Koji su prednosti transformatora s razdvojenim vikovima u fotovoltaičnim elektranama povezanim s mrežom

Sunčeva energija, kao čista i obnovljiva izvor energije, predstavlja ključnu novu energiju koja se podržava u Kini. Ima obilne teoretske rezerve (17.000 milijardi tona standardnog ugljena ekvivalentno godišnje) i ogroman potencijal za razvoj. Fotovoltaična proizvodnja elektriciteta, koja je jednom uglavnom funkcionirala izvan mreže u udaljenim područjima, sada se brzo razvija prema integraciji u građevine i velikim pustinjskim projektima vezanim za mrežu.

Ovaj rad analizira transformatore s razdvojenim zavojnicama u fotovoltaičnim elektranam vezanim za mrežu kroz teorijsku analizu i inženjerske primjere.

1 Glavne značajke glavnog kruga fotovoltaičnih elektranama vezanih za mrežu

Glavni krug fotovoltaičnih elektranama je tesno povezan s rasporedom invertera: distribuirani inverteri su prikladni za projekte integrirane u građevine, dok se centralni inverteri koriste u pustinjskim fotovoltaičnim elektranama (za postizanje optimalne efikasnosti proizvodnje elektriciteta uz uniformnu osvjetljenost putem centralnog praćenja točke maksimalne snage - MPPT).

Međutim, više nizova ili veće kapacitete invertera ne uvijek su korisni – treba uzeti u obzir dužinu kabela, pad napona i omjer cijene i performansi. Stoga, dužine kabela od nizova do kombinatorskih kutija, do invertera i površine fotovoltaičnih blokova odlučuju se na temelju omjera ulaganja i povratka. Za ekonomsku optimizaciju, kapacitet centralnih invertera tipično se kreće od 500 kW do 630 kW.

Fotovoltaične elektrane vezane za mrežu uglavnom koriste tri glavne sheme glavnog kruga (kao što je prikazano na Slici 1). Jednostavna shema s jednim nizom (s step-up transformatorima) je jednostavna, ali zahtijeva veliki broj transformatora. Shema s velikim agregatima (uključujući step-up transformatore) je dominantan dizajn, koji učinkovito balansira troškove i efikasnost.

Ovaj rad raspravlja o prednostima korištenja transformatora s razdvojenim zavojnicama za proširenu jedinicu. U usporedbi s običnim transformatorima s dvostrukim zavojnicama, svaki faza dvostrukog transformatora s razdvojenim zavojnicama sastoji se od jedne visokonaponske zavojnice i dvije niskonaponske zavojnice. Niskonaponske zavojnice imaju isti napon i kapacitet, ali samo slaba magnetna spojnica između njih, kao što je prikazano na Slici 2.

Ovaj transformator tipično ima tri načina rada: prolazni rad, poluprolazni rad i razdvojeni rad. Kada se nekoliko grana razdvojene zavojnice paralelno spaja u ukupnu niskonaponsku zavojnicu za rad protiv visokonaponske zavojnice, to se naziva prolazni rad, a kratkostrujni otpor transformatora se naziva prolazni otpor X_{1 - 2}. Kada jedna granica niskonaponske razdvojene zavojnice radi protiv visokonaponske zavojnice, to se naziva poluprolazni rad, a kratkostrujni otpor se naziva poluprolazni otpor X_{1 - 2'}. Kada jedna granica razdvojene zavojnice radi protiv druge grane, to se naziva razdvojeni rad, a kratkostrujni otpor se naziva razdvojeni otpor X_{2 - 2'}.

2 Prednosti transformatora s razdvojenim zavojnicama

Za lakšu raspravu, citiraju se tehnički parametri zrelih proizvoda za kvantitativnu usporedbu s običnim transformatorima s dvostrukim zavojnicama. Uzmimo 2500 kVA transformator s razdvojenim zavojnicama: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, postotak kratkostrujnog reaktanca 6.5%, puni prolazni reaktanc 6.5%, poluprolazni reaktanc 11.7%, koeficijent razdvajanja < 3.6%. Izračuni daju:

Puni prolazni reaktanc: X_{1 - 2} = X₁ + X₂ // X₂

Poluprolazni reaktanc: X_{1 - 2'} = X₁ + X₂   

Per-unit vrijednosti:

Reaktanc grane visokonaponske strane:

Reaktanc grane niskonaponske strane:

2.1 Smanjenje kratkostrujnog toka

Tijekom kratkog spoja na d₁ na Slici 2, kratkostrujni tok ima tri komponente: iz sustava (visokonaponska strana, s periodičkim komponentama koje ne opadaju), neispravna granica I''_p1, i ispravna granica I''_p2. Za prekidnik niskonaponske strane na ispravnoj granici, njegova prekidna sposobnost uzima u obzir zbroj sistema i neispravne grane. Sa transformatorom s razdvojenim zavojnicama:

Kratkostrujni tok dostavljen iz sustava:

Kratkostrujni tok distribuirane moći invertora je 2-4 puta nominalni tok (trajanje 1.2-5 ms, 0.06-0.25 ciklusa), a tok neispravne grane je ~4 kA. Za obični transformator s dvostrukim zavojnicama (za usporedivost, pretpostavimo u_k% = 6.5, isto kao puni prolazni reaktanc transformatora s razdvojenim zavojnicama u_{k1 - 2%}:

Per-unit reaktanc je：

Kratkostrujni tok dostavljen iz sustava je：

uz dodatne doprinose neispravnih grana. Jasno, korištenje transformatora s razdvojenim zavojnicama za proširenu jedinicu znatno smanjuje zahtjeve za prekidnu sposobnost prekidnika niskonaponske strane.

Pretpostavimo da su parametri paralelnih modula potpuno isti i kontrolni parametri MPPT invertera su isti. Tada C₁ = C₂ = C, L₁ = L₂ = L, a tok induktora svakog invertera je:

Može se vidjeti da se tok induktora svakog invertera sastoji od dvije komponente: prva je tok opterećenja, koji je isti za obje invertere; druga je cirkulacijski tok, povezan s amplitudom, fazom i frekvencijskim razlikama izlaznih napona invertera.

Trenutno, glavna logika upravljanja inverterima u fotovoltaičnim elektranama je Praćenje Točke Maksimalne Snage (MPPT). Fotocelije imaju unutarnji i vanjski otpor. Kada kontrola MPPT u jednom trenutku ove otporne čine jednake, fotovoltaični modul radi na točki maksimalne snage. Uzimajući sliku 3 kao primjer, aktivna snaga P₁ i reaktivna snaga Q₁ isporučene od Invertera 1 su:

2.3 Održavanje napona neispravnih grana

Uzimajući Slike 2 i 3 kao primjer, fotovoltaične elektrane obično koriste centralni raspored invertera-transformatora, a impedancija kabela između invertera i transformatora je zanemariva. Sa običnim transformatorom s dvostrukim zavojnicama, napon neispravne grane pada na nultu potencijalnu razinu. U ovom slučaju, obično se koristi reljefna zaštita kako bi se odgodila operacija prekidnika neispravne grane kako bi se smanjio opseg uklanjanja greške. Međutim, ovaj metod možda ne ispunjava zahtjeve za zaštitu fotovoltaičnih elektranama. Ako vrijeme uklanjanja ispravne grane premaši mogućnosti prelaska niskog napona invertera, neispravna granica će biti prisiljena da se odvoji od mreže, povećavajući rizik od proširenja opsega greške.

Sa transformatorom s razdvojenim zavojnicama, zbog postojanja razdvojenog otpora, kratkostrujni tok dostavljen iz sustava je ekvivalentan radu u poluprolaznom načinu rada transformatora s razdvojenim zavojnicama. Kratkostrujni tok dostavljen iz invertera neispravne grane je ekvivalentan radu u razdvojenom načinu rada transformatora s razdvojenim zavojnicama. U trenutku kratkog spoja, izlazni napon U''₂ invertera neispravne grane je I''_s × X'₂+ I''_p2× (X''₂ + X'''₂). Budući da je visokonaponska strana beskonačan sustav, prema prethodnoj raspravi, I''_s je mnogo veći od I''_p2. Stoga, prvi dio I''_s × X'₂ ne opada i veći je od drugog dijela I''_p2 × (X''₂ + X'''₂).

Izračuni pokazuju da je U''s > I''s × X'2 = 185 V. Izlazni napon invertera neispravne grane može se održati najmanje na oko 0.5U_n. Prema zahtjevima za prelazom niskog napona fotovoltaičnih elektranama, vrijeme uklanjanja je veće od 1 s (50 ciklusa). Stoga, proširena jedinica s transformatorima s razdvojenim zavojnicama može pouzdano zadovoljiti zahtjev da neispravna granica ne odvoji od mreže unutar vremena uklanjanja prekidnika ispravne grane.

3 Zaključak

Transformatori s razdvojenim zavojnicama široko se koriste u inženjerstvu, posebno su prikladni za fotovoltaične elektrane vezane za mrežu. Kao što je gore raspravljano, njihove prednosti uglavnom leže u smanjenju kratkostrujnog toka, ograničavanju radnog cirkulacijskog toka i održavanju napona neispravnih grana. Na temelju inženjerskih primjera dizajna, ovaj rad teoretski analizira njihove prednosti u primjeni u fotovoltaičnim elektranama, pružajući određeno vodičko značenje za odabir formi provodnica i opreme u projektima fotovoltaičnih elektranama vezanih za mrežu.