Những ưu điểm của biến áp cuộn dây chia trong các trạm điện mặt trời nối lưới là gì?

Năng lượng mặt trời, như một nguồn năng lượng sạch và tái tạo, là nguồn năng lượng mới chính được hỗ trợ ở Trung Quốc. Nó có trữ lượng lý thuyết dồi dào (17.000 tỷ tấn than tiêu chuẩn mỗi năm) và tiềm năng phát triển lớn. Phát điện quang điện, trước đây chủ yếu hoạt động độc lập lưới ở các vùng xa xôi, hiện nay đang phát triển nhanh chóng hướng tới hệ thống tích hợp vào công trình xây dựng và các dự án kết nối lưới quy mô lớn ở sa mạc.

Bài viết này phân tích biến áp cuộn dây chia đôi trong các trạm phát điện quang điện kết nối lưới thông qua phân tích lý thuyết và các trường hợp kỹ thuật.

1 Đặc điểm mạch chính của trạm phát điện quang điện kết nối lưới

Mạch chính của trạm phát điện quang điện có liên quan chặt chẽ đến bố trí bộ nghịch lưu: bộ nghịch lưu phân tán phù hợp cho các dự án tích hợp vào công trình xây dựng, trong khi bộ nghịch lưu tập trung được ưu tiên cho các trạm phát điện quang điện ở sa mạc (để đạt hiệu suất phát điện tối ưu dưới ánh sáng đồng đều thông qua theo dõi điểm công suất cực đại tập trung - MPPT).

Tuy nhiên, việc có nhiều chuỗi hoặc bộ nghịch lưu có công suất lớn hơn không phải lúc nào cũng có lợi - cần phải xem xét khoảng cách cáp, sụt áp và hiệu quả chi phí. Do đó, độ dài cáp từ các chuỗi đến hộp kết hợp và bộ nghịch lưu, cũng như diện tích các khối quang điện, được xác định bởi tỷ lệ lợi nhuận đầu tư. Để tối ưu hóa kinh tế, công suất của bộ nghịch lưu tập trung thường nằm trong khoảng từ 500 kW đến 630 kW.

Các trạm phát điện quang điện kết nối lưới chủ yếu sử dụng ba phương án mạch chính (như được thể hiện trong Hình 1). Phương án một chuỗi (với biến áp tăng áp) đơn giản nhưng yêu cầu số lượng biến áp lớn. Phương án đơn vị lớn (bao gồm biến áp tăng áp) là thiết kế chính, cân bằng hiệu quả và chi phí một cách hiệu quả.

Bài viết này thảo luận về lợi ích của việc sử dụng biến áp cuộn dây chia đôi cho hệ thống dây dẫn mở rộng. So với biến áp cuộn dây kép thông thường, mỗi pha của biến áp cuộn dây chia đôi bao gồm một cuộn dây cao áp và hai cuộn dây thấp áp. Các cuộn dây thấp áp có cùng điện áp và công suất nhưng chỉ có sự kết hợp từ tính yếu giữa chúng, như được thể hiện trong Hình 2.

Biến áp này thường có ba chế độ hoạt động: hoạt động xuyên suốt, hoạt động nửa xuyên suốt và hoạt động chia đôi. Khi một số nhánh của cuộn dây chia đôi được song song thành cuộn dây thấp áp tổng để hoạt động đối với cuộn dây cao áp, nó được gọi là hoạt động xuyên suốt, và trở kháng ngắn mạch của biến áp được gọi là trở kháng xuyên suốt X_{1 - 2}. Khi một nhánh của cuộn dây thấp áp chia đôi hoạt động đối với cuộn dây cao áp, nó được gọi là hoạt động nửa xuyên suốt, và trở kháng ngắn mạch được gọi là trở kháng nửa xuyên suốt X_{1 - 2'}. Khi một nhánh của cuộn dây chia đôi hoạt động đối với nhánh khác, nó được gọi là hoạt động chia đôi, và trở kháng ngắn mạch được gọi là trở kháng chia đôi X_{2 - 2'}.

2 Lợi ích của biến áp cuộn dây chia đôi

Để dễ dàng thảo luận, các tham số kỹ thuật của sản phẩm đã phát triển được đưa ra để so sánh định lượng với biến áp cuộn dây kép thông thường. Ví dụ, một biến áp cuộn dây chia đôi 2500 kVA: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, tỷ lệ phản ứng ngắn mạch 6.5%, phản ứng xuyên suốt toàn phần 6.5%, phản ứng xuyên suốt nửa phần 11.7%, hệ số chia nhỏ hơn 3.6%. Các tính toán cho thấy:

Phản ứng xuyên suốt toàn phần: X_{1 - 2} = X₁ + X₂ // X₂

Phản ứng xuyên suốt nửa phần: X_{1 - 2'} = X₁ + X₂

Giá trị đơn vị:

Trở kháng nhánh phía cao áp:

Trở kháng nhánh phía thấp áp:

2.1 Giảm dòng ngắn mạch

Trong trường hợp ngắn mạch tại d₁ trong Hình 2, dòng ngắn mạch có ba thành phần: từ hệ thống (phía cao áp, với các thành phần tuần hoàn không suy giảm), nhánh không lỗi I''_p1, và nhánh lỗi I''_p2. Đối với cầu dao phía thấp áp trên nhánh lỗi, khả năng cắt của nó xem xét tổng cộng của dòng từ hệ thống và nhánh không lỗi. Với biến áp cuộn dây chia đôi:

Dòng ngắn mạch do hệ thống cung cấp:

Dòng ngắn mạch của nguồn điện phân tán kiểu nghịch lưu là 2-4 lần dòng định mức (thời gian kéo dài 1.2-5 ms, 0.06-0.25 chu kỳ), và dòng nhánh không lỗi là khoảng 4 kA. Đối với biến áp cuộn dây kép thông thường (để so sánh, giả sử u_k% = 6.5, giống như tỷ lệ phản ứng xuyên suốt toàn phần của biến áp cuộn dây chia đôi u_{k1 - 2%}:

Trở kháng đơn vị là：

Dòng ngắn mạch do hệ thống cung cấp là：

với đóng góp bổ sung từ các nhánh không lỗi. Rõ ràng, việc sử dụng biến áp cuộn dây chia đôi cho hệ thống dây dẫn mở rộng giảm đáng kể yêu cầu về khả năng cắt của cầu dao phía thấp áp.

Giả sử rằng các tham số của các mô-đun song song hoàn toàn giống nhau và các tham số điều khiển MPPT của bộ nghịch lưu là giống nhau. Khi đó, C₁ = C₂ = C, L₁ = L₂ = L, và dòng điện của cuộn cảm của mỗi bộ nghịch lưu là:

Có thể thấy rằng dòng điện của cuộn cảm của mỗi bộ nghịch lưu bao gồm hai phần: Phần thứ nhất là dòng tải, giống nhau cho cả hai bộ nghịch lưu; phần thứ hai là dòng tuần hoàn, liên quan đến biên độ, pha và tần số khác biệt của điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu.

Hiện nay, logic điều khiển chính cho bộ nghịch lưu trong các trạm điện mặt trời là Theo dõi Điểm Công Suất Cực Đại (MPPT). Các mô-đun pin mặt trời có điện trở nội và ngoại vi. Khi điều khiển MPPT làm cho các điện trở này bằng nhau tại một thời điểm nhất định, mô-đun PV hoạt động tại điểm công suất cực đại. Lấy Hình 3 làm ví dụ, công suất hữu ích P₁ và công suất phản kháng Q₁ do Bộ Nghịch Lưu 1 cung cấp là:

2.3 Duy trì điện áp của nhánh không lỗi

Lấy Hình 2 và 3 làm ví dụ, các trạm điện mặt trời thường sử dụng bố trí bộ nghịch lưu tập trung - biến áp, và trở kháng cáp giữa bộ nghịch lưu và biến áp có thể coi là không đáng kể. Với biến áp cuộn dây kép thông thường, điện áp của nhánh không lỗi giảm xuống mức điện thế zero. Trong trường hợp này, bảo vệ rơ-le thường được sử dụng để hoãn hoạt động của cầu dao nhánh không lỗi để giảm phạm vi loại bỏ lỗi. Tuy nhiên, phương pháp này có thể không đáp ứng yêu cầu bảo vệ cho các trạm điện mặt trời. Nếu thời gian loại bỏ nhánh lỗi vượt quá khả năng duy trì điện áp thấp của bộ nghịch lưu, nhánh không lỗi sẽ bị buộc ngắt khỏi lưới, tăng nguy cơ mở rộng phạm vi lỗi.

Với biến áp cuộn dây chia đôi, do tồn tại trở kháng chia, dòng ngắn mạch do hệ thống cung cấp tương đương với hoạt động ở chế độ nửa xuyên suốt của biến áp cuộn dây chia đôi. Dòng ngắn mạch do bộ nghịch lưu nhánh không lỗi cung cấp tương đương với chế độ hoạt động chia đôi của biến áp cuộn dây chia đôi. Tại thời điểm ngắn mạch, điện áp đầu ra U''₂ của bộ nghịch lưu nhánh không lỗi là I''_s × X'₂ + I''_p2 × (X''₂ + X'''₂). Do phía cao áp là hệ thống vô hạn, theo thảo luận trước, I''_s lớn hơn nhiều so với I''_p2. Do đó, phần thứ nhất I''_s × X'₂ không suy giảm và lớn hơn phần thứ hai I''_p2 × (X''₂ + X'''₂).

Các tính toán cho thấy U''₂ > I''_s × X'₂ = 185 V. Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu nhánh không lỗi có thể duy trì ít nhất ở khoảng 0.5U_n. Theo yêu cầu duy trì điện áp thấp của trạm điện mặt trời, thời gian loại bỏ lớn hơn 1 giây (50 chu kỳ). Do đó, hệ thống dây dẫn mở rộng với biến áp cuộn dây chia đôi có thể đáng tin cậy đáp ứng yêu cầu rằng nhánh không lỗi không ngắt khỏi lưới trong thời gian loại bỏ cầu dao nhánh lỗi.

3 Kết luận

Biến áp cuộn dây chia đôi được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đặc biệt phù hợp cho các trạm phát điện quang điện kết nối lưới. Như đã thảo luận ở trên, lợi ích chính của chúng nằm ở việc giảm dòng ngắn mạch, hạn chế dòng tuần hoàn vận hành, và duy trì điện áp của nhánh không lỗi. Dựa trên các ví dụ thiết kế kỹ thuật, bài viết này phân tích lý thuyết về lợi ích ứng dụng của chúng trong các trạm phát điện quang điện, cung cấp ý nghĩa hướng dẫn nhất định cho việc lựa chọn hình thức dây dẫn và thiết bị trong các dự án trạm phát điện quang điện kết nối lưới.