Configuração de Enrolamento de Transformadores Secos para Geração de Energia Fotovoltaica Conectada à Rede

A geração de energia elétrica fotovoltaica, uma forma-chave de utilização da energia solar, converte a luz solar em eletricidade através de células solares. Livre de limitações de recursos, materiais ou ambientais e ecologicamente correta, possui amplas perspectivas e é uma tecnologia de energia renovável prioritária globalmente. Nos sistemas fotovoltaicos conectados à rede, os transformadores (equipamentos centrais de conversão de energia) são essenciais. Os transformadores elevadores atuais para PV usam principalmente unidades do tipo seco isoladas com resina epóxi da série SC de 10 kV/35 kV, divididos em tipos de dois enrolamentos e dupla divisão. Este artigo detalha sua seleção.

1 Transformadores Secos de Dois Enrolamentos

A estrutura dos transformadores secos de dois enrolamentos para PV (como na Figura 1, referência original mantida) difere pouco dos tradicionais transformadores secos de distribuição em termos de design, processo e fabricação - a principal diferença é seu papel de elevação. Geralmente, um único inversor recebe uma unidade de dois enrolamentos correspondente com base em sua potência nominal de saída e tensão da rede.

Considerando que o ponto neutro do transformador seco pode falhar durante a operação do inversor e que existem harmônicos, seu grupo de conexão geralmente é Dy11 para garantir o funcionamento estável do equipamento.

2 Transformadores Secos de Dupla Divisão

Nos últimos anos, para limitar as correntes de curto-circuito e reduzir os custos de capital, transformadores divididos (com um enrolamento, geralmente de baixa tensão, dividido em ramos eletricamente desconectados ²) estão sendo cada vez mais adotados. Para projetos de PV, transformadores de dupla divisão são comuns: duas unidades de inversores independentes se conectam a dois ramos do enrolamento de dupla divisão, operáveis independentemente ou juntos.Considerando os harmônicos do inversor, seu grupo de conexão geralmente é D, y11y11 ou Y, d11d11. No país, eles são estruturalmente divididos axialmente ou radialmente.

Como mostrado na Figura 2 (referência original), o enrolamento de baixa tensão tem dois ramos distribuídos axialmente no mesmo núcleo. Os ramos não têm acoplamento elétrico, mas magnético (grau depende da estrutura ²), e podem ser segmentados ou enrolados com fio. O enrolamento de alta tensão tem dois ramos paralelos correspondentes aos de baixa tensão, com especificações semelhantes e capacidade total igual ao do transformador.

2.1 Transformadores Secos de Dupla Divisão Axial

Com uma estrutura simétrica e fluxo de fuga uniforme, apresenta bom desempenho em operação passante/meia-passante. A grande impedância entre os ramos divididos axialmente reduz as correntes de curto-circuito, garantindo que um ramo possa operar se o outro falhar.

No entanto, seu enrolamento de alta tensão (dois enrolamentos paralelos) duplica as voltas, mas reduz pela metade a seção transversal do condutor em comparação com o convencional. Um projeto de 35kV D-conectado enfrenta problemas de produção de enrolamento (controle de voltas, baixa eficiência), afetando a segurança e confiabilidade.

Além disso, os enrolamentos de baixa tensão superior/inferior (dispostos verticalmente) têm uma diferença de temperatura de cerca de 20K (o superior é mais quente devido à convecção de ar). Portanto, o design e a fabricação precisam de verificações aprimoradas de aumento de temperatura e seleção adequada de isolamento.

2.2 Transformadores Secos de Dupla Divisão Radial

Os transformadores secos de dupla divisão radial comuns (disposição estrutural na Fig. 3) têm dois ramos de enrolamento de baixa tensão distribuídos radialmente (geralmente enrolados com fio, devido à especificidade estrutural) e um único enrolamento de alta tensão integral.

O enrolamento de alta tensão, com voltas e seção transversal de condutor normalmente selecionadas, apresenta melhor processo/eficiência de enrolamento do que os tipos de dupla divisão axial. Sua simetria quase perfeita garante bom equilíbrio de ampère-voltas em operação passante/meia-passante, além de aumento uniforme da temperatura do enrolamento de baixa tensão.

No entanto, os enrolamentos de baixa tensão divididos radialmente têm pequena impedância de divisão e grande capacitância de acoplamento, aumentando a interferência inter-enrolamento. Isso impacta a qualidade da potência de saída e a confiabilidade dos componentes do inversor, exigindo ajustes no loop de controle do lado do inversor e no sistema.

2.3 Transformadores Secos de Dupla Divisão Especiais

A Fig.4 ilustra um design híbrido combinando divisões axiais (enrolamento de baixa tensão segmentado/enrolado com fio) e radiais (único de alta tensão). Este híbrido aborda os problemas de baixa tensão radial e alta tensão axial, reduzindo custos e melhorando a eficiência de fabricação.

No entanto, a operação meia-passante (por exemplo, devido a fatores ambientais ou falhas do inversor) causa um sério desequilíbrio de ampère-voltas, levando a fluxo de fuga no final do enrolamento e superaquecimento. Este design, portanto, é de alto risco.

3 Conclusão

Os transformadores de PV conectados à rede usam principalmente configurações de dois enrolamentos (elevador, D, y11) ou de dupla divisão. Recomendações-chave para designs de dupla divisão:

• Manter impedância de divisão de baixa tensão suficiente para a qualidade da energia.

• Levar em conta as diferenças de temperatura na divisão axial na seleção do isolamento.

• Usar Y, d11d11 para aplicações de 35kV.

• Evitar designs híbridos especiais devido aos riscos de operação meia-passante.