centralizado, e a impedancia do cable entre o inversor e o transformador é desprezable. Con un transformador de dobre bobinado común, a tensión da rama non defectuosa desprégase a potencial cero. Neste caso, xeralmente úsase a protección relé para retardar a operación do interruptor de circuito da rama non defectuosa para reducir o alcance de remoción do fallo. No entanto, este método pode non cumprir os requisitos de protección para as centrais eléctricas fotovoltaicas. Se o tempo de remoción da rama defectuosa excede a capacidade de travesía de baixa tensión do inversor, a rama non defectuosa será forzada a desconectar da rede, aumentando o risco de expandir o alcance do fallo.
Con un transformador de bobinado dividido, debido á existencia de impedancia de división, a corrente de curto-circuíto suministrada polo sistema é equivalente a operar no modo de medio paso do transformador de bobinado dividido. A corrente de curto-circuíto suministrada polo inversor da rama non defectuosa é equivalente ao modo de división do transformador de bobinado dividido. No momento do curto-circuíto, a tensión de saída U''2 do inversor da rama non defectuosa é I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Como o lado de alta tensión é un sistema infinito, segundo a discusión anterior, I''s é moito maior que I''p2. Polo tanto, a primeira parte I''s × X'2 non decrece e é maior que a segunda parte I''p2 × (X''2 + X'''2).
Os cálculos mostran que . A tensión de saída do inversor da rama non defectuosa pode manterse polo menos en cerca de 0.5Un. Segundo os requisitos de travesía de baixa tensión da central eléctrica fotovoltaica, o tempo de remoción é maior de 1 s (50 ciclos). Así, a conexión de unidades expandidas con transformadores de bobinado dividido pode satisfacer fiabelmente o requisito de que a rama non defectuosa non se desconecte da rede dentro do tempo de remoción do interruptor de circuito da rama defectuosa.
3 Conclusión
Os transformadores de bobinado dividido son ampliamente utilizados en enxeñaría, especialmente adecuados para as centrais eléctricas fotovoltaicas conectadas á rede. Como se discutió anteriormente, as súas vantaxes principais residem en reducir a corrente de curto-circuíto, restrinxir a corrente circulante de operación e manter a tensión das ramas non defectuosas. Basándose en exemplos de deseño de enxeñaría, este artigo analiza teoricamente as súas vantaxes de aplicación en centrais eléctricas fotovoltaicas, proporcionando un certo significado orientador para a selección de formas de conexión e equipos en proxectos de centrais eléctricas fotovoltaicas conectadas á rede.
