Koje su prednosti transformatora sa razdvojenim vitičastim u mrežno povezanim fotovoltaičkim elektranama
Solarna energija, kao čista i obnovljiva izvor energije, predstavlja ključnu novu energiju koja se podržava u Kini. Ima obilne teorijske rezerve (17.000 milijardi tona standardnog ugljena ekvivalentno godišnje) i ogroman potencijal za razvoj. Fotovoltaična proizvodnja elektriciteta, koja je nekada uglavnom operirala izvan mreže u udaljenim područjima, sada se brzo evolucioniše prema integraciji u građevine i velikim pustinjskim projektima vezanim za mrežu.
Ovaj rad analizira delove transformatora sa deljenim vijcima u fotovoltaičnim elektrane vezanim za mrežu putem teorijske analize i inženjerskih primera.
1 Glavne karakteristike glavnih krugova fotovoltaičnih elektrana vezanih za mrežu
Glavni krug fotovoltaičnih elektrana je tesno povezan s rasporedom invertera: distribuirani inverteri su pogodni za projekte integracije u zgrade, dok se centralni inverteri preferiraju za pustinjske fotovoltaične elektrane (za postizanje optimalne efikasnosti proizvodnje pod uniformnom osvetljenosti putem centralnog praćenja maksimalne tačke snage - MPPT).
Međutim, imati više nizova ili veće kapacitete invertera nije uvek korisno – treba uzeti u obzir dužinu kabela, pad napona i omjer cene i performansi. Stoga se dužine kabela od nizova do kombiner sklopova do invertera i površine fotovoltaičnih blokova određuju omjerom ulaganja i povratka. Za ekonomsku optimizaciju, kapacitet centralnih invertera tipično varira od 500 kW do 630 kW.
Fotovoltaične elektrane vezane za mrežu uglavnom koriste tri glavna rešenja glavnog kruga (kao što je prikazano na Slici 1). Jednostruki niz (sa step-up transformatorima) je jednostavan ali zahteva veliki broj transformatora. Veliki agregat (uključujući step-up transformatore) je mainstream dizajn, koji efektivno ravnoteži troškove i efikasnost.
Ovaj rad raspravlja o prednostima korišćenja transformatora sa deljenim vijcima za proširene agregatske sheme. U poređenju sa običnim dvo-vijčanim transformatorima, svaki faza dvo-deljenog vijčanog transformatora sastoji se od jednog visokonaponskog vijka i dva niskonaponska vijka. Niskonaponski vijci imaju isti napon i kapacitet, ali samo slabo magnetno spregnutost između njih, kao što je prikazano na Slici 2.
Ovaj transformator tipično ima tri načina rada: prolazni rad, poluprohodni rad i deljeni rad. Kada se nekoliko grana deljenog vijka paralelno spoji u ukupni niskonaponski vijak kako bi radio protiv visokonaponskog vijka, to se naziva prolazni rad, a kratkospojna impedanca transformatora se naziva prolazna impedanca X1 - 2. Kada jedna granica niskonaponskog deljenog vijka radi protiv visokonaponskog vijka, to se naziva poluprohodni rad, a kratkospojna impedanca se naziva poluprohodna impedanca X1 - 2'. Kada jedna granica deljenog vijka radi protiv druge grane, to se naziva deljeni rad, a kratkospojna impedanca se naziva deljena impedanca X2 - 2'.
2 Prednosti transformatora sa deljenim vijcima
Radi lakšeg raspravljanja, citiraju se tehnički parametri zrelih proizvoda za kvantitativno upoređivanje sa običnim dvo-vijčanim transformatorima. Uzmimo 2500 kVA transformator sa deljenim vijcima: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, procenat kratkospojne reaktance 6.5%, punoprohodna reaktancija 6.5%, poluprohodna reaktancija 11.7%, koeficijent deljenja < 3.6%. Izračuni daju:
Punoprohodna reaktancija: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Poluprohodna reaktancija: X1 - 2' = X1 + X2
Jedinične vrednosti:
Reaktancija visokonaponske granice:
Reaktancija niskonaponske granice:
2.1 Smanjenje kratkospojne struje
Tokom kratkog spoja na d1 na Slici 2, kratkospojna struja ima tri komponente: iz sistema (visokonaponske strane, sa periodičkim komponentama koje ne opadaju), bezgrešne grane I''p1, i grešne grane I''p2. Za niskonaponski prekidnik na grešnoj granici, njegova prekidna kapacitet uzima u obzir zbir struje sistema i bezgrešne grane. Sa transformatorom sa deljenim vijcima:
Kratkospojna struja isporučena iz sistema:
Kratkospojna struja invertora raspodeljenog snaga je 2-4 puta veća od nominalne struje (trajanje 1.2-5 ms, 0.06-0.25 ciklusa), a struja bezgrešne grane je oko 4 kA. Za obični dvo-vijčani transformator (za uporedivost, pretpostavimo uk% = 6.5, isto kao i punoprohodna reaktancija transformatora sa deljenim vijcima uk1 - 2%:
Jedinična reaktancija je：
Kratkospojna struja isporučena iz sistema je：
uz doprinose bezgrešnih grana. Jasno, korišćenje transformatora sa deljenim vijcima za proširene agregatske sheme značajno smanjuje zahtev za prekidnu kapacitetu niskonaponskih prekidnika grana.
Pretpostavimo da su parametri paralelnih modula potpuno isti i da su parametri kontrole MPPT invertera isti. Tada C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, a induktivna struja svakog invertera je:
Može se videti da induktivna struja svakog invertera sastoji se od dva dela: Prvi je struja opterećenja, koja je ista za oba invertera; drugi je cirkulaciona struja, povezana sa amplitudom, fazom i frekvencijskim razlikama izlaznih napona invertera.
Trenutno, glavna logika kontrole invertera u PV elektranama je Praćenje Maksimalne Tačke Snage (MPPT). Solarni čelici imaju interne i eksterne otporne elemente. Kada kontrola MPPT učini da su ovi otporni elementi jednaki u određenom trenutku, PV čelic funkcioniše na maksimalnoj tački snage. Na primer, aktivna snaga P1 i reaktivna snaga Q1 izlazne od Invertera 1 su:
2.3 Održavanje napona bezgrešnih grana
Na primer, na Slicama 2 i 3, fotovoltaične elektrane obično koriste centralni inverter-transformator raspored, a impedanca kabela između invertera i transformatora može se zanemariti. Sa običnim dvo-vijčanim transformatorom, napon bezgrešne grane pada na nultu potencijalu. U ovom slučaju, obično se koristi relejna zaštita da bi se zakasnio rad prekidnika bezgrešne grane kako bi se smanjio opseg uklanjanja greške. Međutim, ovaj metod može ne zadovoljavati zahtev za zaštitu fotovoltaičnih elektrana. Ako vreme uklanjanja grešne grane premaši mogućnost prelaska kroz niski napon invertera, bezgrešna granica će biti prisilno odspojena od mreže, povećavajući rizik od širenja opsega greške.
Sa transformatorom sa deljenim vijcima, zbog postojanja deljene impedancije, kratkospojna struja isporučena iz sistema je ekvivalentna radu u poluprohodnom režimu transformatora sa deljenim vijcima. Kratkospojna struja isporučena od invertera bezgrešne grane je ekvivalentna deljenom režimu rada transformatora sa deljenim vijcima. U trenutku kratkog spoja, izlazni napon U''2 invertera bezgrešne grane je I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Budući da je visokonaponska strana beskonačni sistem, prema prethodnom, I''s je mnogo veći od I''p2. Stoga, prvi deo I''s × X'2 ne opada i je veći od drugog dela I''p2 × (X''2 + X'''2).
Izračuni pokazuju da je . Izlazni napon invertera bezgrešne grane može se održati barem na oko 0.5Un. Prema zahtevima za prelazom kroz niski napon fotovoltaične elektrane, vreme uklanjanja je veće od 1 s (50 ciklusa). Stoga, proširena agregatska shema sa transformatorima sa deljenim vijcima može pouzdano zadovoljiti zahtev da bezgrešna granica ne odspoji od mreže unutar vremena uklanjanja prekidnika grešne grane.
3 Zaključak
Transformatori sa deljenim vijcima su široko korišćeni u inženjerstvu, posebno pogodni za fotovoltaične elektrane vezane za mrežu. Kao što je gore diskutovano, njihove prednosti uglavnom leže u smanjenju kratkospojne struje, ograničavanju radne cirkulacione struje i održavanju napona bezgrešnih grana. Na osnovu inženjerskih primera dizajna, ovaj rad teoretski analizira njihove prednosti u primeni u fotovoltaičnim elektranama, pružajući određeno vodilo za izbor shema i opreme u projektima fotovoltaičnih elektrana vezanih za mrežu.
