Kateri so prednosti transformatorjev z razdeljenimi vili v fotonaponskih elektrarnah, povezanih z omrežjem?
Solarna energija, kot čista in obnovljiva vir energije, je ključna nova energija, ki jo podpira Kitajska. Ima obilne teoretične rezerve (17.000 milijard ton standardnega premoga letno) in ogromen razvojni potencial. Fotovoltaična proizvodnja elektrike, ki je nekdanje delovala predvsem izven omrežja v oddaljenih območjih, se zdaj hitro razvija v smeri integriranih fotovoltaičnih sistemov v stavbah in velikih pustinskih omrežnih projektov.
Ta članek analizira razdeljene navije transformatorje v omrežnih fotovoltaičnih elektrarnah skozi teoretično analizo in inženirske primere.
1 Glavne značilnosti glavnega kruga omrežnih fotovoltaičnih elektrarn
Glavni krug fotovoltaičnih elektrarn je tesno povezan z razpostavitvijo inverterjev: distribuirani inverterji so primernejši za projekte integriranja v stavbe, medtem ko so centralizirani inverterji preferirani za pustinske fotovoltaične elektrarne (za dosego optimalne učinkovitosti proizvodnje pri enakomernem osvetljuvanju preko centraliziranega sledenja maksimalni točki moči - MPPT).
Vendar več nizov ali večja kapaciteta inverterjev ni vedno koristna - morajo biti upoštevani dolžine kabelov, padec napetosti in odnos cena-razmerje. Tako so dolžine kabelov od nizov do kombinatorskih škatel in do inverterjev ter površine fotovoltaičnih blokov določene z odnosi investicija-do-vrnitve. Za ekonomsko optimizacijo se kapaciteta centraliziranih inverterjev običajno giblje med 500 kW in 630 kW.
Omrežne fotovoltaične elektrarne predvsem uporabljajo tri glavne sheme glavnega kruga (kot je prikazano na Sliki 1). Enonizova shema (z nadstropnimi transformatorji) je preprosta, vendar zahteva veliko število transformatorjev. Shema s velikimi enotami (s pripadajočimi nadstropnimi transformatorji) je mainstreamna dizajn, ki učinkovito ravnoteži stroške in učinkovitost.
Ta članek obravnava prednosti uporabe razdeljenih navijev transformatorjev za širitev enot. V primerjavi z navadnimi dvonavijevimi transformatorji vsaka faza dvodelno razdeljenega navija transformatorja sestoji iz enega visokonapetostnega navija in dveh nizkonapetostnih navijev. Nizkonapetostni naviji imata enako napetost in kapaciteto, vendar le slabo magnetno vez med sabo, kot je prikazano na Sliki 2.
Ta transformator običajno ima tri načine delovanja: skozi delovanje, polskozi delovanje in razdeljeno delovanje. Ko so več vej razdeljenega navija paralelno povezane v celoten nizkonapetostni navij, da delujejo proti visokonapetostnemu naviju, to imenujemo skozi delovanje, in kratkopriklopna impedanca transformatorja se imenuje skozi impedanca X1 - 2. Ko ena veja nizkonapetostnega razdeljenega navija deluje proti visokonapetostnemu naviju, to imenujemo polskozi delovanje, in kratkopriklopna impedanca se imenuje polskozi impedanca X1 - 2'. Ko ena veja razdeljenega navija deluje proti drugi veji, to imenujemo razdeljeno delovanje, in kratkopriklopna impedanca se imenuje razdeljena impedanca X2 - 2'.
2 Prednosti razdeljenih navijev transformatorjev
Za lažjo razpravo so citirani tehnični parametri zrelih izdelkov za kvantitativno primerjavo z navadnimi dvonavijevimi transformatorji. Vzemimo 2500 kVA razdeljen navij transformatorja: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, kratkopriklopna reaktivna impedanca 6.5%, popolnoma skozi reaktivna impedanca 6.5%, polskozi reaktivna impedanca 11.7%, razdeliteljski koeficient < 3.6%. Izračuni dajejo:
Popolnoma skozi reaktivna impedanca: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Polskozi reaktivna impedanca: X1 - 2' = X1 + X2
Per-unit vrednosti:
Krizna impedanca visokonapetostne strani:
Krizna impedanca nizkonapetostne strani:
2.1 Zmanjševanje kratkopriklopne toka
Ob kratkopriklopu na d1 na Sliki 2 kratkopriklopni tok ima tri komponente: iz sistema (visokonapetostna stran, s periodičnimi komponentami, ki ne opadajo), nenapaden veja I''p1, in napaden veja I''p2. Za nizkonapetostni preklopnik na napadeni veji njegova preklopna zmogljivost upošteva vsoto sistemskih in nenapadenih vejkov. Z razdeljenim navijem transformatorja:
Sistemski kratkopriklopni tok:
Inverter tip distribuirana energija kratkopriklopni tok je 2–4-krat večji od nominalnega toka (trajanje 1.2–5 ms, 0.06–0.25 ciklov), in nenapaden veja tok je ~4 kA. Za navadnega dvonavijev transformatorja (za primerljivost, predpostavimo uk% = 6.5, enako kot popolnoma skozi reaktivna impedanca razdeljenega navija transformatorja uk1 - 2%:
Per-unit impedanca je：
Sistemski kratkopriklopni tok je：
z dodatnimi prispevki nenapadenih vej. Očitno uporaba razdeljenih navijev transformatorjev za širitev enot znatno zmanjša zahteve po preklopni zmogljivosti nizkonapetostnih preklopnikov na vejkah.
Predpostavimo, da so parametri vzporednih modulov popolnoma enaki in da so parametri nadzora MPPT inverterjev enaki. Potem C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, in tok induktorja vsakega inverterja je:
Videti je, da tok induktorja vsakega inverterja sestoji iz dveh delov: Prvi je tok naložbe, ki je isti za obe inverterje; drugi je cirkulirajoči tok, povezan z amplitudo, fazo in frekvenco razlik inverterjev izhodnih napetosti.
Trenutno je glavna logika nadzora inverterjev v fotovoltaičnih elektrarnah sledenje maksimalni točki moči (MPPT). Fotocelični moduli imajo notranje in zunanje upori. Ko nadzor MPPT te upore enači v določenem trenutku, operira fotovoltaični modul na maksimalni točki moči. Vzemimo za primer Sliko 3, aktivna moč P1 in reaktivna moč Q1 izhod Inverterja 1 so:
2.3 Ohranjanje napetosti nenapadenih vej
Vzemimo za primer Slike 2 in 3, fotovoltaične elektrarne običajno uporabljajo centralizirano razpostavitev inverter-transformator, in impedanca kabela med inverterjem in transformatorjem je zanemarljiva. Z navadnim dvonavijevim transformatorjem napetost nenapadenega veja pada na ničelno potencial. V tem primeru se običajno uporablja relaysko varnostno nadzor, da se zamudi delovanje preklopnika nenapadenega veja, da se zmanjša obseg odstranitve napak. Vendar ta metoda morda ne bo izpolnila zahtev za varnost fotovoltaičnih elektrarn. Če čas odstranitve napadenega veja preseže zmogljivost ohranjanja nizke napetosti inverterja, bo nenapaden veja prisiljen odpovedati od omrežja, kar poveča tveganje za širitev obsega napak.
Z razdeljenim navijem transformatorja, zaradi obstoja razdeljene impedanci, sistemski kratkopriklopni tok je enakovreden delovanju v polskozem načinu razdeljenega navija transformatorja. Kratkopriklopni tok, ki ga zagotavlja inverter nenapadenega veja, je enakovreden delovanju v razdeljenem načinu razdeljenega navija transformatorja. Ob kratkopriklopu izhodna napetost U''2 inverterja nenapadenega veja je I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Ker je visokonapetostna stran neskončni sistem, glede na prejšnjo razpravo, I''s je veliko večji od I''p2. Torej, prvi del I''s × X'2 ne opada in je večji od drugega dela I''p2 × (X''2 + X'''2).
Izračuni kažejo, da je . Izhodna napetost inverterja nenapadenega veja lahko ostane vsaj okoli 0.5Un. Glede na zahteve ohranjanja nizke napetosti fotovoltaične elektrarne, čas odstranitve presega 1 s (50 ciklov). Torej, širitev enot z razdeljenimi naviji transformatorji lahko zanesljivo izpolni zahtevo, da nenapaden veja ne odpove od omrežja med časom odstranitve preklopnika napadenega veja.
3 Zaključek
Razdeljeni naviji transformatorji so široko uporabljani v inženirstvu, posebno primerni za omrežne fotovoltaične elektrarne. Kot je bilo razpravljano, njihove prednosti ležijo predvsem v zmanjševanju kratkopriklopne toka, omejevanju delovnega cirkulirajočega toka in ohranjanju napetosti nenapadenih vej. Na podlagi inženirskega dizajnskega primera ta članek teoretično analizira njihove prednosti v uporabi v fotovoltaičnih elektrarnah, kar ponuja določeno usmerjenost pri izbiri oblik povezave in opreme v projektih omrežnih fotovoltaičnih elektrarn.
