¿Cuáles son las consideraciones clave para la selección de un transformador fotovoltaico?

Principios de dimensionamiento y parámetros técnicos de los transformadores fotovoltaicos

El dimensionamiento de transformadores fotovoltaicos requiere una consideración integral de múltiples factores, incluyendo la compatibilidad de capacidad, la selección de la relación de voltaje, la configuración de impedancia en cortocircuito, la determinación de la clase de aislamiento y la optimización del diseño térmico. Los principios clave de dimensionamiento son los siguientes:

(I) Compatibilidad de capacidad: Fundamental para la carga soportada

La compatibilidad de capacidad es el requisito previo fundamental en el dimensionamiento de transformadores fotovoltaicos. Requiere un emparejamiento preciso de la capacidad del transformador con la capacidad instalada del sistema fotovoltaico y la potencia máxima de salida esperada, asegurando un funcionamiento estable bajo la carga prevista. La fórmula de cálculo de la capacidad es:

donde U₂ representa el voltaje secundario del transformador (típicamente 400V). Considerando la variabilidad inherente de los sistemas fotovoltaicos (por ejemplo, fluctuaciones de luz solar y cambios de carga), el cálculo debe incorporar un margen de seguridad (1.1–1.2 veces), un coeficiente de fluctuación de la tasa de carga (por ejemplo, KT = 1.05) y el factor de potencia (generalmente 0.95).

Ejemplo: Para un sistema fotovoltaico con una potencia pico de 500kW, se puede seleccionar un transformador de 630kVA, 800V/400V para adaptarse a diferentes condiciones de luz solar y carga. Además, de acuerdo con las Guías Técnicas para la Conexión a Red de Energía Fotovoltaica Distribuida, la capacidad de una sola estación de energía fotovoltaica distribuida no debe exceder el 25% de la carga máxima en el área de suministro eléctrico del transformador superior, para evitar impactos en la red.

(II) Selección de la relación de voltaje: Adaptación a fluctuaciones y regulación de voltaje

La relación de voltaje debe alinearse con las características de salida del sistema fotovoltaico (el voltaje del inversor típicamente fluctúa ±5%) y los requisitos de conexión a la red, presentando capacidades de ajuste dinámico. Existen dos métodos principales de ajuste:

• Ajuste mediante cambiador de tomas: Aplicable a transformadores con cambio de tomas sin carga, generalmente con tres tomas ±5% (por ejemplo, 10.5kV/10kV/9.5kV), requiriendo una operación de apagado.

• Ajuste mediante módulo de regulación automática de voltaje: Aplicable a transformadores con cambio de tomas bajo carga, permitiendo un ajuste dinámico en línea con un tiempo de respuesta ≤200ms.

En la operación real, se deben seleccionar las tomas apropiadas según las características de la carga: toma de 5% para cargas ligeras, y tomas de 2.5% o 0% para cargas pesadas, equilibrando el aumento de voltaje durante la generación fotovoltaica alta y la caída de voltaje durante las cargas pico nocturnas.

(III) Configuración de impedancia en cortocircuito: Equilibrio entre protección y estabilidad

La impedancia en cortocircuito debe diseñarse según el nivel de corriente de cortocircuito del sistema y el tipo de transformador (sumergido en aceite/seco), con la fórmula de cálculo:

Sumergido en aceite: 4%–8%; seco: 6%–12%. Para transformadores grandes (por ejemplo, 9150kVA), aumentar la impedancia ( Zk ≥ 20% ). Realizar la corrección de temperatura (75°C para sumergidos en aceite, 120°C para secos).

(IV) Clase de aislamiento

Adecuada para entornos exteriores. Preferir Clase F (155°C) o H (180°C). Usar Clase H para desiertos, materiales resistentes a salpicaduras de sal para costas, aislamiento resistente a la humedad para altas humedades. Considerar el envejecimiento térmico: +6°C duplica el envejecimiento; -6°C lo reduce a la mitad.

(V) Diseño térmico

Optimizar según el entorno. Métodos de enfriamiento: aire natural/forzado, autorefrigeración sumergida en aceite. Para áreas de alta temperatura: aire forzado o híbrido; alta humedad: seco + conductos axiales; alto polvo: IP54 + filtros. Una estación en desierto usa refrigeración líquida de microcanales (7:3 agua desionizada + etilenglicol) para 3× eficiencia.

V. Dimensionamiento e inspección para diferentes escenarios

Soluciones para escenarios típicos:

(I) Conectado a red

Dimensionamiento: Cubrir inversor/potencia auxiliar + 1.15× margen (por ejemplo, 1092.5kVA). Ajustar ±5% de voltaje, 4%–8% de impedancia, ≥Clase F, enfriamiento natural/aire-aceite. Inspección: Verificar aislamiento, THD ≤ 5%, regulación de voltaje (±2.5%), impedancia (±2% del valor de fábrica).

(II) Sin conexión a red

Dimensionamiento: 1.2–1.5× potencia de carga. Adaptar al inversor (por ejemplo, 800V/400V), 6%–12% de impedancia, ≤200ms de regulación de voltaje, devanados de 400V + 220V. Inspección: Probar sobrecarga (≥120%), respuesta de regulación de voltaje, equilibrio de voltaje y fluctuaciones del sistema.
 

(III) Alta temperatura

Dimensionamiento: Seco + aire forzado o sumergido en aceite + aceite naftenático. Usar aislamiento de alta temperatura, IP55, ventiladores de arranque/parada 80°C/60°C. Inspección: Termografía trimestral, pruebas de aceite semestrales, verificar enfriamiento, monitorear temperatura de los devanados.

(IV) Alta humedad/costero

Dimensionamiento: Seco epoxi IP65, 316L + recubrimiento fluorocarbono, aislamiento resistente a la sal, espaciado aumentado. Inspección: Verificar recubrimiento, humedad/gases en el aceite, prueba de salpicadura de sal (≤5% de caída de potencia), monitorear hidrógeno.

(V) Alto polvo

Dimensionamiento: Totalmente sellado, IP54, filtros de tres etapas, área de enfriamiento ampliada, devanados resistentes al desgaste. Inspección: Reemplazar filtros trimestralmente, termografía, verificar protección contra polvo, limpiar regularmente.

(VI) Interferencia electromagnética

Dimensionamiento: Devanados sándwich (≤500pF), filtros LC (THD ≤ 4%), cumplir EMC (GB/T 21419-2013), comunicaciones redundantes. Inspección: Pruebas anuales de EMC, monitorear armónicos/desequilibrios, verificar tierra (≤0.5Ω), probar error de bit 10^-8.

(VII) Integración de almacenamiento de energía fotovoltaica

Dimensionamiento: Integrar PCS (Modbus RTU), devanados de 400V + 220V, compensación reactiva ≤200ms, considerar cargas combinadas. Inspección: Verificar compatibilidad de PCS, equilibrio de voltaje (≤1%), probar regulación de voltaje (≤±2%), verificar conexiones de almacenamiento.

Resumen: El emparejamiento preciso de la capacidad, voltaje, impedancia, aislamiento y diseño térmico, junto con una inspección exhaustiva, garantiza un funcionamiento seguro, eficiente y de larga duración, alineado con el desarrollo de la energía fotovoltaica distribuida en función de los objetivos de carbono.