Wat zijn de voordelen van split-winding transformatoren in aangesloten fotovoltaïsche energiecentrales?
Zonne-energie, als een schone en hernieuwbare energiebron, is een belangrijke nieuwe energie die in China wordt gesteund. Het heeft enorme theoretische reserves (17.000 miljard ton steenkool-equivalent per jaar) en enorm ontwikkelingspotentieel. Fotovoltaïsche opwekking, die oorspronkelijk voornamelijk off-grid werkte in afgelegen gebieden, evolueert nu snel naar gebouwgeïntegreerde fotovoltaïka en grote woestijngebonden grid-verbonden projecten.
Dit artikel analyseert split-winding transformatoren in grid-verbonden fotovoltaïsche krachtcentrales door middel van theoretische analyse en ingenieurscases.
1 Hoofdcircuitkenmerken van grid-verbonden fotovoltaïsche krachtcentrales
Het hoofdcircuit van fotovoltaïsche krachtcentrales is nauw verbonden met inverteropstellingen: gedistribueerde inverters zijn geschikt voor gebouwgeïntegreerde projecten, terwijl centrale inverters de voorkeur genieten voor woestijnfotovoltaïsche krachtcentrales (om optimale opwekkingsrendement te behalen onder uniforme verlichting via centrale Maximum Power Point Tracking - MPPT).
Echter, meer strings of grotere invertercapaciteiten zijn niet altijd gunstig – kabelafstand, spanningsval en prijs-prestatieverhouding moeten worden meegewogen. Daarom worden de kabellengtes van strings naar combinerboxen naar inverters en de oppervlakten van fotovoltaïsche blokken bepaald door investeringsrendement. Voor economische optimalisatie ligt de capaciteit van centrale inverters meestal tussen 500 kW en 630 kW.
Grid-verbonden fotovoltaïsche krachtcentrales nemen voornamelijk drie hoofdcircuitschema's aan (zoals weergegeven in Figuur 1). Het enkele-string schema (met stroomverhogende transformatoren) is eenvoudig maar vereist een groot aantal transformatoren. Het grote-eenheidsschema (met stroomverhogende transformatoren) is de mainstreamontwerp, dat kosten en efficiëntie effectief in evenwicht brengt.
Dit artikel bespreekt de voordelen van het gebruik van split-winding transformatoren voor uitgebreide-eenheidsbedrading. In vergelijking met gewone dubbele-winding transformatoren bestaat elke fase van een dubbele-split winding transformatoren uit één hoogspanningswinding en twee laagspanningswindingen. De laagspanningswindingen hebben dezelfde spanning en capaciteit, maar slechts zwakke magnetische koppeling tussen hen, zoals weergegeven in Figuur 2.
Deze transformatoren hebben doorgaans drie bedrijfsmodi: doorloopbedrijf, half-doorloopbedrijf en splitbedrijf. Wanneer verschillende takken van de splitwinding parallel worden gesloten tot een totale laagspanningswinding om tegen de hoogspanningswinding te werken, wordt dit doorloopbedrijf genoemd, en de kortsluitimpedantie van de transformatoren wordt doorloopimpedantie X1 - 2. Wanneer één tak van de laagspanningsplitwinding werkt tegen de hoogspanningswinding, wordt dit half-doorloopbedrijf genoemd, en de kortsluitimpedantie wordt half-doorloopimpedantie X1 - 2'. Wanneer één tak van de splitwinding werkt tegen een andere tak, wordt dit splitbedrijf genoemd, en de kortsluitimpedantie wordt splitimpedantie X2 - 2'.
2 Voordelen van split-winding transformatoren
Voor een gemakkelijker discussie worden technische parameters van gerijpte producten geciteerd voor een kwantitatieve vergelijking met gewone dubbele-winding transformatoren. Neem een 2500 kVA split-winding transformatoren: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, kortsluitreactantiepercentage 6.5%, volledige doorloopreactantiepercentage 6.5%, half-doorloopreactantiepercentage 11.7%, splitscoëfficiënt < 3.6%. Berekeningen geven:
Volledige doorloopreactantie: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Half-doorloopreactantie: X1 - 2' = X1 + X2
Per-unit waarden:
Hoogspanningszijde takreactantie:
Laagspanningszijde takreactantie:
2.1 Verminderen van kortsluitstroom
Tijdens een kortsluiting bij d1 in Figuur 2, heeft de kortsluitstroom drie componenten: van het systeem (hoogspanningszijde, met niet-vervagende periodieke componenten), niet-fouttak I''p1, en fouttak I''p2. Voor de laagspanningscircuitbreker op de fouttak, wordt de uitschakelcapaciteit beschouwd als de som van de stroom van het systeem en de niet-fouttak. Met een split-winding transformatoren:
Systeemgeleverde kortsluitstroom:
Inverter-type verdeelde vermogens kortsluitstroom is 2-4 keer de nominale stroom (duur 1.2-5 ms, 0.06-0.25 cycli), en de niet-fouttakstroom is ~4 kA. Voor een gewone dubbele-winding transformatoren (voor vergelijkbaarheid, neem aan uk% = 6.5, hetzelfde als het volledige doorloopreactantiepercentage van de split-winding transformatoren uk1 - 2%:
De per-unit reactantie is：
De systeemgeleverde kortsluitstroom is：
met extra bijdragen van niet-fouttakken. Duidelijk, het gebruik van split-winding transformatoren voor uitgebreide-eenheidsbedrading vermindert aanzienlijk de uitschakelcapaciteitvereisten voor laagspanningszijde takcircuitbrekers.
Neem aan dat de parameters van de parallelle modules volledig hetzelfde zijn en de MPPT-controleparameters van de inverters hetzelfde zijn. Dan, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, en de inductiestroom van elke inverter is:
Het kan worden gezien dat de inductiestroom van elke inverter bestaat uit twee delen: Het eerste is de belastingsstroom, die hetzelfde is voor beide inverters; het tweede is de circulerende stroom, gerelateerd aan de amplitude, fase en frequentieverschillen van de outputspanningen van de inverters.
Momenteel is de belangrijkste controlelogica voor inverters in PV-krachtcentrales Maximum Power Point Tracking (MPPT). Zonnecelmodules hebben interne en externe weerstanden. Wanneer MPPT-controle deze weerstanden op een bepaald moment gelijk maakt, werkt de PV-module op het maximumvermogenpunt. Neem Figuur 3 als voorbeeld, de actieve vermogens P1 en reactiviteitsvermogens Q1 die door Inverter 1 worden uitgebracht zijn:
2.3 Behouden van spanning van niet-fouttakken
Met Figuur 2 en 3 als voorbeeld, gebruiken fotovoltaïsche krachtcentrales meestal een centrale inverter-transformatorenopstelling, en de kabelimpedantie tussen de inverter en transformatoren is verwaarloosbaar. Met een gewone dubbele-winding transformatoren, zakt de spanning van de niet-fouttak naar nul potentieel. In dit geval wordt overwegend relaisbescherming gebruikt om de werking van de niet-fouttak circuitbreker te vertragen om het foutverwijderingsbereik te verkleinen. Echter, deze methode voldoet mogelijk niet aan de beschermingsvereisten voor fotovoltaïsche krachtcentrales. Als de verwijderingstijd van de fouttak de lage-spanning doorlooptijd van de inverter overstijgt, zal de niet-fouttak gedwongen zijn zich van het netwerk te ontkoppelen, wat het risico op het vergroten van het foutbereik verhoogt.
Met een split-winding transformatoren, door de aanwezigheid van splitimpedantie, is de kortsluitstroom die door het systeem wordt geleverd equivalent aan het werken in de half-doorloopmodus van de split-winding transformatoren. De kortsluitstroom die door de inverter van de niet-fouttak wordt geleverd, is equivalent aan de splitmodus van de split-winding transformatoren. Op het moment van kortsluiting is de outputspanning U''2 van de inverter van de niet-fouttak I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Aangezien de hoogspanningszijde een oneindig systeem is, volgens de vorige discussie, is I''s veel groter dan I''p2. Daarom de eerste term I''s × X'2 vervaagt niet en is groter dan de tweede term I''p2 × (X''2 + X'''2).
Berekeningen tonen aan dat . De outputspanning van de inverter van de niet-fouttak kan minstens op ongeveer 0.5Un worden behouden. Volgens de lage-spanning doorlooptijdvereisten van de fotovoltaïsche krachtcentrale, is de verwijderingstijd groter dan 1 s (50 cycli). Dus, de uitgebreide-eenheidsbedrading met split-winding transformatoren kan betrouwbaar voldoen aan de vereiste dat de niet-fouttak niet van het netwerk wordt ontkoppeld binnen de verwijderingstijd van de circuitbreker van de fouttak.
3 Conclusie
Split-winding transformatoren worden wijdverspreid toegepast in de ingenieurswetenschappen, vooral geschikt voor grid-verbonden fotovoltaïsche krachtcentrales. Zoals hierboven besproken, liggen hun voordelen voornamelijk in het verminderen van de kortsluitstroom, beperken van de operatielocale circulerende stroom, en behouden van de spanning van de niet-fouttakken. Op basis van ingenieursontwerpvoorbeelden, analyseert dit artikel theoretisch hun toepassingsvoordelen in fotovoltaïsche krachtcentrales, wat bepaalde richtlijnen biedt voor de keuze van bedradingsvormen en apparatuur in grid-verbonden fotovoltaïsche krachtcentraleprojecten.
