Wicklungsaufbau von Trockentransformatoren für netzgekoppelte PV-Stromerzeugung

Die Solarfotovoltaik-Energieerzeugung, eine wichtige Form der Nutzung von Solarenergie, wandelt Sonnenlicht über Solarzellen in Elektrizität um. Sie ist frei von Ressourcen-, Material- oder Umweltbegrenzungen und umweltfreundlich, hat weite Zukunftsaussichten und gilt weltweit als prioritäre erneuerbare Energietechnologie. In netzgekoppelten PV-Systemen sind Transformator (Kernenergie-Umsetzungseinrichtung) unerlässlich. Aktuell werden hauptsächlich 10 kV/35 kV SC-Serie Harz-geisolte Trockentransformatoren für die Spannungserhöhung in PV-Anlagen eingesetzt, die in Zweiwicklungs- und Doppelspalttypen unterteilt sind. Dieses Papier beschreibt ihre Auswahl.

1 Zweiwicklungs-Trockentransformatoren

Die Struktur von Zweiwicklungs-Trockentransformatoren für PV (siehe Abbildung 1, Originalreferenz beibehalten) unterscheidet sich kaum von traditionellen Verteilungstrockentransformatoren in Design, Verarbeitung und Herstellung – der wesentliche Unterschied liegt in ihrer Spannungserhöhungsrolle. Üblicherweise wird einem einzelnen Wechselrichter ein passendes Zweiwicklungselement basierend auf seiner Nennleistung und dem Netzespannung zugeordnet.

Da die Neutralpunkt-Grounding des Trockentransformators während des Betriebs des Wechselrichters ausfallen kann und Harmonische vorhanden sind, ist ihre Verbindunggruppe in der Regel Dy11, um eine stabile Ausrüstungslaufzeit zu gewährleisten.

2 Doppelspalt-Trockentransformatoren

In den letzten Jahren werden zur Begrenzung von Kurzschlussströmen und zur Reduzierung der Kapitalkosten zunehmend Spalttransformator (mit einer Wicklung, normalerweise niedrige Spannung, in elektrisch getrennte Äste ²) eingesetzt. Für PV-Projekte sind Doppelspalt-Transformator häufig: zwei unabhängige Wechselrichtereinheiten verbinden sich mit zwei Ästen der Doppelspalt-Wicklung, die unabhängig voneinander oder zusammen betrieben werden können.Angesichts der Wechselrichter-Harmonischen ist ihre Verbindunggruppe in der Regel D, y11y11 oder Y, d11d11. Inländisch sind sie strukturell axial gespalten oder radial gespalten.

Wie in Abbildung 2 (Originalreferenz) gezeigt, hat die Niederspannungswicklung zwei axiale verteilt Äste auf dem gleichen Kern. Die Äste haben keine elektrische, aber magnetische Kopplung (Grad hängt von der Struktur ab ²), und können segmentiert oder drahtgewickelt sein. Die Hochspannungswicklung hat zwei parallele Äste, die den Niederspannungsästen entsprechen, mit ähnlichen Spezifikationen und einer Gesamtkapazität, die der des Transformatorens entspricht.

2.1 Axiale Doppelspalt-Trockentransformatoren

Mit einer symmetrischen Struktur und gleichmäßiger Flussleckage leistet es gut bei Durchgangs- und Halbdurchgangsbetrieb. Die hohe Impedanz zwischen den axial gespaltenen Ästen reduziert Kurzschlussströme und stellt sicher, dass ein Ast weiterlaufen kann, wenn der andere ausfällt.

Allerdings verdoppeln sich bei der Hochspannungswicklung (zwei parallele Wicklungen) die Windungen, wobei der Leiterquerschnitt halbiert wird im Vergleich zum Konventionellen. Ein 35kV-D-Verbunddesign stößt auf Fertigungsprobleme (Windungskontrolle, geringe Effizienz), was Sicherheit und Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Darüber hinaus haben die oberen und unteren Niederspannungswicklungen (vertikal angeordnet) etwa 20K Temperaturunterschied (oben heißer aufgrund der Luftkonvektion). Daher muss das Design und die Fertigung verstärkte Temperaturanstiegsprüfungen und angemessene Isolierungsauswahl vornehmen.

2.2 Radiale Doppelspalt-Trockentransformatoren

Gängige radiale Doppelspalt-Trockentransformatoren (Struktur in Abbildung 3) haben zwei radial verteilte Niederspannungswicklungszweige (normalerweise drahtgewickelt, aufgrund der strukturellen Besonderheit) und eine einzige integrierte Hochspannungswicklung.

Die Hochspannungswicklung, mit normalerweise ausgewählten Windungen und Leiterquerschnitt, bietet bessere Wicklungsverarbeitung und -effizienz im Vergleich zu axialen Doppelspalt-Typen. Ihre nahezu perfekte Symmetrie gewährleistet eine gute Ampere-Windungsbalance beim Durchgangs- und Halbdurchgangsbetrieb sowie einen gleichmäßigen Temperaturanstieg der Niederspannungswicklung.

Doch die radial gespaltenen Niederspannungswicklungen haben eine kleine Teilimpedanz und eine große Kopplungskapazität, was die Störungen zwischen den Wicklungen erhöht. Dies beeinträchtigt die Ausgabeleistungsgüte und die Zuverlässigkeit der Wechselrichterkomponenten, wodurch Anpassungen an der Wechselrichter-Seitensteuerschleife und am System erforderlich sind.

2.3 Spezielle Doppelspalt-Trockentransformatoren

Abbildung 4 zeigt ein hybrides Design, das axiale (segmentierte/drahtgewickelte Niederspannung) und radiale (einzelne Hochspannung) Spaltungen kombiniert. Dieses Hybriddesign adressiert Probleme bei radialen Niederspannungen und axialen Hochspannungen, reduziert Kosten und verbessert die Fertigungseffizienz.

Allerdings führt der Halbdurchgangsbetrieb (z.B. aufgrund von Umweltfaktoren oder Wechselrichterfehlern) zu schwerwiegenden Ampere-Windungsimbalancen, was zu Endwicklungsflussleckagen und Überhitzungen führt. Dieses Design ist daher hochriskant.

3 Schlussfolgerung

Netzgekoppelte PV-Transformator verwenden hauptsächlich Zweiwicklungs- (Spannungserhöhung, D, y11) oder Doppelspalt-Konfigurationen. Wichtige Empfehlungen für Doppelspalt-Designs:

• Erhalten Sie eine ausreichende Niederspannungs-Abspaltungsimpedanz für die Leistungsgüte.

• Berücksichtigen Sie die axiale Spalttemperaturdifferenz bei der Isolierungsauswahl.

• Verwenden Sie Y, d11d11 für 35kV-Anwendungen.

• Vermeiden Sie spezielle Hybriddesigns aufgrund der Risiken des Halbdurchgangsbetriebs.