Jakie są zalety transformatorów z rozdzielonymi cewkami w sieciowych stacjach fotowoltaicznych
Energia słoneczna, jako czyste i odnawialne źródło energii, jest kluczowym nowym rodzajem energii wspieranym w Chinach. Ma obfite teoretyczne zasoby (17 000 miliardów ton odpowiednika węgla rocznie) i ogromny potencjał rozwoju. Fotowoltaika, która kiedyś działała głównie w trybie odizolowanym w odległych rejonach, teraz szybko ewoluuje w kierunku integracji z budynkami i dużych projektów sieciowych w pustyniach.
W niniejszym artykule analizujemy transformatory z podziałem cewek w stacjach fotowoltaicznych połączonych z siecią poprzez analizę teoretyczną i przypadki inżynieryjne.
1 Główny układ elektryczny stacji fotowoltaicznych połączonych z siecią
Główny obwód stacji fotowoltaicznych jest ściśle związany z układem inwerterów: rozproszone inwertery są odpowiednie dla projektów integracji z budynkami, podczas gdy centralne inwertery są preferowane w stacjach fotowoltaicznych w pustyni (aby osiągnąć optymalną wydajność generowania energii przy jednorodnym oświetleniu za pomocą centralnego śledzenia maksymalnego punktu mocy - MPPT).
Jednak posiadanie większej liczby ciągów lub inwerterów o większej pojemności nie zawsze jest korzystne - należy wziąć pod uwagę odległość kabli, spadki napięcia i kosztowo-wydajność. Dlatego długości kabli od ciągów do skrzynek łączących, a następnie do inwerterów oraz obszary bloków fotowoltaicznych są określone przez proporcje zwrotu z inwestycji. W celu optymalizacji ekonomicznej, pojemność centralnych inwerterów zwykle mieści się w zakresie od 500 kW do 630 kW.
Stacje fotowoltaiczne połączone z siecią przede wszystkim stosują trzy główne schematy obwodów głównych (jak pokazano na Rysunku 1). Schemat pojedynczego ciągu (z transformatorami wzmacniającymi) jest prosty, ale wymaga dużej liczby transformatorów. Schemat dużych jednostek (zawierający transformatory wzmacniające) jest mainstreamowym rozwiązaniem, efektywnie bilansując koszt i wydajność.
W niniejszym artykule omówiono zalety stosowania transformatorów z podziałem cewek dla rozszerzonego układu przewodów. W porównaniu z zwykłymi transformatorami dwucewkowymi, każda faza transformatora z podwójnym podziałem cewek składa się z jednej cewki wysokiego napięcia i dwóch cewek niskiego napięcia. Cewki niskiego napięcia mają takie same napięcie i pojemność, ale tylko słabą magnetyczną sprzężenie między nimi, jak pokazano na Rysunku 2.
Ten transformator zwykle ma trzy tryby pracy: praca przepuszczalna, półprzepuszczalna i podzielona. Gdy kilka gałęzi cewki podzielonej jest połączonych równolegle do całkowitej cewki niskiego napięcia do pracy przeciwko cewce wysokiego napięcia, nazywa się to pracą przepuszczalną, a opór krótkiego zwarcia transformatora nazywa się oporem przepuszczalnym X1 - 2. Gdy jedna gałąź cewki niskiego napięcia podzielonej działa przeciwko cewce wysokiego napięcia, nazywa się to pracą półprzepuszczalną, a opór krótkiego zwarcia nazywa się oporem półprzepuszczalnym X1 - 2'. Gdy jedna gałąź cewki podzielonej działa przeciwko innej gałęzi, nazywa się to pracą podzieloną, a opór krótkiego zwarcia nazywa się oporem podzielonym X2 - 2'.
2 Zalety transformatorów z podziałem cewek
Dla łatwiejszej dyskusji, cytowane są parametry techniczne dojrzałych produktów do ilościowego porównania z zwykłymi transformatorami dwucewkowymi. Weźmy 2500 kVA transformator z podziałem cewek: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, procentowy opór krótkiego zwarcia 6.5%, pełny opór przepuszczalny 6.5%, półprzepuszczalny opór 11.7%, współczynnik podziału < 3.6%. Obliczenia dają:
Pełny opór przepuszczalny: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Półprzepuszczalny opór: X1 - 2' = X1 + X2
Wartości jednostkowe:
Opór gałęzi strony wysokiego napięcia:
Opór gałęzi strony niskiego napięcia:
2.1 Redukcja prądu krótkiego zwarcia
Podczas krótkiego zwarcia w d1 na Rysunku 2, prąd krótkiego zwarcia ma trzy składowe: z systemu (strony wysokiego napięcia, z niemalejącymi okresowymi składnikami), niefaworyzowanej gałęzi I''p1, i gałęzi z uszkodzeniem I''p2. Dla przekaźnika obwodowego niskiego napięcia na gałęzi z uszkodzeniem, jego zdolność przerywania uwzględnia sumę prądów systemu i niefaworyzowanej gałęzi. Z transformatorem z podziałem cewek:
Prąd krótkiego zwarcia dostarczany przez system:
Prąd krótkiego zwarcia z dystrybuowanego źródła inwertera wynosi 2-4 razy prąd nominalny (trwanie 1.2-5 ms, 0.06-0.25 cykli), a prąd niefaworyzowanej gałęzi wynosi około 4 kA. Dla zwykłego transformatora dwucewkowego (dla porównywania, załóżmy uk% = 6.5, tak samo jak procentowy opór przepuszczalny transformatora z podziałem cewek uk1 - 2%:
Opór jednostkowy to:
Prąd krótkiego zwarcia dostarczany przez system to:
z dodatkowymi wkładami z niefaworyzowanych gałęzi. Wyraźnie, stosowanie transformatorów z podziałem cewek dla rozszerzonego układu przewodów znacznie redukuje wymagania dotyczące zdolności przerywania przekaźników obwodowych strony niskiego napięcia.
Założono, że parametry modułów równoległych są całkowicie takie same i parametry sterowania MPPT inwerterów są takie same. Wtedy C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, a prąd induktorów każdego inwertera to:
Można zauważyć, że prąd induktorów każdego inwertera składa się z dwóch części: Pierwsza to prąd obciążenia, który jest taki sam dla obu inwerterów; druga to prąd krążący, związany z amplitudą, fazą i różnicą częstotliwości napięć wyjściowych inwerterów.
Obecnie główna logika sterowania inwerterami w stacjach PV to śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT). Moduły komórek słonecznych mają opory wewnętrzne i zewnętrzne. Gdy sterowanie MPPT sprawia, że te opory są równe w pewnym momencie, moduł PV działa w punkcie maksymalnej mocy. Na przykład, biorąc pod uwagę Rysunek 3, moc czynna P1 i moc bierna Q1 wyjściowa Inwertera 1 to:
2.3 Utrzymywanie napięcia niefaworyzowanych gałęzi
Biorąc pod uwagę Rysunki 2 i 3, stacje fotowoltaiczne zazwyczaj stosują ustawienie centralnego inwertera-transformatora, a impedancja kabla między inwerterem a transformatorem jest zaniedbywalna. Z zwykłym transformatorem dwucewkowym, napięcie niefaworyzowanej gałęzi spada do potencjału zero. W tym przypadku, zwykle używa się ochrony relacyjnej, aby opóźnić działanie przekaźnika obwodowego niefaworyzowanej gałęzi, zmniejszając zakres usuwania uszkodzeń. Jednak ta metoda może nie spełniać wymogów ochrony stacji fotowoltaicznych. Jeśli czas usuwania gałęzi z uszkodzeniem przekracza zdolność przejazdu napięcia niskiego inwertera, niefaworyzowana gałąź będzie musiała zostać oderwana od sieci, zwiększając ryzyko rozszerzenia zakresu uszkodzenia.
Z transformatorem z podziałem cewek, ze względu na istnienie oporu podziału, prąd krótkiego zwarcia dostarczany przez system jest równoważny pracy w trybie półprzepuszczalnym transformatora z podziałem cewek. Prąd krótkiego zwarcia dostarczany przez inwerter niefaworyzowanej gałęzi jest równoważny trybowi podzielonemu transformatora z podziałem cewek. W momencie krótkiego zwarcia, napięcie wyjściowe U''2 inwertera niefaworyzowanej gałęzi wynosi I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Ponieważ strona wysokiego napięcia jest nieskończonym systemem, zgodnie z wcześniejszą dyskusją, I''s jest znacznie większy niż I''p2. Dlatego pierwsza część I''s × X'2 nie ulega zanikowi i jest większa niż druga część I''p2 × (X''2 + X'''2).
Obliczenia pokazują, że . Napięcie wyjściowe inwertera niefaworyzowanej gałęzi może być utrzymane co najmniej na poziomie około 0.5Un. Zgodnie z wymaganiami przejazdu napięcia niskiego stacji fotowoltaicznej, czas usuwania jest większy niż 1 s (50 cykli). Tak więc, rozszerzony układ przewodów z transformatorami z podziałem cewek może wiarygodnie spełnić wymóg, aby niefaworyzowana gałąź nie była odłączana od sieci w ciągu czasu usuwania przekaźnika obwodowego gałęzi z uszkodzeniem.
3 Podsumowanie
Transformatory z podziałem cewek są szeroko stosowane w inżynierii, szczególnie nadają się dla stacji fotowoltaicznych połączonych z siecią. Jak omówiono powyżej, ich zalety polegają głównie na redukcji prądu krótkiego zwarcia, ograniczaniu prądu krążącego w pracy i utrzymywaniu napięcia niefaworyzowanych gałęzi. Na podstawie przykładów inżynieryjnych, ten artykuł teoretycznie analizuje ich zalety w zastosowaniach w stacjach fotowoltaicznych, dostarczając pewnego znaczenia kierującego dla wyboru form przewodów i sprzętu w projektach stacji fotowoltaicznych połączonych z siecią.
