Mik a szétválasztott tekercses transzformátorok előnyei a hálózathoz csatlakoztatott napelemparkokban?

A napelem energia, mint tiszta és megújuló energiaforrás, egy kulcsfontosságú új energiaforrás Kínában. Rendkívül gazdag elméleti tartalékja van (17 000 milliárd tonna szén-kolostegyevalenség évente) és hatalmas fejlesztési potenciálja. A fotovoltaikus villamosenergia-termelés, amely korábban elsősorban távoli területeken működött hálón kívül, most gyorsan fejlődik épület-beépíthető fotovoltaikus projektek és nagy léptékű pusztai hálózathoz kapcsolt projektek felé.

Ez a tanulmány elméleti elemzést és mérnöki eseteket használ arra, hogy a hálózathoz kapcsolt fotovoltaikus telepekben használt osztott tekercsű transzformátorokat elemezi.

1. A hálózathoz kapcsolt fotovoltaikus telepek fő áramkörje jellemzői

A fotovoltaikus telepek fő áramkörje szorosan összefügg az inverterek elrendezésével: a szórási inverterek alkalmasak épület-beépíthető projektekre, míg a központi inverterek a pusztai fotovoltaikus telepek esetében (egyenletes megvilágítás mellett a centrális Maximum Power Point Tracking - MPPT segítségével optimális termelési hatékonyság eléréséhez) előnyben részesülnek.

Azonban több szál vagy nagyobb kapacitású inverter nem mindig előnyös – a kábelek távolsága, a feszültségcsökkenés és a költség-hatékonyság is figyelembe kell venni. Így a szálakból a kombinációs dobozokba, onnan pedig az inverterekbe vezető kábelek hossza, valamint a fotovoltaikus blokkok területe befektetési-visszafizetési arányon alapul. Gazdasági optimalizálás céljából a központi inverterek kapacitása általában 500 kW és 630 kW között van.

A hálózathoz kapcsolt fotovoltaikus telepek három fő áramkör-sémát alkalmaznak (lásd Ábra 1). Az egyes szál sémája (emelő transzformátorral) egyszerű, de sok transzformátort igényel. A nagy egység sémája (emelő transzformátorokkal) a főstreamben helyezkedik el, hatékonyan egyensúlyozva a költségeket és a hatékonyságot.

Ez a tanulmány a bővített egység vezetésére használt osztott tekercsű transzformátorok előnyeit tárgyalja. Egy szabályos kép-tekercsű transzformátorhoz képest, az osztott tekercsű transzformátor minden fázisa egy magasfeszültségi tekercs és két alacsonyfeszültségi tekercs. Az alacsonyfeszültségi tekercsek ugyanolyan feszültséget és kapacitást mutatnak, de csak gyenge mágneses kölcsönhatás van közöttük, lásd Ábra 2.

Ez a transzformátor általában három módra működik: átmeneti működés, fél-átmeneti működés és osztott működés. Ha az osztott tekercs több ágát párhuzamosan összekötve egy teljes alacsonyfeszültségi tekercsbe állítják, ami a magasfeszültségi tekercs ellen működik, akkor átmeneti működésről beszélünk, és a transzformátor rövidzárlati ellenállását átmeneti ellenállásnak nevezik \(X_{1 - 2}\). Ha az alacsonyfeszültségi osztott tekercs egy ága a magasfeszültségi tekercs ellen működik, akkor fél-átmeneti működésről van szó, és a rövidzárlati ellenállást fél-átmeneti ellenállásnak nevezik \(X_{1 - 2'}\). Ha az osztott tekercs egy ága egy másik ág ellen működik, akkor osztott működésről van szó, és a rövidzárlati ellenállást osztott ellenállásnak nevezik \(X_{2 - 2'}\).

2. Az osztott tekercsű transzformátorok előnyei

A könnyebb megbeszélést szolgálóan, a megbízható termékek technikai paramétereit idézik a szabályos kép-tekercsű transzformátorokkal végzett kvantitatív összehasonlítás céljából. Vegyünk például egy 2500 kVA-os osztott tekercsű transzformátort: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, rövidzárlati reaktancia százaléka 6.5%, teljes átmeneti reaktancia százaléka 6.5%, fél-átmeneti reaktancia százaléka 11.7%, osztási tényező < 3.6%. A számítások alapján:

Teljes átmeneti reaktancia: \(X_{1 - 2} = X_1 + X_2 // X_2\)

Fél-átmeneti reaktancia: X_{1 - 2'} = X₁ + X₂   

Per unit értékek:

Magasfeszültségi oldali ág reaktancia:

Alacsonyfeszültségi oldali ág reaktancia:

2.1. Rövidzárlati áramerősség csökkentése

A rövidzárlat esetén, mint az Ábra 2-ben látható \(d_1\) pontban, a rövidzárlati áramerősség három komponensből áll: a rendszerből (magasfeszültségi oldal, nem romló periódikus komponensekkel), a nem hibás ágból \(I''_{p1}\) és a hibás ágból \(I''_{p2}\). A hibás ágon lévő alacsonyfeszültségi áramkörszakító szakadási kapacitása a rendszer és a nem hibás ág áramerősségeinek összegét veszi figyelembe. Az osztott tekercsű transzformátor esetén:

A rendszer által ellátott rövidzárlati áramerősség:

Inverter típusú szórási erőforrás rövidzárlati áramerőssége 2–4-szerese a nominális áramerősségnek (időtartama 1.2–5 ms, 0.06–0.25 ciklus), és a nem hibás ág áramerőssége kb. 4 kA. Egy szabályos kép-tekercsű transzformátor esetén (összehasonlíthatóság érdekében, feltételezzük, hogy \(u_k\% = 6.5\), ugyanúgy, mint az osztott tekercsű transzformátor teljes átmeneti reaktancia százaléka \(u_{k1 - 2}\%\)):

A per unit reaktancia:

A rendszer által ellátott rövidzárlati áramerősség:

a nem hibás ágok további hozzájárulásával. Nyilvánvaló, hogy az osztott tekercsű transzformátorok használata bővített egység vezetésére jelentősen csökkenti az alacsonyfeszültségi oldali ágok áramkörszakítóinak szakadási kapacitási követelményeit.

Tegyük fel, hogy a párhuzamos modulok paraméterei teljesen azonosak, és az inverterek MPPT-irányítási paramétereie is azonosak. Ekkor \(C_1 = C_2 = C\), \(L_1 = L_2 = L\), és minden inverter induktor áramerőssége:

Látható, hogy minden inverter induktor áramerőssége két részből áll: Az első a terhelési áramerősség, ami mindkét inverter esetében azonos; a második pedig a cirkuláris áramerősség, ami az inverterek kimeneti feszültségeinek amplitúdójával, fázisszögével és frekvenciájával kapcsolatos.

Jelenleg a fotovoltaikus telepek invertereinél a fő irányítási logika a Maximum Power Point Tracking (MPPT). A napelemelemeknek belső és külső ellenállása van. Amikor az MPPT-irányítás bizonyos pillanatban ezen ellenállásokat egyenlővé teszi, a fotovoltaikus elem a maximális teljesítményi pontban működik. A 3. ábra példájának megfelelően, az Inverter 1 által kibocsátott aktív teljesítmény \(P_1\) és reaktív teljesítmény \(Q_1\):

2.3. Nem hibás ágok feszültségének fenntartása

A 2. és 3. ábra példájának megfelelően, a fotovoltaikus telepek általában központi inverter-transzformátor elrendezést alkalmaznak, és az inverter és a transzformátor közötti kábel-ellenállás elhanyagolható. Egy szabályos kép-tekercsű transzformátor esetén a nem hibás ág feszültsége nullává válik. Ilyen esetben általában a relévédelem késlelteti a nem hibás ág áramkörszakítójának működését, hogy csökkentse a hiba eltávolítási tartományát. Ez a módszer azonban nem feltétlenül felel meg a fotovoltaikus telepek védelmi követelményeinek. Ha a hibás ág eltávolítási ideje meghaladja az inverter alacsonyfeszültségi átmeneti képességét, a nem hibás ág kényszerül a hálózattól való leválasztásra, ami növeli a hiba kiterjedésének kockázatát.

Az osztott tekercsű transzformátor esetén, a szakasz ellenállás miatt, a rendszer által ellátott rövidzárlati áramerősség ekvivalens az osztott tekercsű transzformátor fél-átmeneti módjával. A nem hibás ág inverter által ellátott rövidzárlati áramerősség ekvivalens az osztott tekercsű transzformátor osztott módjával. A rövidzárlat pillanatában a nem hibás ág inverter kimeneti feszültsége \(U''_2\) \(I''_{s} \times X'_{2} + I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\). Mivel a magasfeszültségi oldal végtelen rendszer, a korábbi beszéd szerint, \(I''_{s}\) sokkal nagyobb, mint \(I''_{p2}\). Tehát az első rész, \(I''_{s} \times X'_{2}\), nem romlik el, és nagyobb, mint a második rész, \(I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\).

A számítások szerint \(U''_2 > I''_{s} \times X'_{2} = 185 \, \text{V}\). A nem hibás ág inverter kimeneti feszültsége legalább \(0.5U_n\) körül marad. A fotovoltaikus telepek alacsonyfeszültségi átmeneti követelményeinek megfelelően, az eltávolítási idő nagyobb, mint 1 s (50 ciklus). Így az osztott tekercsű transzformátorok használata bővített egység vezetésére megbízhatóan teljesíti a követelményt, hogy a nem hibás ág a hibás ág áramkörszakító eltávolítási ideje alatt ne legyen leválasztva a hálózattól.

3. Következtetés

Az osztott tekercsű transzformátorok széles körben használódnak a mérnöki gyakorlatban, különösen a hálózathoz kapcsolt fotovoltaikus telepek esetében. Ahogy fentebb említettük, előnyeik elsősorban abban nyilvánulnak, hogy csökkentik a rövidzárlati áramerősséget, korlátozzák a működési cirkuláris áramerősséget, és fenntartják a nem hibás ágok feszültségét. A mérnöki tervezési példák alapján ez a tanulmány elméletileg elemezte a fotovoltaikus telepekben való alkalmazásuk előnyeit, így bizonyos iránymutatást nyújt a hálózathoz kapcsolt fotovoltaikus telepek projektjeiben a vezetési formák és berendezések kiválasztásához.