Які переваги мають трансформатори з розділеними витками у сонячних електростанціях, підключених до мережі
Сонячна енергія, як чистий та відновлюваний джерело енергії, є ключовим новим видом енергетики, підтримуваним в Китаї. Вона має багаті теоретичні запаси (17 000 млрд тонн стандартного вугілля на рік) і великий потенціал для розвитку. Фотоелектричне виробництво, яке колись переважно функціонувало автономно в віддалених районах, зараз швидко розвивається у напрямку інтеграції з будівлями та великими проектами, пов'язаними з мережевим з'єднанням у пустелях.
Ця стаття аналізує роздільні трансформатори в фотоелектричних електростанціях, пов'язаних з мережею, через теоретичний аналіз та інженерні випадки.
1 Основні характеристики основних схем фотоелектричних електростанцій, пов'язаних з мережею
Основна схема фотоелектричних електростанцій тісно пов'язана з розташуванням інверторів: розподілені інвертори підходять для проектів, інтегрованих з будівлами, а централізовані інвертори переважають для фотоелектричних електростанцій у пустелях (для досягнення оптимальної ефективності генерації електроенергії при однорідному освітленні через централізоване відстеження максимальної точки потужності - MPPT).
Проте, більше ланок або інверторів з більшою потужністю не завжди корисні - слід враховувати відстань кабелю, спад напруги та вартість-ефективність. Тому довжини кабелів від ланок до комбайнер-боксів до інверторів та площі фотоелектричних блоків визначаються коефіцієнтом окупності інвестицій. Для економічної оптимізації потужність централізованих інверторів зазвичай становить від 500 кВт до 630 кВт.
Фотоелектричні електростанції, пов'язані з мережею, в основному використовують три основні схеми (як показано на рисунку 1). Одноланкова схема (з підвищувальними трансформаторами) проста, але потребує великої кількості трансформаторів. Схема великого модуля (з підвищувальними трансформаторами) є основним дизайном, ефективно збалансувавши вартість та ефективність.
У цій статті обговорюються переваги використання роздільних трансформаторів для розширеного модульного з'єднання. У порівнянні з звичайними двовитковими трансформаторами, кожна фаза двовиткового роздільного трансформатора складається з одного високонапіжного витка та двох низьконапіжних витків. Низьконапіжні витки мають таку ж напругу та потужність, але лише слабке магнітне зв'язування між ними, як показано на рисунку 2.
Цей трансформатор зазвичай має три режими роботи: прямий, напівпрямий та роздільний. Коли декілька гілок роздільного витка паралельно з'єднуються в загальний низьконапіжний виток для роботи проти високонапіжного витка, це називається прямим режимом, а короткозамкнутий імпеданс трансформатора називається прямим імпедансом X1 - 2. Коли одна гілка низьконапіжного роздільного витка працює проти високонапіжного витка, це називається напівпрямим режимом, а короткозамкнутий імпеданс називається напівпрямим імпедансом X1 - 2'. Коли одна гілка роздільного витка працює проти іншої гілки, це називається роздільним режимом, а короткозамкнутий імпеданс називається роздільним імпедансом X2 - 2'.
2 Переваги роздільних трансформаторів
Для легшого обговорення, згадуються технічні параметри зрілих продуктів для кількісного порівняння з звичайними двовитковими трансформаторами. Розглянемо 2500 кВА роздільний трансформатор: 37 ± 2×2,5% / 0,36 кВ / 0,36 кВ, 50 Гц, відсоток короткозамкнутого реактивного опору 6,5%, повний прямуваний реактивний опір 6,5%, напівпрямуваний реактивний опір 11,7%, коефіцієнт розділу < 3,6%. Обчислення дають:
Повний прямуваний реактивний опір: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Напівпрямуваний реактивний опір: X1 - 2' = X1 + X2
Значення в одиницях:
Реактивний опір гілки сторони високої напруги:
Реактивний опір гілки сторони низької напруги:
2.1 Зменшення короткозамкнутого струму
При короткому замиканні на d1 на рис. 2, короткозамкнутий струм має три компоненти: від системи (сторона високої напруги, з незгасаючими періодичними компонентами), невиправна гілка I''p1, та виправна гілка I''p2. Для низьковольтного автоматичного вимикача на виправній гілці, його здатність відключення враховує суму струмів системи та невиправної гілки. З роздільним трансформатором:
Короткозамкнутий струм, поставлений системою:
Короткозамкнутий струм розподіленої електростанції інверторного типу становить 2–4 рази від номінального струму (тривалість 1,2–5 мс, 0,06–0,25 періодів), а струм невиправної гілки становить ~4 кА. Для звичайного двовиткового трансформатора (для порівняння, припустимо uk% = 6.5, так само як відсоток повного прямуваного реактивного опору роздільного трансформатора uk1 - 2%:
Реактивний опір в одиницях:
Короткозамкнутий струм, поставлений системою:
з додатковим внеском від невиправних гілок. Очевидно, використання роздільних трансформаторів для розширеного модульного з'єднання значно зменшує вимоги до здатності відключення низьковольтних автоматичних вимикачів гілок.
Припустимо, що параметри паралельних модулів абсолютно однакові, а параметри керування MPPT інверторів однакові. Тоді C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, а струм індуктора кожного інвертора:
Можна побачити, що струм індуктора кожного інвертора складається з двох частин: перша — це струм навантаження, який однаковий для обох інверторів; друга — це циркуляційний струм, пов'язаний з амплітудою, фазою та частотою вихідних напруг інверторів.
На даний момент головна логіка керування інверторами в фотоелектричних електростанціях — це відстеження максимальної точки потужності (MPPT). Модулі сонячних батарей мають внутрішні та зовнішні опори. Коли керування MPPT робить ці опори рівними в певний момент, модуль фотоелектричного елемента працює на максимальної точці потужності. Як приклад, активна потужність P1 та реактивна потужність Q1, видається інвертором 1, є:
2.3 Збереження напруги невиправних гілок
Як приклад, фотоелектричні електростанції зазвичай використовують централізовану схему інвертор-трансформатор, а імпеданс кабелю між інвертором та трансформатором можна знехтувати. Зі звичайним двовитковим трансформатором, напруга невиправної гілки падає до нульового потенціалу. У цьому випадку, зазвичай використовується реле-захист, щоб затримати роботу автоматичного вимикача невиправної гілки, щоб зменшити діапазон вилучення вади. Проте, цей метод може не задовольняти вимоги захисту для фотоелектричних електростанцій. Якщо час вилучення виправної гілки перевищує здатність проходження низької напруги інвертора, невиправна гілка буде примушена відключитися від мережі, збільшуючи ризик розширення діапазону вади.
З роздільним трансформатором, через наявність роздільного імпедансу, короткозамкнутий струм, поставлений системою, еквівалентний роботі в напівпрямому режимі роздільного трансформатора. Короткозамкнутий струм, поставлений інвертором невиправної гілки, еквівалентний роздільному режиму роздільного трансформатора. В момент короткого замикання, вихідна напруга U''2 інвертора невиправної гілки є I''s × X'2 + I''p2 × (X''2 + X'''2). Оскільки сторона високої напруги є нескінченною системою, згідно з попереднім обговоренням, I''s набагато більший, ніж I''p2. Тому, перша частина I''s × X'2 не зникає і більша, ніж друга частина I''p2 × (X''2 + X'''2).
Обчислення показують, що . Вихідна напруга інвертора невиправної гілки може бути збережена принаймні на рівні 0.5Un. Згідно з вимогами проходження низької напруги фотоелектричної електростанції, час вилучення виправної гілки більший за 1 с (50 періодів). Таким чином, розширене модульне з'єднання з роздільними трансформаторами надійно задовольняє вимогу, що невиправна гілка не відключається від мережі протягом часу вилучення автоматичного вимикача виправної гілки.
3 Висновок
Роздільні трансформатори широко використовуються в інженерії, особливо придатні для фотоелектричних електростанцій, пов'язаних з мережею. Як обговорено вище, їхні переваги полягають в зменшенні короткозамкнутого струму, обмеженні робочого циркуляційного струму та збереженні напруги невиправних гілок. На основі прикладів інженерного проектування, ця стаття теоретично аналізує їхні переваги в застосуванні в фотоелектричних електростанціях, надаючи певне керівництво для вибору форм з'єднання та обладнання в проектах фотоелектричних електростанцій, пов'язаних з мережею.
