Vilka är fördelarna med split-winding-transformatorer i nätanslutna fotovoltaiska kraftverk?
Solenergi, som en ren och förnybar energikälla, är en viktig ny energi som stöds i Kina. Den har rika teoretiska reserver (17 000 miljarder ton standardkolmycket årligen) och enorm utvecklingspotential. Fotovoltaisk strömförsörjning, som tidigare huvudsakligen fungerade off-grid i avlägsna områden, utvecklas nu snabbt mot byggnadintegrerade fotovoltaiska system och storskaliga ökenbaserade nätanslutna projekt.
Denna artikel analyserar split-winding-transformatorer i nätanslutna fotovoltaiska kraftverk genom teoretisk analys och ingenjörscaser.
1 Huvudcirkuitsegenskaper hos nätanslutna fotovoltaiska kraftverk
Huvudcirkuiten i fotovoltaiska kraftverk är nära relaterad till inverterlayouten: distribuerade inverter är lämpliga för byggnadintegrerade projekt, medan centraliserade inverter föredras för ökenbaserade fotovoltaiska kraftverk (för att uppnå optimal strömförsörjningseffektivitet vid enhetlig belystning via centraliserad Maximum Power Point Tracking - MPPT).
Men att ha fler strängar eller inverter med större kapacitet är inte alltid fördelaktigt - kabellängd, spänningsfall och kostnadseffektivitet måste beaktas. Därför bestäms kabellängderna från strängar till kombineringsboxar till inverter och arealer för fotovoltaiska block av investeringsavkastningsförhållanden. För ekonomisk optimering ligger vanligtvis kapaciteten för centraliserade inverter mellan 500 kW och 630 kW.
Nätanslutna fotovoltaiska kraftverk använder huvudsakligen tre huvudcirkuitskonfigurationer (som visas i figur 1). Enkelsträngskonfigurationen (med spänningshöjande transformatorer) är enkel men kräver ett stort antal transformatorer. Storenhetsschemat (som inkluderar spänningshöjande transformatorer) är den mest populära designen, vilket effektivt balanserar kostnader och effektivitet.
Denna artikel diskuterar fördelarna med att använda split-winding-transformatorer för expanderade enhetskopplingar. Jämfört med vanliga dubbelvindings-transformatorer består varje fas i en dubbel-split-vindings-transformator av en högspänningsvinding och två lågspänningsvindingar. Lågspänningsvindingarna har samma spänning och kapacitet men endast svag magnetisk koppling mellan dem, som visas i figur 2.
Denna transformator har vanligtvis tre driftlägen: genomdrift, halvgenomdrift och splitdrift. När flera grenar av splittningen parallellkopplas till en total lågspänningsvinding för att driva mot högspänningsvindingen kallas det genomdrift, och kortsiktiga impedansen för transformatorn kallas genomimpedans X1 - 2. När en gren av lågspännings-splittningen drifter mot högspänningsvindingen kallas det halvgenomdrift, och kortsiktiga impedansen kallas halvgenomimpedans X1 - 2'. När en gren av splittningen drifter mot en annan gren kallas det splitdrift, och kortsiktiga impedansen kallas splitimpedans X2 - 2'.
2 Fördelar med split-winding-transformatorer
För enklare diskussion citeras tekniska parametrar för mognade produkter för kvantitativ jämförelse med vanliga dubbelvindings-transformatorer. Ta en 2500 kVA split-winding-transformator: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, kortsiktigt reaktansprocent 6.5%, fullgenom-reaktansprocent 6.5%, halvgenom-reaktansprocent 11.7%, splitkoefficient < 3.6%. Beräkningar ger:
Fullgenom-reaktans: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Halvgenom-reaktans: X1 - 2' = X1 + X2
Per-enhet-värden:
Högspänningsgrens reaktans:
Lågspänningsgrens reaktans:
2.1 Minskning av kortslutningsström
Vid kortslutning på d1 i figur 2, har kortslutningsströmmen tre komponenter: från systemet (högspänningsgren, med icke-försvinnande periodiska komponenter), icke-felgren I''p1, och felgren I''p2. För lågspänningsbrytaren på felgrenen, dess brytkapacitet beräknas baserat på summan av system- och icke-felgrensströmmar. Med en split-winding-transformator:
Systemförsedd kortslutningsström:
Invertertypens distribuerade strömkälla genererar kortslutningsström som är 2–4 gånger den nominella strömmen (varaktighet 1.2–5 ms, 0.06–0.25 cykler), och strömmen i icke-felgrenen är ~4 kA. För en vanlig dubbelvindings-transformator (för jämförbarhet, anta uk% = 6.5, samma som fullgenom-reaktansprocenten för split-winding-transformatorn uk1 - 2%:
Per-enhet-reaktans är：
Systemförsedd kortslutningsström är：
med ytterligare bidrag från icke-felgrenar. Tydligt, genom att använda split-winding-transformatorer för expanderade enhetskopplingar minskas kravet på brytkapacitet för lågspänningsgrensbrytare betydligt.
Antag att parametrarna för parallella moduler är helt lika och att MPPT-styrparametrarna för inverterna är desamma. Då C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, och induktorns ström för varje inverter är:
Det kan ses att induktorns ström för varje inverter består av två delar: Den första är lastströmmen, som är densamma för båda inverterna; den andra är cirkulationsströmmen, relaterad till amplituden, fasen och frekvensskillnaden i inverternas utgångsspänning.
Nuvarande huvudkontrolllogik för inverter i PV-kraftverk är Maximum Power Point Tracking (MPPT). Solcellsmoduler har interna och externa resistanser. När MPPT-styrning gör dessa resistanser lika vid ett visst tillfälle, opererar PV-modulen vid maximum power point. Som exemplet i figur 3 visar, är aktiv effekt P1 och reaktiv effekt Q1 producerade av Inverter 1:
2.3 Bevarande av spänning i icke-felgrenar
Med exempel på figurer 2 och 3, använder fotovoltaiska kraftverk vanligtvis en centraliserad inverter-transformatorlayout, och kabellängdens impedans mellan inverter och transformator är försumbar. Med en vanlig dubbelvindings-transformator sjunker spänningen i icke-felgrenen till nollpotential. I detta fall används vanligtvis reläskydd för att fördröja drift av icke-felgrensbrytaren för att minska felborttagningsområdet. Men denna metod kan inte möta skyddsbehoven för fotovoltaiska kraftverk. Om borttagningstiden för felgrenen överstiger inverterns lågspänningsgenomträngningskapacitet kommer icke-felgrenen tvingas kopplas ifrån nätet, vilket ökar risken för att felet utvidgas.
Med en split-winding-transformator, på grund av existensen av split-impedans, är kortslutningsströmmen som systemet levererar motsvarande operation i halvgenomläget för split-winding-transformatorn. Kortslutningsströmmen som levereras av icke-felgrensinverter är motsvarande operation i splitläget för split-winding-transformatorn. Vid kortslutning, är utgångsspänningen U''2 av icke-felgrensinverter I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Eftersom högspänningsgrenen är ett oändligt system, enligt tidigare diskussion, är I''s mycket större än I''p2. Därför är den första delen I''s × X'2 inte försvinner och är större än den andra delen I''p2 × (X''2 + X'''2).
Beräkningar visar att . Utgångsspänningen för icke-felgrensinverter kan hållas åtminstone runt 0.5Un. Enligt lågspänningsgenomträngningskraven för fotovoltaiska kraftverk, är borttagningstiden större än 1 s (50 cykler). Således kan expanderade enhetskopplingar med split-winding-transformatorer pålitligt uppfylla kravet att icke-felgrenen inte kopplas ifrån nätet under borttagningstiden för felgrensbrytaren.
3 Slutsats
Split-winding-transformatorer används ofta i ingenjörsväsendet, särskilt lämpliga för nätanslutna fotovoltaiska kraftverk. Som diskuterats ovan, deras fördelar ligger huvudsakligen i att minska kortslutningsströmmen, begränsa driftcirkulationsströmmen och bevara spänningen i icke-felgrenar. Baserat på ingenjörsväsendes exempel, analyserar denna artikel teoretiskt deras tillämpningsfördelar i fotovoltaiska kraftverk, vilket ger viss vägledande betydelse för val av kopplingsformer och utrustning i nätanslutna fotovoltaiska kraftverksprojekt.
