Konfigurace cívek suchých transformátorů pro připojení k síti fotovoltaických elektráren

Solární fotovoltaická výroba elektřiny, klíčová forma využití solární energie, převádí sluneční světlo na elektrickou energii prostřednictvím solárních článků. Bez omezení zdrojů, materiálů nebo životního prostředí a ekologicky přátelská, má široké výhledy a je prioritní obnovitelnou energetickou technologií po celém světě. V propojených fotovoltaických systémech jsou transformátory (klíčové zařízení pro převod energie) nezbytné. Současně používané stupňující transformátory pro PV především využívají 10 kV/35 kV SC sérii epoxidově izolovaných suchých typů, rozdělené do dvouvinutých a dvojitě rozdělených typů. Tento článek detailně popisuje jejich výběr.

1 Dvouvinuté suché transformátory

Struktura dvouvinutých suchých transformátorů pro PV (viz obrázek 1, původní odkaz zachován) se v návrhu, procesu a výrobě neliší od tradičních distribučních suchých typů – klíčovým rozdílem je jejich stupňující role. Obvykle jednotlivý inverter dostává odpovídající dvouvinutý blok podle jeho nominálního výstupu a napětí sítě.

Vzhledem k tomu, že během provozu invertoru může selhat zapojení neutrálního bodu suchého transformátoru a existují harmonické složky, jejich skupina spojení obvykle bývá Dy11, aby bylo zajištěno stabilní běžení zařízení.

2 Dvojitě rozdělené suché transformátory

V posledních letech, aby byly omezeny krátkozaměřné proudy a sníženy kapitálové náklady, se stále více používají rozdělené transformátory (s jedním vinutím, obvykle nízkého napětí, rozděleným na elektricky nespojené větve ²). Pro projekty PV jsou běžné dvojitě rozdělené transformátory: dva nezávislé inverzní bloky jsou připojeny k dvěma větvím dvojitě rozděleného vinutí, které lze provozovat nezávisle nebo společně.S ohledem na harmonické složky invertoru, jejich skupina spojení bývá obvykle D, y11y11 nebo Y, d11d11. Domácím trhu jsou strukturně axiálně rozdělené nebo radiálně rozdělené.

Jak je vidět na obrázku 2 (původní odkaz), nízkonapěťové vinutí má dvě axiálně rozmístěné větve na stejném jádře. Větve nemají elektrické, ale magnetické spojení (stupeň závisí na struktuře ²), a mohou být segmentové nebo drátové. Vinutí vysokého napětí má dvě paralelní větve odpovídající nízkonapěťovým, s podobnými specifikacemi a celkovou kapacitou rovnající se kapacitě transformátoru.

2.1 Axiálně dvojitě rozdělené suché transformátory

S symetrickou strukturou a rovnoměrným únikovým magnetickým polem se dobře projevují v průchozím a poloprůchozím režimu. Velký impedancí mezi axiálně rozdělenými větvemi snižuje krátkozaměřné proudy, což zajišťuje, že pokud jedna větev selže, druhá může nadále fungovat.

Nicméně, jeho vinutí vysokého napětí (dvě paralelní vinutí) má dvojnásobný počet otáček, ale poloviční průřez vodiče oproti konvenčnímu. Návrh 35kV D spojení čelí problémům s výrobou vinutí (kontrola otáček, nízká efektivita), což ovlivňuje bezpečnost a spolehlivost.

Kromě toho horní a dolní nízkonapěťové vinutí (uspořádané vertikálně) mají rozdíl teploty asi 20 K (horní je horkější kvůli vzduchové konvekci). Proto je třeba design a výroba zlepšit kontroly teplotního vzestupu a vybrat vhodnou izolaci.

2.2 Radiálně dvojitě rozdělené suché transformátory

Běžné radiálně dvojitě rozdělené suché transformátory (strukturální uspořádání viz obrázek 3) mají dvě radiálně rozmístěné větve nízkonapěťového vinutí (obvykle drátové, kvůli strukturní specifičnosti) a jedno integrované vinutí vysokého napětí.

Vinutí vysokého napětí, s normálně vybraným počtem otáček a průřezem vodiče, má lepší výrobní proces a efektivitu než axiálně dvojitě rozdělené typy. Jeho téměř dokonalá symetrie zajišťuje dobré vyrovnání ampér-otáček v průchozím a poloprůchozím režimu, plus rovnoměrný teplotní vzestup nízkonapěťového vinutí.

Nicméně, radiálně rozdělená nízkonapěťová vinutí mají malý rozdělovací impedancí a velkou spojovací kapacitou, což zvyšuje interferenci mezi vinutími. To ovlivňuje kvalitu výstupního výkonu a spolehlivost komponent inverteru, což vyžaduje úpravy kontrolní smyčky a systému na straně inverteru.

2.3 Speciální dvojitě rozdělené suché transformátory

Obrázek 4 zobrazuje hybridní návrh kombinující axiální (segmentové/draťové nízkonapěťové) a radiální (jedno vysokonapěťové) rozdělení. Tento hybrid řeší problémy s radiální nízkonapěťovou a axiální vysokonapěťovou částí, snižuje náklady a zlepšuje výrobní efektivitu.

Nicméně, v poloprůchozím režimu (např. kvůli environmentálním faktorům nebo poruchám inverteru) dochází k závažnému vyvážení ampér-otáček, což vede k unikajícímu magnetickému poli a přehřívání koncových vinutí. Tento návrh je proto vysoké riziko.

3 Závěr

Propojené PV transformátory primárně využívají dvouvinuté (stupňující, D, y11) nebo dvojitě rozdělené konfigurace. Klíčové doporučení pro dvojitě rozdělené návrhy:

• Udržujte dostatečnou nízkonapěťovou rozdělovací impedanci pro kvalitu výkonu.

• Zohledněte teplotní rozdíly u axiálního rozdělení při výběru izolace.

• Použijte Y, d11d11 pro aplikace 35kV.

• Vyhněte se speciálním hybridním návrhům kvůli rizikům v poloprůchozím režimu.