Трансформатор повышающий для солнечных фотоэлектрических систем: как рассчитать его мощность, почему гармоники инвертора определяют технические характеристики и что меняется в диапазоне от 0,8 кВ до 35 кВ

Сначала ответ: повышающий трансформатор для солнечной электростанции выбирают по выходной мощности инвертора на стороне переменного тока и по гармонической нагрузке, а не по номинальной мощности массива на стороне постоянного тока

Повышающий трансформатор для солнечной электростанции выбирают по выходной мощности инвертора на стороне переменного тока — с учётом снижения номинала из-за гармонического нагрева и высокой температуры окружающей среды, — а не по пиковой мощности массива на стороне постоянного тока. На солнечной электростанции промышленного масштаба повышающий трансформатор, устанавливаемый после инвертора, выбирают исходя примерно из номинальной мощности инвертора на стороне переменного тока, повышая напряжение с 0,4 кВ / 0,48 кВ / 0,8 кВ до напряжения сборных шин 10–35 кВ за одну ступень, после чего главный повышающий трансформатор поднимает напряжение сборных шин до 110 кВ или 220 кВ. Реальную спецификацию определяют три входных параметра: гармонический ток инвертора (коэффициент искажения синусоидальности тока удерживается на уровне около 5%, а инжекция постоянного тока ограничена значением менее 0,5%), режим работы при частичной нагрузке в течение всего дня (трансформатор находится под напряжением 8 760 часов в году, но при высокой нагрузке — лишь несколько часов в сутки, поэтому потери холостого хода определяют стоимость жизненного цикла) и наружные условия эксплуатации (высокая температура окружающей среды, солнечная радиация, влажность и прибрежная коррозия). Правильно учтите эти три фактора — и трансформатор станет активом со сроком службы 25 лет, а не самым слабым звеном электростанции в полдень.

Ключевые выводы

• Выбор по выходной мощности на стороне переменного тока, а не по номиналу массива на стороне постоянного тока. Повышающий трансформатор устанавливается после инвертора, поэтому основой для расчёта служит номинальная мощность инвертора на стороне переменного тока, а не пиковая мощность массива на стороне постоянного тока в кВт. Соотношение DC/AC (перегрузка по панелям) выше 1,0 повышает выработку, но не увеличивает мощность трансформатора в кВА.
• Гармоники инвертора определяют тепловое снижение номинала. Современные фотоэлектрические инверторы удерживают коэффициент искажения синусоидальности тока на уровне около 5%, но их коммутационные гармоники всё равно добавляют потери на вихревые токи и добавочные потери, поэтому в спецификацию следует включить номинал по K-фактору (или документированное снижение номинала по IEEE C57.110) и электростатический экран.
• Фотоэлектрическая нагрузка — это нагрузка при частичной мощности в течение всего дня. Потери холостого хода (в стали) происходят 8 760 часов в году, тогда как нагрузочные потери — только в светлое время суток, поэтому более высокий класс потерь (S13/S20) или аморфный сердечник часто выигрывают по стоимости жизненного цикла.
• Архитектура напряжений определяет, сколько трансформаторов вы покупаете. Одна ступень повышения (0,8 → 35 кВ) против низковольтной ступени повышения плюс главный агрегат 35/110 кВ — это меняет и стоимость, и потери; это решение системного проектирования, а не выбор из каталога.
• Соответствие требованиям сетевого кодекса — это требование к трансформатору. Устойчивость к провалам напряжения, ограничения инжекции постоянного тока и координация уровней токов короткого замыкания (задаваемые напряжением короткого замыкания трансформатора) — всё это отражается в спецификации трансформатора.

Почему повышающий трансформатор для солнечной электростанции — это не стандартный распределительный трансформатор

Распределительный трансформатор понижает напряжение низковольтной сети до потребителя и работает при относительно постоянной нагрузке. Повышающий трансформатор для солнечной электростанции делает почти противоположное: он принимает низковольтный выход переменного тока инвертора и повышает его до напряжения сборных шин — в трёх условиях, которые меняют подход к его проектированию.

Во-первых, нагрузка богата гармониками. Фотоэлектрический инвертор — это силовой электронный входной каскад, который коммутируется на высокой частоте и инжектирует ток, близкий к синусоиде, но не являющийся ею в точности. Инверторы, подключённые к сети, обязаны поддерживать низкий уровень искажения тока (коэффициент искажения синусоидальности тока обычно ниже 5%) и инжекцию постоянного тока на уровне менее примерно 0,5% номинального тока, но даже соответствующие требованиям инверторы оставляют пульсации на коммутационной частоте и низкочастотные гармоники (5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю), которые создают дополнительные потери на вихревые токи и добавочные потери в обмотках. Это та же физика, что лежит в основе трансформаторов с K-фактором, описанная в наших руководствах по гармоникам трансформаторов и выбору трансформатора по K-фактору.

Во-вторых, нагрузка следует за солнцем. Мощность нарастает от нуля на рассвете до максимума в солнечный полдень и снова падает до нуля на закате, поэтому большую часть дня трансформатор работает при доле от своего номинала. Агрегат, который выглядит завышенным по номиналу при расчёте по годовой энергии, обычно правильно подобран по тепловому режиму, — но именно его потери холостого хода, а не нагрузочные потери, накапливаются каждый час. Эта асимметрия меняет аргументацию в пользу эффективности.

В-третьих, условия эксплуатации суровые. Солнечные электростанции располагаются в полях, степях, пустынях и на прибрежных площадках: высокая температура окружающей среды, интенсивная солнечная радиация, широкие суточные колебания температуры, пыль и (вблизи побережья) воздух с высоким содержанием соли. Трансформатор, рассчитанный на помещение с температурой 25 °C, не обязательно подходит для наружной площадки с температурой 45 °C.

Как подобрать повышающий трансформатор для солнечной фотоэлектрической станции: метод из трёх шагов

Арифметика — не самая сложная часть; главное — правильно определить исходные данные. Та же логика со стороны нагрузки, что применима к любой площадке, действует и здесь, как описано в нашем руководстве по расчёту распределительной системы.

Шаг 1 — Берите выходную мощность инвертора на стороне переменного тока, а не номинал массива на стороне постоянного тока

Просуммируйте выходную мощность на стороне переменного тока инверторов, которые будет обслуживать трансформатор, при расчётной температуре окружающей среды на площадке (выходная мощность инвертора снижается с нагревом, поэтому используйте значение для жаркого дня). Блок мощностью 1 МВт переменного тока, центральный инвертор которого выдаёт 1 000 кВт при 0,8 кВ, подаёт на трансформатор 1 000 кВт мощности переменного тока — независимо от того, составляет ли массив за ним 1 200 или 1 400 кВт пиковой мощности постоянного тока. Соотношение DC/AC выше 1,0 улучшает выработку в облачные дни, утром и вечером, но не увеличивает номинал трансформатора: через трансформатор протекает мощность переменного тока.

Шаг 2 — Переведите в кВА и примените запас

Переведите мощность инвертора в кВт переменного тока в кВА, используя выходной коэффициент мощности инвертора (близкий к единице, около 0,99 для современных трёхфазных агрегатов): 1 000 кВт ÷ 0,99 ≈ 1 010 кВА. Затем добавьте проектный запас на температуру окружающей среды и будущую модернизацию — обычно 10–20% для трансформатора, размещённого в условиях высокой температуры. Полученный результат (около 1 100–1 250 кВА) округляется вверх до следующего стандартного номинала, например 1 250 кВА или 1 600 кВА.

Шаг 3 — Задайте гармонический и тепловой класс

Выберите K-фактор (или стандартный агрегат с документированным снижением номинала по IEEE C57.110), соответствующий гармоническому спектру инвертора, и задайте превышение температуры обмоток, класс изоляции и охлаждение для расчётной температуры окружающей среды. На солнечной электростанции практичной отправной точкой является K-4 — K-9 для современных инверторов с низким уровнем искажений, с электростатическим экраном между низковольтной (инверторной) и высоковольтной (сборных шин) обмотками, чтобы импульсы со стороны сети не достигали инвертора. Для сухих трансформаторов общие требования регулируются стандартами IEEE C57.12.01 и IEC 60076-11.

Архитектура напряжений: от 0,8 кВ до 35 кВ за одну ступень или за две

Место установки трансформатора определяет его коэффициент трансформации и его размер. Четыре архитектуры охватывают практически любую солнечную электростанцию.

Большинство электростанций промышленного масштаба используют одну ступень повышения с низкого на среднее напряжение на блок инвертора (обычно с 0,8 кВ до 35 кВ), затем один главный повышающий трансформатор со сборных шин 35 кВ до 110/220 кВ в точке присоединения. Более мелкие коммерческие электростанции часто ограничиваются одной комплектной повышающей подстанцией до местного среднего напряжения (10/20/33 кВ). Выбор одной или двух ступеней — это системный компромисс: меньше ступеней означает меньше трансформаторов и меньшие суммарные потери холостого хода, но больший ток и стоимость кабелей на низковольтной стороне — баланс, который лучше всего находить по однолинейной схеме электростанции, та же дисциплина, что и в процессе проектирования распределительной системы.

Гармоники инвертора, инжекция постоянного тока и правило K-фактора / IEEE C57.110

Три характеристики инвертора важны для трансформатора:

• Гармоники тока. Инвертор, подключённый к сети, обязан удерживать коэффициент искажения синусоидальности тока на уровне около 5% (область применения IEC 61727 / IEEE 1547), но остаточные 5-я, 7-я, 11-я и 13-я составляющие плюс пульсации на коммутационной частоте всё равно создают потери на вихревые токи и добавочные потери, которые трансформатор должен рассеивать в виде тепла.
• Инжекция постоянного тока. Небольшая составляющая постоянного тока в выходе инвертора (обычное ограничение — 0,5% номинального тока) может смещать поток в сердечнике, повышая ток намагничивания, потери и слышимый шум. Инверторы ограничивают её, но конструкция трансформатора должна её выдерживать, а не исходить из идеально симметричной формы волны.
• Искажение напряжения на сборных шинах. Гармоническое напряжение на средневольтных сборных шинах заставляет трансформатор работать при слегка искажённом потоке, добавляя немного потерь в стали к эффекту со стороны инвертора.

K-фактор — это одно число, описывающее устойчивость к гармоникам: K-1 (только линейные нагрузки), K-4, K-9, K-13 и K-20. Для современного фотоэлектрического инвертора с низким уровнем искажений обычно достаточно агрегата K-4 — K-9; более старые инверторы, несколько инверторов, включённых параллельно на один трансформатор, или трансформатор, разделяемый с другими нелинейными нагрузками, смещают выбор в сторону K-13. Если доступен только стандартный трансформатор, IEEE C57.110 определяет допустимое снижение номинала: при коэффициенте искажения синусоидальности тока примерно 5–20% ожидайте снижения номинала в кВА на величину от низких до средних значений в пределах десятков процентов, растущую с содержанием гармоник и коэффициентом добавочных потерь трансформатора. В круглых числах стандартный агрегат на 1 250 кВА может вести себя как агрегат на ~1 100–1 200 кВА при гармонической фотоэлектрической нагрузке. Учесть это на этапе заказа стоит умеренной надбавки; обнаружить это после ввода в эксплуатацию — значит заменить оборудование.

Эффективность и потери холостого хода: экономика частичной нагрузки солнечной электростанции

Фотоэлектрический трансформатор находится под напряжением до восхода солнца и остаётся под напряжением после заката, поэтому его потери холостого хода (в стали) происходят все 8 760 часов в году, тогда как нагрузочные потери — только в светлое время суток и в основном при частичной нагрузке. За срок службы электростанции 20–25 лет это переворачивает обычный приоритет эффективности: снижение потерь холостого хода за счёт более высокого класса потерь (S13/S20) или конструкции с аморфным сердечником часто окупает дополнительную первоначальную стоимость за несколько лет. Наше сравнение классов потерь и руководство по аморфным сердечникам количественно оценивают этот компромисс, а метод совокупной стоимости владения превращает его в число, которое можно включить в тендер. Поскольку большую часть дня нагрузка находится на уровне частичной мощности, конструкция с немного пониженной индукцией также снижает потери холостого хода и слышимый шум — реальное преимущество на площадках у жилых зон или в шумочувствительных местах. Чтобы рассчитать блок и бюджет за один проход, калькулятор инженерного инструментария принимает данные электростанции и возвращает оборудование и стоимость вместе.

Охлаждение, температура окружающей среды и защита для наружных/прибрежных условий

Наружная фотоэлектрическая эксплуатация означает проектирование для наихудшей температуры окружающей среды, а не для средней. Трансформатор, рассчитанный на температуру окружающей среды 40 °C при стандартном пределе превышения температуры, снижает номинал выше этого значения; расчётная температура окружающей среды для жаркого дня 45–50 °C является нормой для пустынных и тропических площадок, и здесь действуют те же правила, что и для любой высокотемпературной установки, — см. наше руководство по снижению номинала при высокогорье и высокой температуре. Практические требования:

• Класс охлаждения: ONAN для стандартных фотоэлектрических блоков; ONAF там, где требуется компактная компоновка при высокой температуре окружающей среды, как описано в нашем руководстве по методам охлаждения.
• Защита от коррозии: C4 (или C5 для прибрежных площадок с высоким содержанием соли) по ISO 12944, с горячеоцинкованными баками и крепежом из нержавеющей стали.
• Степень защиты оболочки: IP54 или выше для наружных и комплектных корпусов; герметичные конструкции с прокладками для влажных тропических площадок.
• Термическое циклирование: ежедневные полные циклы нагружают прокладки и уплотнения; герметичная конструкция исключает «дыхание», затягивающее влагу в масло, что сравнивается в нашем руководстве по сравнению герметичных трансформаторов и трансформаторов с расширительным баком.

Защита, ток короткого замыкания и соответствие требованиям сетевого кодекса

Три аспекта защиты напрямую вытекают из спецификации трансформатора:

• Напряжение короткого замыкания (Uk%) задаёт уровень тока короткого замыкания. Трансформатор с низким Uk% обеспечивает более точное регулирование напряжения, но более высокий ток короткого замыкания на своих выводах; агрегат с высоким Uk% ограничивает ток короткого замыкания, но ухудшает регулирование и повышает потери. Устойчивость к провалам напряжения по сетевому кодексу (электростанция должна пройти провал напряжения без отключения) достигается координацией управления инвертора с сопротивлением трансформатора — это подробно разобрано в нашем руководстве по расчёту тока короткого замыкания.
• Защита от импульсных перенапряжений. Солнечные электростанции подвержены ударам молний, а сборные шины протяжённые; ограничители перенапряжений с обеих сторон плюс электростатический экран между обмотками защищают инвертор от переходных процессов со стороны сети. Наше руководство по молниезащите охватывает импульсное напряжение (BIL) и запас 1,2×.
• Правила присоединения к сети. IEEE 1547 (Северная Америка) и IEC 61727 плюс национальные сетевые кодексы (например, GB/T 19964 в Китае) устанавливают пределы устойчивости к отклонениям напряжения/частоты, инжекции постоянного тока и качества электроэнергии, которым должна соответствовать электростанция, — пределы, которые трансформатор не должен нарушать из-за плохого регулирования или чрезмерного пропускания тока короткого замыкания.

Контрольный список спецификации повышающего трансформатора для солнечной фотоэлектрической станции

• Основой для расчёта служит выходная мощность инвертора на стороне переменного тока при температуре окружающей среды в жаркий день (а не номинал массива на стороне постоянного тока), с отдельным указанием соотношения DC/AC.
• Коэффициент трансформации и архитектура зафиксированы — низкое напряжение 0,4/0,48/0,8 кВ до среднего напряжения 10/20/33/35 кВ, одна ступень или две.
• K-фактор (или документированное снижение номинала по IEEE C57.110) выбран под гармонический спектр инвертора.
• Электростатический экран между низковольтной и высоковольтной обмотками для защиты инвертора от импульсов со стороны сети.
• Напряжение короткого замыкания (Uk%) выбрано для баланса между координацией токов короткого замыкания и регулированием напряжения и устойчивостью к провалам.
• Класс охлаждения и расчётная температура окружающей среды соответствуют площадке (расчёт на жаркий день 45–50 °C для жаркого климата).
• Класс потерь или аморфный сердечник выбран по экономике потерь холостого хода за 8 760 часов, а не только по первоначальной стоимости.
• Класс коррозионной стойкости (C4/C5 по ISO 12944), степень защиты IP и герметичная конструкция для наружных, прибрежных или влажных площадок.
• Ограничители перенапряжений и низковольтная/средневольтная защита согласованы с уровнем тока короткого замыкания трансформатора и номиналами инвертора.

Источники / 资料来源

• Источник: серия IEC 60076 — Силовые трансформаторы (общие требования, уровни изоляции и диэлектрические испытания)
• Источник: IEC 60076-11 — Силовые трансформаторы — Сухие трансформаторы
• Источник: IEC 60076-16 — Трансформаторы для ветроэнергетических установок (справочник по возобновляемой нагрузке)
• Источник: IEEE C57.110 — Рекомендуемая практика установления нагрузочной способности трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки
• Источник: IEEE C57.12.01 — Общие требования к сухим распределительным и силовым трансформаторам
• Источник: IEEE 1547 — Стандарт на присоединение и взаимодействие распределённых энергоресурсов
• Источник: IEEE 519 — Рекомендуемая практика и требования по контролю гармоник в электроэнергетических системах
• Источник: IEC 61727 — Фотоэлектрические (PV) системы — Характеристики интерфейса с коммунальной сетью
• Источник: IEC 62109-1 / 62109-2 — Безопасность преобразователей мощности для использования в фотоэлектрических энергосистемах
• Источник: UL 1741 — Инверторы, преобразователи, контроллеры и оборудование систем присоединения для использования с распределёнными энергоресурсами
• Источник: GB/T 19964 — 光伏发电站接入电力系统技术规定 (Технические требования к присоединению фотоэлектрических электростанций к энергосистеме)
• Источник: серия GB 1094 — 电力变压器 (Силовые трансформаторы)
• Источник: NEC статья 690 (NFPA 70) — Солнечные фотоэлектрические (PV) системы
• Источник: ISO 12944 — Защита стальных конструкций от коррозии лакокрасочными системами
• Источник: инженерная команда QDTB — отраслевой опыт по типовым номиналам инверторов на стороне переменного тока, выбору K-фактора и расчётной температуре окружающей среды в жаркий день