Spolekonfiguration för torrtransformatorer för nätanslutna solcellsanläggningar

Solceller för fotovoltaisk elproduktion, en viktig form av solenergianvändning, omvandlar solljus till elektricitet via solceller. Fria från resurs-, material- eller miljöbegränsningar och miljövänliga, har de breda utsikter och är en prioriteter förnybar teknik globalt. I nätanslutna PV-system är transformatorer (kärnenergikonverteringsutrustning) essentiella. Aktuella stegupptransformatorer för PV använder huvudsakligen 10 kV/35 kV SC-serie epoxiisolade torrtransformatorer, indelade i tvåvindings- och dubbelsplitstyper. Detta dokument detaljerar deras val.

1 Tvåvindings torrtransformatorer

Strukturen för tvåvindings torrtransformatorer för PV (se figur 1, ursprunglig referens bevarad) skiljer sig inte mycket från traditionella distributions-torrtransformatorer i design, process och tillverkning – det kritiska skillnadsdraget är deras stegupp-funktion. Vanligtvis får en enskild inverter en matchande tvåvindingsenhet baserat på dess nominella utmatning och nätspänning.

Eftersom neutralpunktskopplingen av torrtransformatorn kan misslyckas under inverterdrift och harmoniska vågor finns, är kopplingsgruppen vanligtvis Dy11 för att säkerställa stabilt driftsättande av utrustningen.

2 Dubbelsplit torrtransformatorer

Under de senaste åren, för att begränsa kortslutningsströmmar och minska kapitalkostnader, används splittransformatorer (där en vindning, vanligtvis lågspänningsvindning, delas upp i elektriskt oberoende grenar ²) alltmer. För PV-projekt är dubbelsplittransformatorer vanliga: två oberoende inverterenheter ansluter till två grenar av den dubbelsplitade vindningen, operativa oberoende eller tillsammans.Med tanke på inverterharmonier, är deras kopplingsgrupp vanligtvis D, y11y11 eller Y, d11d11. Inrikes är de strukturellt axiellt-splitade eller radiellt-splitade.

Som visas i figur 2 (ursprunglig referens), har lågspänningsvindningen två axiellt fördelade grenar på samma kärna. Grenarna har ingen elektrisk men magnetisk koppling (graden beror på struktur ²), och kan vara segmentala eller tråddragna. Högspänningsvindningen har två parallella grenar som matchar de lågspänningsgrenarna, med liknande specifikationer och total kapacitet motsvarande transformatorns.

2.1 Axiell dubbelsplit torrtransformator

Med en symmetrisk struktur och jämn läckageflöde presterar den bra vid genom/halvgennom-drift. Stort impedans mellan axiellt-splitade grenar minskar kortslutningsströmmar, vilket säkerställer att en gren kan fungera om den andra misslyckas.

Dock har dess högspänningsvindning (två parallella vindningar) dubbla varv men halva ledarsnitt jämfört med konventionella. En 35kV D-kopplad design står inför vindningsproduktionsproblem (varvkontroll, låg effektivitet), vilket påverkar säkerhet/reliabilitet.

Även, övre/nedre lågspänningsvindningar (placerade vertikalt) har en temperaturskillnad på ~20K (övre är varmare pga luftkonvektion). Så, design/tillverkning behöver förbättrade temperaturhöjningskontroller och korrekt isoleringsval.

2.2 Radiell dubbelsplit torrtransformator

Vanliga radiella dubbelsplit torrtransformatorer (strukturell layout i fig. 3) har två radiellt fördelade lågspänningsvindningsgrenar (vanligtvis tråddragna, pga strukturell specificitet) och en enda integrerad högspänningsvindning.

Högspänningsvindningen, med normalt valda varv och ledarsnitt, har bättre vindningsprocess/effektivitet än axiella dubbelsplittyper. Dess nästan perfekta symmetri säkerställer god ampereturnbalans vid genom/halvgennom-drift, plus jämn temperaturhöjning i lågspänningsvindningen.

Men, radiellt-splitade lågspänningsvindningar har litet delningsimpedans och stor kopplingskapacitans, vilket ökar inter-vindningsstörningar. Detta påverkar utmattningsekvaliteten och pålitligheten hos inverterkomponenterna, vilket kräver justeringar i inverter-sidans kontrollloop och system.

2.3 Special dubbelsplit torrtransformatorer

Fig.4 visar en hybriddesign som kombinerar axiell (segment/tråddragna lågspänningsvindning) och radiell (enkel högspänningsvindning) split. Denna hybrid löser problem med radiella lågspännings- och axiella högspänningsvindningar, minskar kostnader och förbättrar tillverknings effektivitet.

Men, halvgennom-drift (t.ex. pga miljöfaktorer eller inverterfel) orsakar allvarlig ampereturnobalans, vilket leder till slutvindningsläckageflöde och överhettning. Denna design är därför högrisk.

3 Slutsats

Nätanslutna PV-transformatorer använder huvudsakligen tvåvindings (stegupp, D, y11) eller dubbelsplitkonfigurationer. Viktiga rekommendationer för dubbelsplit-designer:

• Bevara tillräckligt lågspänningsdelningsimpedans för energikvalitet.

• Ta hänsyn till axiella splits temperaturdifferenser vid isoleringsval.

• Använd Y, d11d11 för 35kV-användning.

• Undvik specialhybrid-designer på grund av risker vid halvgennom-drift.