Spoelingconfiguratie van droogtransformatoren voor netgekoppelde PV-krachtgeneratie

Zonnepanelen voor fotovoltaïsche energieopwekking, een belangrijke vorm van zonne-energiegebruik, zetten zonlicht om in elektriciteit via zonnecellen. Vrij van bronnen-, materiaal- of milieu-beperkingen en milieuvriendelijk, biedt het brede toekomstperspectieven en is het een prioritaire hernieuwbare energietechnologie wereldwijd. In netwerkverbonden PV-systemen zijn transformatoren (belangrijkste energie-omzetapparatuur) essentieel. Huidige stroom-staptransformatoren voor PV gebruiken voornamelijk 10 kV/35 kV SC-reeks epoxy-geïsoleerde droogtransformatoren, verdeeld in twee-wikkelingstype en dubbele splitsingstype. Dit artikel gaat in detail op hun selectie in.

1 Twee-wikkelingstype droogtransformatoren

De structuur van twee-wikkelingstype droogtransformatoren voor PV (zie figuur 1, originele referentie behouden) verschilt weinig van traditionele distributiedroogtransformatoren in ontwerp, proces en fabricage - het kernverschil is hun stroom-stapfunctie. Meestal krijgt een enkele inverter een passend twee-wikkelingstype apparaat gebaseerd op de nominale uitvoer en het netvoltage.

Gezien het feit dat de neutrale punt van de droogtransformator kan falen tijdens de werking van de inverter en harmonische golven aanwezig zijn, is de verbindinggroep meestal Dy11 om stabiele werking van de apparatuur te garanderen.

2 Dubbel-splitsingstype droogtransformatoren

In recente jaren worden splitsingstransformatoren (met één wikkeling, meestal laagspanning, gesplitst in elektrisch onafhankelijke takken ²) steeds meer geadopteerd om kortsluitstroom te beperken en kapitaalkosten te verlagen. Voor PV-projecten zijn dubbel-splitsingstransformatoren algemeen: twee onafhankelijke invertereenheden sluiten aan op twee takken van de dubbel-splitsingwikkeling, die onafhankelijk of samen kunnen werken.Met inachtneming van inverterharmonische golven is de verbindinggroep meestal D, y11y11 of Y, d11d11. Binnenlandse modellen zijn structureel axiaal-gesplitst of radiaal-gesplitst.

Zoals getoond in Figuur 2 (originele referentie), heeft de laagspanningswikkeling twee axiaal verdeelde takken op dezelfde kern. De takken hebben geen elektrische, maar magnetische koppeling (graad afhankelijk van de structuur ²), en kunnen segmentair of draadgewikkeld zijn. De hoogspanningswikkeling heeft twee parallelle takken die overeenkomen met de laagspanningswikkelingen, met vergelijkbare specificaties en een totale capaciteit gelijk aan die van de transformator.

2.1 Axiaal dubbel-splitsingstype droogtransformatoren

Met een symmetrische structuur en uniforme lekkagevloed presteert het goed bij door/half-door operatie. Grote impedantie tussen axiaal-gesplitste takken vermindert kortsluitstroom, waardoor een tak kan blijven werken als de andere faalt.

Echter, de hoogspanningswikkeling (twee parallelle wikkelingen) verdubbelt de windingen maar halveert de geleiderdoorsnede ten opzichte van conventionele. Een 35kV D-aangesloten ontwerp stuit op windingproductieproblemen (wendingcontrole, lage efficiëntie), wat de veiligheid/betrouwbaarheid beïnvloedt.

Daarnaast hebben de bovenste/onderste laagspanningswikkelingen (verticaal gerangschikt) een temperatuurverschil van ongeveer 20K (boven warmer door luchtconventie). Daarom is er behoefte aan verhoogde temperatuurstijgingscontroles en juiste isolatiekeuze in het ontwerp en de fabricage.

2.2 Radiaal dubbel-splitsingstype droogtransformatoren

Gewone radiaal dubbel-splitsingstype droogtransformatoren (structuurindeling in figuur 3) hebben twee radiaal verdeelde laagspanningswikkelingtakken (meestal draadgewikkeld, vanwege de structuur) en een enkele geïntegreerde hoogspanningswikkeling.

De hoogspanningswikkeling, met normaal geselecteerde wendingen en geleiderdoorsnede, heeft een betere windingproces/efficiëntie dan axiale dubbel-splitsingstypes. De bijna perfecte symmetrie zorgt voor een goede ampèrewendingbalans bij door/half-door operatie, plus een uniforme temperatuurstijging van de laagspanningswikkeling.

Echter, radiaal-gesplitste laagspanningswikkelingen hebben een kleine divisie-impedantie en grote koppelcapaciteit, wat de interferentie tussen de windingen verhoogt. Dit beïnvloedt de uitvoerkwaliteit en de betrouwbaarheid van de invertercomponenten, waarbij aanpassingen nodig zijn aan de inverterzijde controlelus en systeem.

2.3 Speciale dubbel-splitsingstype droogtransformatoren

Figuur 4 toont een hybride ontwerp dat axiale (segmentaire/draadgewikkelde laagspanningswikkeling) en radiale (enkele hoogspanningswikkeling) splitsingen combineert. Deze hybride lost problemen met radiale laagspannings- en axiale hoogspanningswikkelingen op, verlaagt kosten en verbetert de productie-efficiëntie.

Echter, half-door operatie (bijvoorbeeld door omgevingsfactoren of inverterfouten) veroorzaakt ernstige ampèrewending-onbalans, wat leidt tot uiteinde-lekkagevloed en oververhitting. Dit ontwerp is dus hoog-risico.

3 Conclusie

Netwerkverbonden PV-transformatoren gebruiken voornamelijk twee-wikkelingstype (stroom-stap, D, y11) of dubbel-splitsingconfiguraties. Belangrijke aanbevelingen voor dubbel-splitsingdesigns:

• Behoud voldoende laagspanningsdivisie-impedantie voor kwaliteit van de energie.

• Rekening houden met axiale splitsingstemperatuurverschillen bij isolatiekeuze.

• Gebruik Y, d11d11 voor 35kV-toepassingen.

• Verwijder speciale hybride designs vanwege half-door-operatie-risico's.