Configuración de Enrollamiento de Transformadores Secos para Generación de Energía Fotovoltaica Conectada a la Red

La generación de energía eléctrica fotovoltaica, una forma clave de uso de la energía solar, convierte la luz solar en electricidad a través de células solares. Libre de limitaciones de recursos, materiales o ambientales y ecológicamente amigable, tiene amplias perspectivas y es una tecnología de energía renovable prioritaria a nivel global. En los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, las transformadoras (equipo central de conversión de energía) son esenciales. Las actuales transformadoras elevadoras para PV utilizan principalmente unidades de tipo seco con aislamiento de resina epoxi de la serie SC de 10 kV/35 kV, divididas en tipos de dos bobinados y doble división. Este documento detalla su selección.

1 Transformadores de tipo seco de dos bobinados

La estructura de los transformadores de tipo seco de dos bobinados para PV (como en la Figura 1, referencia original mantenida) difiere poco de los tradicionales de distribución de tipo seco en diseño, proceso y fabricación; la diferencia principal es su papel de elevación. Generalmente, un solo inversor obtiene una unidad de dos bobinados que se ajusta a su salida nominal y al voltaje de la red.

Dado que el punto neutro de la transformadora de tipo seco puede fallar durante la operación del inversor y existen armónicos, su grupo de conexión suele ser Dy11 para garantizar el funcionamiento estable del equipo.

2 Transformadores de tipo seco de doble división

En los últimos años, para limitar las corrientes de cortocircuito y reducir los costos iniciales, se adoptan cada vez más transformadores divididos (con un bobinado, generalmente de baja tensión, dividido en ramas eléctricamente desconectadas ²). Para los proyectos de PV, son comunes los transformadores de doble división: dos unidades de inversores independientes se conectan a dos ramas del bobinado de doble división, operables de manera independiente o conjunta.Considerando los armónicos del inversor, su grupo de conexión suele ser D, y11y11 o Y, d11d11. En el país, son estructuralmente divididos axialmente o radialmente.

Como se muestra en la Figura 2 (referencia original), el bobinado de baja tensión tiene dos ramas distribuidas axialmente en el mismo núcleo. Las ramas no tienen acoplamiento eléctrico pero sí magnético (el grado depende de la estructura ²), y pueden ser segmentadas o de hilo enrollado. El bobinado de alta tensión tiene dos ramas paralelas que coinciden con las de baja tensión, con especificaciones similares y una capacidad total igual a la del transformador.

2.1 Transformadores de tipo seco de doble división axial

Con una estructura simétrica y un flujo de fuga uniforme, se desempeñan bien en operación completa o semicompleta. La gran impedancia entre las ramas divididas axialmente reduce las corrientes de cortocircuito, asegurando que una rama pueda funcionar si la otra falla.

Sin embargo, su bobinado de alta tensión (dos bobinados paralelos) duplica las vueltas pero reduce a la mitad la sección transversal del conductor en comparación con lo convencional. Un diseño D-conectado de 35kV enfrenta problemas de producción de bobinados (control de vueltas, baja eficiencia), afectando la seguridad y confiabilidad.

Además, los bobinados de baja tensión superior e inferior (dispuestos verticalmente) tienen una diferencia de temperatura de aproximadamente 20K (el superior es más caliente debido a la convección del aire). Por lo tanto, el diseño y la fabricación necesitan controles de aumento de temperatura reforzados y una selección adecuada de aislamiento.

2.2 Transformadores de tipo seco de doble división radial

Los transformadores de tipo seco de doble división radial comunes (disposición estructural en la Fig. 3) tienen dos ramas de bobinado de baja tensión distribuidas radialmente (generalmente de hilo enrollado, debido a la especificidad estructural) y un único bobinado de alta tensión integral.

El bobinado de alta tensión, con vueltas y sección transversal de conductor normalmente seleccionadas, presenta un mejor proceso y eficiencia de bobinado que los tipos de doble división axial. Su simetría casi perfecta asegura un buen equilibrio de amperios-vueltas en operación completa o semicompleta, además de un aumento uniforme de la temperatura del bobinado de baja tensión.

Sin embargo, los bobinados de baja tensión divididos radialmente tienen una impedancia de división pequeña y una capacitancia de acoplamiento grande, aumentando la interferencia interbobinada. Esto afecta la calidad de la potencia de salida y la confiabilidad de los componentes del inversor, requiriendo ajustes en el bucle de control del lado del inversor y del sistema.

2.3 Transformadores de tipo seco de doble división especiales

La Fig. 4 muestra un diseño híbrido que combina divisiones axiales (de baja tensión segmentadas o de hilo enrollado) y radiales (único de alta tensión). Este diseño híbrido aborda los problemas de los de baja tensión radiales y los de alta tensión axiales, reduciendo costos y mejorando la eficiencia de fabricación.

Sin embargo, la operación semicompleta (por ejemplo, debido a factores ambientales o fallos del inversor) causa un desequilibrio severo de amperios-vueltas, llevando a un flujo de fuga en los extremos del bobinado y sobrecalentamiento. Este diseño es, por lo tanto, de alto riesgo.

3 Conclusión

Las transformadoras conectadas a la red para PV utilizan principalmente configuraciones de dos bobinados (elevadoras, D, y11) o de doble división. Recomendaciones clave para diseños de doble división:

• Mantener suficiente impedancia de división de baja tensión para la calidad de la potencia.

• Tener en cuenta las diferencias de temperatura en la división axial en la selección de aislamiento.

• Usar Y, d11d11 para aplicaciones de 35kV.

• Evitar diseños híbridos especiales debido a los riesgos de operación semicompleta.