Máy biến áp tăng áp cho hệ thống PV mặt trời: Cách chọn công suất, vì sao sóng hài từ inverter quyết định thông số kỹ thuật, và những thay đổi giữa 0,8 kV và 35 kV

Câu trả lời trước tiên: chọn cỡ máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời dựa trên công suất đầu ra AC của inverter và nhiệm vụ sóng hài — không dựa trên công suất danh định DC của dàn pin

Máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời được chọn cỡ theo công suất đầu ra AC của inverter — đã giảm định mức do phát nóng sóng hài và nhiệt độ môi trường cao — không theo công suất DC đỉnh của dàn pin. Trong một nhà máy PV quy mô lớn, máy biến áp tăng áp đặt sau inverter được chọn ở khoảng công suất AC danh định của inverter, nâng 0.4 kV / 0.48 kV / 0.8 kV lên điện áp gom 10–35 kV trong một cấp, sau đó một máy biến áp tăng áp chính nâng điện áp gom lên 110 kV hoặc 220 kV. Ba yếu tố đầu vào quyết định thông số thực tế: dòng điện sóng hài của inverter (THD dòng điện giữ ở khoảng 5%, với thành phần DC giới hạn dưới 0.5%), chế độ làm việc non tải, suốt ngày của nhà máy (máy biến áp được cấp điện 8.760 giờ một năm nhưng chỉ chạy ở tải cao vài giờ mỗi ngày, do đó tổn thất không tải chi phối chi phí vòng đời), và môi trường ngoài trời (nhiệt độ môi trường cao, bức xạ mặt trời, độ ẩm và ăn mòn ven biển). Làm đúng ba điều này thì máy biến áp trở thành tài sản 25 năm thay vì mắt xích yếu nhất của nhà máy vào giữa trưa.

Những điểm chính cần nắm

• Chọn cỡ theo công suất đầu ra AC, không theo công suất danh định DC. Máy biến áp tăng áp nằm sau inverter, nên công suất AC danh định của inverter — không phải kW DC đỉnh của dàn pin — là cơ sở thiết kế. Tỷ số DC/AC (tỷ lệ lắp thêm tấm pin) lớn hơn 1.0 làm tăng sản lượng nhưng không làm tăng kVA của máy biến áp.
• Sóng hài của inverter quyết định mức giảm định mức nhiệt. Các inverter PV hiện đại giữ THD dòng điện gần 5%, nhưng sóng hài do chuyển mạch vẫn làm tăng tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản, do đó cần đưa vào thông số kỹ thuật một cấp K-factor (hoặc mức giảm định mức theo IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh) và một màn chắn tĩnh điện.
• PV là tải non tải, chạy suốt ngày. Tổn thất không tải (tổn thất sắt) chạy 8.760 giờ một năm trong khi tổn thất tải chỉ chạy vào ban ngày — đó là lý do vì sao cấp tổn thất cao hơn (S13/S20) hoặc lõi vô định hình thường thắng về chi phí vòng đời.
• Kiến trúc điện áp quyết định bạn mua bao nhiêu máy biến áp. Một cấp tăng áp (0.8 → 35 kV) so với một cấp tăng áp hạ áp cộng với một máy chính 35/110 kV làm thay đổi cả chi phí lẫn tổn thất; đây là quyết định thiết kế hệ thống, không phải lựa chọn từ catalogue.
• Tuân thủ quy chuẩn lưới điện là một yêu cầu đối với máy biến áp. Khả năng chịu đựng xuyên qua sự cố, giới hạn thành phần DC và phối hợp mức sự cố (được đặt bởi điện áp trở kháng của máy biến áp) đều quay trở lại thông số kỹ thuật của máy biến áp.

Vì sao máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời không phải là máy biến áp phân phối tiêu chuẩn

Máy biến áp phân phối hạ điện áp lưới hạ thế xuống cho khách hàng và chạy ở tải gần như ổn định. Máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời làm gần như ngược lại: nó nhận đầu ra AC hạ áp của inverter và nâng lên điện áp gom, trong ba điều kiện làm thay đổi cách nó phải được thiết kế.

Thứ nhất, tải giàu sóng hài. Inverter PV là một tầng đầu vào điện tử công suất chuyển mạch ở tần số cao và bơm vào một dòng điện gần giống — nhưng không hoàn toàn giống — sóng sin. Các inverter nối lưới được yêu cầu giữ độ méo dòng điện thấp (THD dòng điện thường dưới 5%) và thành phần DC dưới khoảng 0.5% dòng điện danh định, nhưng ngay cả các inverter đạt chuẩn vẫn để lại gợn tần số chuyển mạch và sóng hài bậc thấp (bậc 5, 7, 11, 13) tạo thêm tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản trong cuộn dây. Đó chính là nguyên lý vật lý đằng sau máy biến áp K-factor, được giải thích trong các hướng dẫn của chúng tôi về sóng hài máy biến áp và lựa chọn máy biến áp K-factor.

Thứ hai, tải đi theo mặt trời. Công suất đầu ra tăng từ 0 lúc bình minh lên cực đại vào giữa trưa và trở về 0 lúc hoàng hôn, nên máy biến áp dành phần lớn thời gian trong ngày ở một phần nhỏ công suất định mức. Một thiết bị trông có vẻ quá lớn theo cơ sở năng lượng hằng năm thường lại được chọn cỡ đúng theo cơ sở nhiệt — nhưng tổn thất không tải, không phải tổn thất tải, mới là phần tích lũy mỗi giờ. Sự bất đối xứng đó định hình lại lập luận về hiệu suất.

Thứ ba, môi trường khắc nghiệt. Các nhà máy PV nằm ở cánh đồng, thảo nguyên, sa mạc và các vị trí ven biển: nhiệt độ môi trường cao, bức xạ mặt trời mạnh, chu kỳ nhiệt độ ngày đêm rộng, bụi và (gần biển) không khí nhiễm muối. Một máy biến áp thiết kế cho phòng trong nhà 25 °C không đương nhiên phù hợp cho bệ ngoài trời 45 °C.

Cách chọn cỡ máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời PV: phương pháp ba bước

Phần tính toán không phải là phần khó; xác định đúng các đầu vào mới là phần khó. Logic phía tải chi phối mọi công trình cũng áp dụng ở đây, như đã trình bày trong hướng dẫn chọn cỡ hệ thống phân phối của chúng tôi.

Bước 1 — Lấy công suất đầu ra AC của inverter, không lấy công suất danh định DC của dàn pin

Cộng công suất đầu ra AC của các inverter mà máy biến áp sẽ phục vụ, tại nhiệt độ môi trường thiết kế của địa điểm (công suất đầu ra của inverter giảm theo nhiệt, nên dùng con số của ngày nóng). Một khối 1 MWac có inverter trung tâm phát ra 1.000 kW ở 0.8 kV đưa 1.000 kW công suất AC tới máy biến áp — bất kể dàn pin phía sau là 1.200 hay 1.400 kWp DC. Tỷ số DC/AC lớn hơn 1.0 cải thiện sản lượng vào những ngày nhiều mây và vào buổi sáng, buổi chiều tối, nhưng không làm tăng định mức máy biến áp: thứ chảy qua máy biến áp là công suất AC.

Bước 2 — Quy đổi sang kVA và áp dụng biên dự phòng

Quy đổi kW AC của inverter sang kVA bằng hệ số công suất đầu ra của inverter (gần bằng đơn vị, khoảng 0.99 đối với các thiết bị ba pha hiện đại): 1.000 kW ÷ 0.99 ≈ 1.010 kVA. Sau đó cộng thêm biên dự phòng thiết kế cho nhiệt độ môi trường và việc tái nâng cấp trong tương lai — thường là 10–20% đối với máy biến áp đặt ở nơi có nhiệt độ môi trường cao. Kết quả (khoảng 1.100–1.250 kVA) được làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn kế tiếp, ví dụ 1.250 kVA hoặc 1.600 kVA.

Bước 3 — Đặt cấp sóng hài và cấp nhiệt

Chọn một K-factor (hoặc một thiết bị tiêu chuẩn có mức giảm định mức theo IEEE C57.110 được tài liệu chứng minh) phù hợp với phổ sóng hài của inverter, và đặt độ tăng nhiệt cuộn dây, cấp cách điện và làm mát theo nhiệt độ môi trường thiết kế. Ở một nhà máy PV, điểm khởi đầu thực tế là K-4 đến K-9 đối với các inverter hiện đại có độ méo thấp, kèm một màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây hạ áp (inverter) và cao áp (điện áp gom) để các xung đột biến phía lưới không tới được inverter. Đối với thiết bị khô, IEEE C57.12.01 và IEC 60076-11 quy định các yêu cầu chung.

Kiến trúc điện áp: từ 0.8 kV lên 35 kV trong một cấp hay hai cấp

Vị trí đặt máy biến áp quyết định tỷ số điện áp và kích cỡ của nó. Bốn kiến trúc bao quát gần như mọi nhà máy PV.

Hầu hết các nhà máy quy mô lớn dùng một cấp tăng áp từ hạ áp lên trung áp cho mỗi khối inverter (0.8 kV lên 35 kV là phổ biến), sau đó một máy biến áp tăng áp chính từ điện áp gom 35 kV lên 110/220 kV tại điểm đấu nối. Các nhà máy thương mại nhỏ hơn thường chỉ dừng ở một cấp tăng áp kiểu hộp đặt trên bệ lên trung áp địa phương (10/20/33 kV). Chọn một cấp hay hai cấp là một đánh đổi hệ thống: ít cấp hơn nghĩa là ít máy biến áp hơn và tổng tổn thất không tải thấp hơn, nhưng dòng điện và chi phí cáp phía hạ áp cao hơn — một sự cân bằng tốt nhất nên đạt được dựa trên sơ đồ một dây của nhà máy, cùng nguyên tắc như quy trình thiết kế hệ thống phân phối.

Sóng hài của inverter, thành phần DC và quy tắc K-factor / IEEE C57.110

Ba đặc tính của inverter quan trọng đối với máy biến áp:

• Sóng hài dòng điện. Một inverter nối lưới phải giữ THD dòng điện ở khoảng 5% (thuộc phạm vi IEC 61727 / IEEE 1547), nhưng các thành phần bậc 5, 7, 11 và 13 còn lại cùng gợn tần số chuyển mạch vẫn tạo ra tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản mà máy biến áp phải tản đi dưới dạng nhiệt.
• Thành phần DC. Một thành phần DC nhỏ trong đầu ra của inverter (giới hạn phổ biến là 0.5% dòng điện danh định) có thể làm lệch từ thông lõi, làm tăng dòng từ hóa, tổn thất và tiếng ồn. Các inverter giới hạn nó, nhưng thiết kế máy biến áp nên chịu đựng được nó thay vì giả định một dạng sóng hoàn toàn đối xứng.
• Méo điện áp trên lưới gom. Điện áp sóng hài trên lưới gom trung áp làm máy biến áp làm việc ở từ thông hơi méo, cộng thêm một chút tổn thất lõi lên trên hiệu ứng phía inverter.

K-factor là một con số duy nhất mô tả khả năng chịu sóng hài: K-1 (chỉ tải tuyến tính), K-4, K-9, K-13 và K-20. Đối với một inverter PV hiện đại có độ méo thấp, thiết bị K-4 đến K-9 thường là đủ; các inverter cũ hơn, nhiều inverter đấu song song trên một máy biến áp, hoặc một máy biến áp dùng chung với các tải phi tuyến khác đẩy về phía K-13. Nếu chỉ có máy biến áp tiêu chuẩn, IEEE C57.110 định nghĩa mức giảm định mức cho phép: ở THD dòng điện khoảng 5–20%, dự kiến mức giảm định mức kVA ở mức thấp đến trung bình của dải mười mấy phần trăm, tăng theo hàm lượng sóng hài và hệ số tổn thất dòng xoáy của máy biến áp. Nói tròn số, một thiết bị tiêu chuẩn 1.250 kVA có thể hành xử như một thiết bị ~1.100–1.200 kVA dưới nhiệm vụ PV có sóng hài. Khắc phục điều này ở giai đoạn đặt hàng chỉ tốn một khoản phụ phí khiêm tốn; phát hiện ra sau khi đưa vào vận hành thì tốn một lần thay thế.

Hiệu suất và tổn thất không tải: kinh tế non tải của một nhà máy PV

Máy biến áp PV được cấp điện trước khi mặt trời mọc và vẫn được cấp điện sau khi mặt trời lặn, nên tổn thất không tải (tổn thất sắt) của nó chạy suốt 8.760 giờ của năm, trong khi tổn thất tải chỉ chạy vào ban ngày và phần lớn ở chế độ non tải. Trong vòng đời nhà máy 20–25 năm, điều đó đảo ngược ưu tiên hiệu suất thông thường: cắt giảm tổn thất không tải bằng một cấp tổn thất cao hơn (S13/S20) hoặc một thiết kế lõi vô định hình thường hoàn vốn phần chi phí ban đầu tăng thêm trong vài năm. So sánh cấp tổn thất và hướng dẫn về lõi vô định hình của chúng tôi định lượng sự đánh đổi này, và phương pháp tổng chi phí sở hữu biến nó thành một con số bạn có thể đưa vào hồ sơ mời thầu. Vì tải nằm ở chế độ non tải phần lớn thời gian trong ngày, một thiết kế giảm nhẹ mật độ từ thông cũng làm giảm tổn thất không tải và tiếng ồn — một lợi ích thực sự ở các vị trí ven khu dân cư hoặc nhạy cảm với tiếng ồn. Để chọn cỡ khối và ngân sách trong một lần, công cụ tính toán engineering toolbox nhận dữ liệu nhà máy và trả về cả thiết bị lẫn chi phí cùng lúc.

Làm mát, nhiệt độ môi trường và tăng cường cho ngoài trời/ven biển

Nhiệm vụ PV ngoài trời nghĩa là thiết kế cho nhiệt độ môi trường xấu nhất, không phải trung bình. Một máy biến áp định mức cho môi trường 40 °C ở giới hạn tăng nhiệt tiêu chuẩn sẽ bị giảm định mức trên mức đó; nhiệt độ môi trường thiết kế ngày nóng 45–50 °C là bình thường đối với các địa điểm sa mạc và nhiệt đới, và các quy tắc chi phối mọi lắp đặt nhiệt độ cao đều áp dụng — xem hướng dẫn giảm định mức theo độ cao và nhiệt độ cao của chúng tôi. Các yêu cầu thực tế:

• Cấp làm mát: ONAN cho các khối PV tiêu chuẩn; ONAF khi cần diện tích lắp đặt nhỏ gọn dưới nhiệt độ môi trường cao, như đã trình bày trong hướng dẫn về phương pháp làm mát của chúng tôi.
• Bảo vệ chống ăn mòn: C4 (hoặc C5 cho các vị trí ven biển và nhiễm muối) theo ISO 12944, với thùng nhúng nóng mạ kẽm và phụ kiện thép không gỉ.
• Cấp bảo vệ xâm nhập: IP54 hoặc tốt hơn cho vỏ ngoài trời và kiểu hộp đặt trên bệ; thiết kế kín, có gioăng cho các vị trí nhiệt đới ẩm.
• Chu kỳ nhiệt: chu kỳ toàn dải hằng ngày gây ứng suất lên gioăng và đệm kín; thiết kế kín hoàn toàn tránh việc hô hấp hút ẩm vào dầu, được so sánh trong hướng dẫn so sánh kiểu kín so với kiểu bình dầu phụ của chúng tôi.

Bảo vệ, dòng điện sự cố và tuân thủ quy chuẩn lưới điện

Ba điểm bảo vệ xuất phát trực tiếp từ thông số kỹ thuật của máy biến áp:

• Điện áp trở kháng (Uk%) đặt mức sự cố. Máy biến áp có Uk% thấp cho điều chỉnh điện áp chặt hơn nhưng dòng điện ngắn mạch tại đầu cực cao hơn; thiết bị có Uk% cao giới hạn dòng điện sự cố nhưng làm điều chỉnh điện áp xấu đi và tăng tổn thất. Khả năng chịu đựng xuyên qua sự cố theo quy chuẩn lưới điện (nhà máy phải vượt qua một sụt áp mà không cắt) được đáp ứng bằng cách phối hợp điều khiển của inverter với trở kháng của máy biến áp — được phân tích trong hướng dẫn tính dòng điện ngắn mạch của chúng tôi.
• Bảo vệ chống xung đột biến. Các nhà máy PV chịu rủi ro sét và lưới gom thì dài; chống sét van ở cả hai phía, cùng một màn chắn tĩnh điện giữa các cuộn dây, bảo vệ inverter khỏi quá độ phía lưới. Hướng dẫn bảo vệ chống sét của chúng tôi đề cập BIL và biên 1.2×.
• Quy tắc đấu nối. IEEE 1547 (Bắc Mỹ) và IEC 61727 cùng các quy chuẩn lưới điện quốc gia (ví dụ GB/T 19964 ở Trung Quốc) đặt ra các giới hạn về khả năng chịu đựng điện áp/tần số, thành phần DC và chất lượng điện năng mà nhà máy phải đáp ứng — những giới hạn mà máy biến áp không được làm suy yếu thông qua điều chỉnh điện áp kém hoặc để dòng sự cố đi qua quá lớn.

Danh mục kiểm tra thông số kỹ thuật máy biến áp tăng áp cho điện mặt trời PV

• Cơ sở thiết kế là công suất đầu ra AC của inverter ở nhiệt độ môi trường ngày nóng (không phải công suất danh định DC của dàn pin), với tỷ số DC/AC được nêu riêng.
• Tỷ số điện áp và kiến trúc đã cố định — hạ áp 0.4/0.48/0.8 kV lên trung áp 10/20/33/35 kV, một cấp hay hai cấp.
• K-factor (hoặc mức giảm định mức theo IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh) được chọn theo phổ sóng hài của inverter.
• Màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây hạ áp và cao áp để bảo vệ inverter khỏi xung đột biến phía lưới.
• Điện áp trở kháng (Uk%) được chọn để cân bằng phối hợp dòng điện sự cố với điều chỉnh điện áp và khả năng chịu đựng xuyên qua sự cố.
• Cấp làm mát và nhiệt độ môi trường thiết kế phù hợp với địa điểm (thiết kế ngày nóng 45–50 °C cho khí hậu nóng).
• Cấp tổn thất hoặc lõi vô định hình được chọn theo kinh tế tổn thất không tải 8.760 giờ, không chỉ theo chi phí ban đầu.
• Cấp chống ăn mòn (C4/C5 theo ISO 12944), cấp IP và thiết kế kín cho các vị trí ngoài trời, ven biển hoặc ẩm.
• Chống sét van và bảo vệ hạ áp/trung áp được phối hợp với mức sự cố của máy biến áp và định mức của inverter.

Nguồn / 资料来源

• Nguồn: Bộ tiêu chuẩn IEC 60076 — Máy biến áp lực (yêu cầu chung, cấp cách điện và thử nghiệm điện môi)
• Nguồn: IEC 60076-11 — Máy biến áp lực — Máy biến áp khô
• Nguồn: IEC 60076-16 — Máy biến áp cho ứng dụng tuabin gió (tham chiếu cho nhiệm vụ năng lượng tái tạo)
• Nguồn: IEEE C57.110 — Thực hành khuyến nghị để thiết lập khả năng của máy biến áp khi cấp dòng tải không hình sin
• Nguồn: IEEE C57.12.01 — Yêu cầu chung đối với máy biến áp phân phối và máy biến áp lực kiểu khô
• Nguồn: IEEE 1547 — Tiêu chuẩn về đấu nối và khả năng tương tác của các nguồn năng lượng phân tán
• Nguồn: IEEE 519 — Thực hành khuyến nghị và yêu cầu kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện
• Nguồn: IEC 61727 — Hệ thống quang điện (PV) — Đặc tính của giao diện với lưới điện
• Nguồn: IEC 62109-1 / 62109-2 — An toàn của bộ biến đổi công suất dùng trong hệ thống điện quang điện
• Nguồn: UL 1741 — Inverter, bộ biến đổi, bộ điều khiển và thiết bị hệ thống đấu nối dùng với các nguồn năng lượng phân tán
• Nguồn: GB/T 19964 — 光伏发电站接入电力系统技术规定 (Yêu cầu kỹ thuật đối với việc đấu nối các trạm phát điện quang điện vào hệ thống điện)
• Nguồn: Bộ tiêu chuẩn GB 1094 — 电力变压器 (Máy biến áp lực)
• Nguồn: NEC Điều 690 (NFPA 70) — Hệ thống quang điện mặt trời (PV)
• Nguồn: ISO 12944 — Bảo vệ chống ăn mòn kết cấu thép bằng hệ sơn bảo vệ
• Nguồn: Đội ngũ kỹ thuật QDTB — kinh nghiệm ngành cho các định mức AC điển hình của inverter, lựa chọn K-factor và nhiệt độ môi trường thiết kế ngày nóng