Каковы преимущества трансформаторов с раздельными обмотками в сетевых фотоэлектрических электростанциях
Солнечная энергия, как чистый и возобновляемый источник энергии, является ключевым новым видом энергии, поддерживаемым в Китае. Она имеет обширные теоретические запасы (17 000 миллиардов тонн стандартного угля в год) и огромный потенциал развития. Фотovoltaическая генерация, ранее работавшая в основном автономно в отдаленных районах, теперь быстро развивается в направлении интеграции с зданиями и крупных пустынных проектов, подключенных к сети.
В данной статье анализируются разделенные обмотки трансформаторов в сетевых фотovoltaических электростанциях на основе теоретического анализа и инженерных примеров.
1 Основные особенности цепи сетевых фотovoltaических электростанций
Основная цепь фотovoltaических электростанций тесно связана с расположением инверторов: распределенные инверторы подходят для проектов интеграции с зданиями, а централизованные инверторы предпочтительнее для пустынных фотovoltaических электростанций (для достижения оптимальной эффективности генерации при равномерном освещении через централизованное слежение за точкой максимальной мощности - MPPT).
Однако наличие большего числа струн или инверторов с большей мощностью не всегда выгодно — необходимо учитывать длину кабелей, падение напряжения и соотношение цены и качества. Таким образом, длины кабелей от струн до комбайнер-боксов и инверторов, а также площади фотovoltaических блоков определяются соотношением затрат и доходности. Для экономической оптимизации мощность централизованных инверторов обычно составляет от 500 кВт до 630 кВт.
Сетевые фотovoltaические электростанции в основном используют три основные схемы цепи (как показано на рисунке 1). Однострунная схема (с повышающими трансформаторами) проста, но требует большого количества трансформаторов. Схема с крупными блоками (включающая повышающие трансформаторы) является основным дизайном, эффективно балансируя стоимость и эффективность.
В данной статье обсуждаются преимущества использования трансформаторов с разделенными обмотками для расширенных блочных схем. В отличие от обычных двухобмоточных трансформаторов, каждая фаза двухразделенного трансформатора состоит из одной высоковольтной обмотки и двух низковольтных обмоток. Низковольтные обмотки имеют одинаковое напряжение и мощность, но между ними существует только слабое магнитное взаимодействие, как показано на рисунке 2.
Этот трансформатор обычно имеет три режима работы: прямой, полупрямой и раздельный. Когда несколько ветвей разделенной обмотки параллельно соединены в общую низковольтную обмотку для работы против высоковольтной обмотки, это называется прямым режимом, и короткозамкнутое сопротивление трансформатора называется прямым сопротивлением X1 - 2. Когда одна ветвь низковольтной разделенной обмотки работает против высоковольтной обмотки, это называется полупрямым режимом, и короткозамкнутое сопротивление называется полупрямым сопротивлением X1 - 2'. Когда одна ветвь разделенной обмотки работает против другой ветви, это называется раздельным режимом, и короткозамкнутое сопротивление называется раздельным сопротивлением X2 - 2'.
2 Преимущества трансформаторов с разделенными обмотками
Для более удобного обсуждения приведены технические параметры зрелых продуктов для количественного сравнения с обычными двухобмоточными трансформаторами. Рассмотрим 2500 кВА трансформатор с разделенными обмотками: 37 ± 2×2.5% / 0.36 кВ / 0.36 кВ, 50 Гц, процент короткозамкнутого реактивного сопротивления 6.5%, полное прямое реактивное сопротивление 6.5%, полупрямое реактивное сопротивление 11.7%, коэффициент разделения < 3.6%. Расчеты дают:
Полное прямое реактивное сопротивление: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Полупрямое реактивное сопротивление: X1 - 2' = X1 + X2
Безразмерные значения:
Реактивное сопротивление высоковольтной стороны:
Реактивное сопротивление низковольтной стороны:
2.1 Снижение короткозамкнутого тока
При коротком замыкании в d1 на рисунке 2 короткозамкнутый ток имеет три компонента: от системы (высоковольтная сторона, с непрекращающимися периодическими компонентами), невиновной ветви I''p1 и виновной ветви I''p2. Для низковольтного автоматического выключателя на виновной ветви его разрывная способность учитывает сумму токов системы и невиновной ветви. С использованием трансформатора с разделенными обмотками:
Короткозамкнутый ток, поставляемый системой:
Короткозамкнутый ток инверторного распределенного питания составляет 2-4 раза от номинального тока (продолжительность 1.2-5 мс, 0.06-0.25 циклов), а ток невиновной ветви составляет ~4 кА. Для обычного двухобмоточного трансформатора (для сопоставимости, предположим uk% = 6.5, то же самое, что и полное прямое реактивное сопротивление трансформатора с разделенными обмотками uk1 - 2%:
Безразмерное реактивное сопротивление:
Короткозамкнутый ток, поставляемый системой:
с дополнительными вкладами от невиновных ветвей. Очевидно, использование трансформаторов с разделенными обмотками для расширенных блочных схем значительно снижает требования к разрывной способности низковольтных автоматических выключателей.
Предположим, что параметры параллельных модулей полностью одинаковы, и параметры управления MPPT инверторов одинаковы. Тогда C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, и ток индуктивности каждого инвертора:
Можно видеть, что ток индуктивности каждого инвертора состоит из двух частей: первая — это ток нагрузки, который одинаков для обоих инверторов; вторая — это циркуляционный ток, связанный с амплитудой, фазой и частотой выходных напряжений инверторов.
В настоящее время основная логика управления инверторами в фотovoltaических электростанциях — это слежение за точкой максимальной мощности (MPPT). Модули солнечных батарей имеют внутренние и внешние сопротивления. Когда управление MPPT делает эти сопротивления равными в определенный момент, модуль PV работает на точке максимальной мощности. В качестве примера, активная мощность P1 и реактивная мощность Q1 , выдаваемые инвертором 1, являются:
2.3 Поддержание напряжения невиновных ветвей
На примерах рисунков 2 и 3, фотovoltaические электростанции обычно используют централизованную схему инвертор-трансформатор, и импеданс кабеля между инвертором и трансформатором можно считать незначительным. С обычным двухобмоточным трансформатором напряжение невиновной ветви падает до нулевого потенциала. В этом случае, как правило, используется реле защиты, чтобы задержать работу автоматического выключателя невиновной ветви, чтобы уменьшить диапазон удаления неисправности. Однако этот метод может не соответствовать требованиям защиты фотovoltaических электростанций. Если время удаления виновной ветви превышает способность инвертора к прохождению через низкое напряжение, невиновная ветвь будет вынуждена отключиться от сети, увеличивая риск расширения диапазона неисправности.
С использованием трансформатора с разделенными обмотками, благодаря наличию разделенного сопротивления, короткозамкнутый ток, поставляемый системой, эквивалентен работе в полупрямом режиме трансформатора с разделенными обмотками. Короткозамкнутый ток, поставляемый инвертором невиновной ветви, эквивалентен режиму разделения трансформатора с разделенными обмотками. В момент короткого замыкания выходное напряжение U''2 инвертора невиновной ветви равно I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Поскольку высоковольтная сторона является бесконечной системой, согласно предыдущему обсуждению, I''s намного больше, чем I''p2. Поэтому первая часть I''s × X'2 не затухает и больше второй части I''p2 × (X''2 + X'''2).
Расчеты показывают, что . Выходное напряжение инвертора невиновной ветви может быть поддержано как минимум на уровне около 0.5Un. Согласно требованиям прохождения через низкое напряжение фотovoltaической электростанции, время удаления должно быть больше 1 с (50 циклов). Таким образом, расширенные блочные схемы с трансформаторами с разделенными обмотками могут надежно удовлетворять требованию, чтобы невиновная ветвь не отключалась от сети в течение времени удаления автоматического выключателя виновной ветви.
3 Заключение
Трансформаторы с разделенными обмотками широко используются в инженерии, особенно подходят для сетевых фотovoltaических электростанций. Как обсуждалось выше, их преимущества заключаются в снижении короткозамкнутого тока, ограничении циркуляционного тока при работе и поддержании напряжения невиновных ветвей. На основе примеров инженерного проектирования данная статья теоретически анализирует их преимущества применения в фотovoltaических электростанциях, предоставляя определенное руководство для выбора схем подключения и оборудования в проектах сетевых фотovoltaических электростанций.
