Quais são as vantagens dos transformadores de enrolamento dividido em estações de energia fotovoltaica conectadas à rede?
A energia solar, como uma fonte de energia limpa e renovável, é uma nova energia-chave apoiada na China. Possui reservas teóricas abundantes (17.000 bilhões de toneladas equivalentes a carvão anualmente) e enorme potencial de desenvolvimento. A geração de energia fotovoltaica, que antes operava principalmente fora da rede em áreas remotas, está agora evoluindo rapidamente para a integração de fotovoltaicos em edifícios e projetos de grande escala baseados no deserto e conectados à rede.
Este artigo analisa transformadores de enrolamento dividido em estações de energia fotovoltaica conectadas à rede através de análise teórica e casos de engenharia.
1 Características do Circuito Principal de Estações de Energia Fotovoltaica Conectadas à Rede
O circuito principal das estações de energia fotovoltaica está intimamente relacionado aos layouts dos inversores: inversores distribuídos são adequados para projetos integrados a edifícios, enquanto inversores centralizados são preferidos para estações de energia fotovoltaica no deserto (para alcançar a eficiência de geração de energia ótima sob iluminação uniforme através do rastreamento de ponto de potência máxima centralizado - MPPT).
No entanto, ter mais strings ou inversores de maior capacidade nem sempre é benéfico - a distância do cabo, a queda de tensão e o custo-benefício precisam ser considerados. Portanto, os comprimentos dos cabos das strings até as caixas de combinação e inversores e as áreas dos blocos fotovoltaicos são determinados pelas taxas de retorno do investimento. Para otimização econômica, a capacidade dos inversores centralizados geralmente varia de 500 kW a 630 kW.
As estações de energia fotovoltaica conectadas à rede adotam principalmente três esquemas de circuito principal (como mostrado na Figura 1). O esquema de string única (com transformadores elevadores) é simples, mas requer um grande número de transformadores. O esquema de unidade grande (incorporando transformadores elevadores) é o design predominante, equilibrando efetivamente custo e eficiência.
Este artigo discute as vantagens do uso de transformadores de enrolamento dividido para fiação de unidade expandida. Em comparação com transformadores de duplo enrolamento comuns, cada fase de um transformador de duplo enrolamento dividido consiste em um enrolamento de alta tensão e dois enrolamentos de baixa tensão. Os enrolamentos de baixa tensão têm a mesma tensão e capacidade, mas apenas acoplamento magnético fraco entre eles, conforme mostrado na Figura 2.
Este transformador geralmente tem três modos de operação: operação total, operação semi-total e operação dividida. Quando vários ramos do enrolamento dividido são paralelizados em um enrolamento de baixa tensão total para operar contra o enrolamento de alta tensão, isso é chamado de operação total, e a impedância de curto-circuito do transformador é chamada de impedância total X1 - 2. Quando um ramo do enrolamento dividido de baixa tensão opera contra o enrolamento de alta tensão, isso é chamado de operação semi-total, e a impedância de curto-circuito é chamada de impedância semi-total X1 - 2'. Quando um ramo do enrolamento dividido opera contra outro ramo, isso é chamado de operação dividida, e a impedância de curto-circuito é chamada de impedância dividida X2 - 2'.
2 Vantagens dos Transformadores de Enrolamento Dividido
Para facilitar a discussão, são citados parâmetros técnicos de produtos maduros para comparação quantitativa com transformadores de duplo enrolamento comuns. Considere um transformador de enrolamento dividido de 2500 kVA: 37 ± 2×2,5% / 0,36 kV / 0,36 kV, 50 Hz, porcentagem de reatância de curto-circuito 6,5%, reatância total 6,5%, reatância semi-total 11,7%, coeficiente de divisão < 3,6%. Os cálculos dão:
Reatância total: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Reatância semi-total: X1 - 2' = X1 + X2
Valores por unidade:
Reatância do ramo do lado de alta tensão:
Reatância do ramo do lado de baixa tensão:
2.1 Redução da Corrente de Curto-Circuito
Durante um curto-circuito em d1 na Figura 2, a corrente de curto-circuito tem três componentes: do sistema (lado de alta tensão, com componentes periódicos não decrescentes), ramo não defeituoso I''p1, e ramo defeituoso I''p2. Para o disjuntor de baixa tensão no ramo defeituoso, sua capacidade de interrupção considera a soma das correntes do sistema e do ramo não defeituoso. Com um transformador de enrolamento dividido:
Corrente de curto-circuito fornecida pelo sistema:
A corrente de curto-circuito de potência distribuída de inversor é 2-4 vezes a corrente nominal (duração 1,2-5 ms, 0,06-0,25 ciclos), e a corrente do ramo não defeituoso é ~4 kA. Para um transformador de duplo enrolamento comum (para comparabilidade, assuma uk% = 6,5, o mesmo que a porcentagem de reatância total do transformador de enrolamento dividido uk1 - 2%:
A reatância por unidade é:
A corrente de curto-circuito fornecida pelo sistema é:
com contribuições adicionais dos ramos não defeituosos. Claramente, o uso de transformadores de enrolamento dividido para fiação de unidade expandida reduz significativamente o requisito de capacidade de interrupção para disjuntores de baixa tensão nos ramos laterais.
Assuma que os parâmetros dos módulos paralelos são completamente iguais e os parâmetros de controle MPPT dos inversores são os mesmos. Então, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, e a corrente do indutor de cada inversor é:
Pode-se ver que a corrente do indutor de cada inversor consiste em duas partes: a primeira é a corrente de carga, que é a mesma para ambos os inversores; a segunda é a corrente circulante, relacionada às diferenças de amplitude, fase e frequência das tensões de saída dos inversores.
Atualmente, a lógica de controle principal para inversores em estações de energia fotovoltaica é o Rastreamento de Ponto de Potência Máxima (MPPT). Módulos de células solares possuem resistências internas e externas. Quando o controle MPPT faz essas resistências iguais em um determinado momento, o módulo fotovoltaico opera no ponto de potência máxima. Tomando a Figura 3 como exemplo, a potência ativa P1 e a potência reativa Q1 fornecidas pelo Inversor 1 são:
2.3 Manutenção da Tensão dos Ramos Não Defeituosos
Tomando as Figuras 2 e 3 como exemplos, as estações de energia fotovoltaica geralmente adotam um layout de inversor centralizado-transformador, e a impedância do cabo entre o inversor e o transformador é negligenciável. Com um transformador de duplo enrolamento comum, a tensão do ramo não defeituoso cai para zero potencial. Nesse caso, a proteção relé é geralmente usada para atrasar a operação do disjuntor do ramo não defeituoso para reduzir a faixa de remoção do defeito. No entanto, este método pode não atender aos requisitos de proteção para estações de energia fotovoltaica. Se o tempo de remoção do ramo defeituoso exceder a capacidade de passagem por baixa tensão do inversor, o ramo não defeituoso será forçado a se desconectar da rede, aumentando o risco de expansão da faixa de defeito.
Com um transformador de enrolamento dividido, devido à existência de impedância dividida, a corrente de curto-circuito fornecida pelo sistema é equivalente à operação no modo semi-total do transformador de enrolamento dividido. A corrente de curto-circuito fornecida pelo inversor do ramo não defeituoso é equivalente ao modo de operação dividida do transformador de enrolamento dividido. No momento do curto-circuito, a tensão de saída U''2 do inversor do ramo não defeituoso é I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Como o lado de alta tensão é um sistema infinito, conforme a discussão anterior, I''s é muito maior que I''p2. Portanto, a primeira parte I''s × X'2 não decai e é maior que a segunda parte I''p2 × (X''2 + X'''2).
Os cálculos mostram que . A tensão de saída do inversor do ramo não defeituoso pode ser mantida pelo menos em cerca de 0.5Un. De acordo com os requisitos de passagem por baixa tensão da estação de energia fotovoltaica, o tempo de remoção é maior que 1 s (50 ciclos). Assim, a fiação de unidade expandida com transformadores de enrolamento dividido pode atender confiavelmente ao requisito de que o ramo não defeituoso não se desconecte da rede dentro do tempo de remoção do disjuntor do ramo defeituoso.
3 Conclusão
Transformadores de enrolamento dividido são amplamente utilizados em engenharia, especialmente adequados para estações de energia fotovoltaica conectadas à rede. Como discutido acima, suas vantagens principais estão na redução da corrente de curto-circuito, restrição da corrente circulante de operação e manutenção da tensão dos ramos não defeituosos. Baseado em exemplos de projeto de engenharia, este artigo analisa teoricamente suas vantagens de aplicação em estações de energia fotovoltaica, fornecendo certa relevância orientadora para a seleção de formas de fiação e equipamentos em projetos de estações de energia fotovoltaica conectadas à rede.
