Der Aufwärtstransformator ist eine wichtige, aber oft nicht ausreichend spezifizierte Komponente beim Entwurf von Solaranlagen. Es erhöht den Niederspannungs-Wechselstromausgang des Wechselrichters (typischerweise 270–800 V) auf die Netzanschlussebene der Mittelspannung (MV) (10 kV, 20 kV, 33 kV oder höher) und muss das einzigartige Lastprofil einer Solaranlage bewältigen: hohe Oberschwingungen durch das Schalten des Wechselrichters, tausende Male im Jahr stark schwankende Ausgangsleistung von Null bis Volllast und potenzielle Gleichstromeinspeisung. Eine falsche Transformatorspezifikation führt zu höheren Verlusten, einem vorzeitigen Ausfall oder einer Ablehnung der Verbindungsanwendung durch den Netzbetreiber. Dieser Leitfaden behandelt Dimensionierung, Typauswahl, Verlustoptimierung, Einhaltung von Standards und Überlegungen zur Beschaffung für EPC-Ingenieure.
In einer typischen Solaranlage im Versorgungsmaßstab oder in einer großen C&I-Solaranlage ist die elektrische Architektur vom Panel bis zum Netz wie folgt:
Solarmodule → DC-Kombinator → String/Zentralwechselrichter (270 V–800 V AC) → LV/MV-Aufwärtstransformator → MV-Sammelnetz → Haupttransformator → Netz-POI
Jeder String-Wechselrichter (z. B. Sungrow SG250HX, SG350HX; Huawei SUN2000-330KTL) wird an einen speziellen Aufwärtstransformator für die Pad-Montage angeschlossen, oder mehrere Wechselrichter teilen sich einen Transformator in einer Skid-Anordnung. Bei Zentralwechselrichtern (über 1 MVA) erhöht ein einzelner größerer Transformator (1,6–4,0 MVA) die volle Wechselrichterleistung.
Die kVA-Nennleistung des Transformators muss dem Wechselstromausgang des Wechselrichters Rechnung tragen, mit einem angemessenen Spielraum für Oberschwingungsbelastung und Überdimensionierung des DC/AC-Verhältnisses:
Standardtransformatorgrößen im solarrelevanten Bereich (gemäß IEC 60076-1): 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500 kVA. Wählen Sie immer die nächsthöhere Standardgröße über dem berechneten Minimum – Transformatoren sollten nicht dauerhaft mit mehr als 100 % der Nenn-kVA belastet werden.
| Parameter | Trockentyp (Gießharz, AN/AF) | Ölgetaucht (ONAN/ONAF) |
|---|---|---|
| Verfügbare Bewertungen | Bis zu 10–15 MVA (typischerweise <3,15 MVA für Solar) | Jede Bewertung; >1 MVA bevorzugt |
| Spannungsklasse | Bis 36 kV (Niederspannungsseite bis 15 kV) | Bis 220 kV und mehr |
| Brandgefahr | Selbstverlöschend; Geeignet für den Innen- und Stadtbereich | Ölbrandgefahr; erfordert umschlossenen Bereich |
| Umweltfreundlich | Kein Ölaustrittsrisiko; Keine Entsorgung von dielektrischer Flüssigkeit | Öleindämmung erforderlich; regelmäßige Ölprüfung |
| Überlastfähigkeit | Begrenzt (10–20 % kurzfristig) | Gut (20–40 % kurzfristig, ONAN) |
| Verluste bei 75 % Last | 0,8–1,5 % (Leerlauf + Last) | 0,5–0,9 % (Leerlauf + Last) |
| Installationskosten (pro kVA) | Höher (+15–30 %) | Grundlinie |
| Wartung | Sehr niedrig; keine Ölkontrollen | Jährliche Ölprobenahme; Inspektion des Buchholzrelais |
| Beste Anwendung | C&I-Dach, Innen-MV-Räume, städtisch | Freilandmontierte, abgelegene Standorte im Versorgungsmaßstab |
Für bodenmontierte Solaranlagen im Versorgungsmaßstab sind ölgefüllte ONAN-Transformatoren (natürliches Öl/Luft natürlich) oder ONAF-Transformatoren (natürliches Öl/Luft erzwungen) aufgrund geringerer Verluste und geringerer Kosten die Standardwahl. Trockentransformatoren werden für C&I-Dachinstallationen, Mittelspannungsräume in Innenräumen und Standorte, an denen ein Brandrisiko besteht (Schulen, Krankenhäuser, besiedelte Gebiete), bevorzugt.
Geben Sie in Ihrem Beschaffungsdokument für den Transformator über die kVA-Nennleistung und das Spannungsverhältnis hinaus Folgendes an:
Impedanzspannung (Uz%): Typischerweise 4–6 % für Verteilungstransformatoren im Solarbereich. Ein niedrigerer Wert von Uz % (4 %) reduziert den Spannungsabfall bei Volllast, erhöht jedoch den prospektiven Kurzschlussstrom (relevant für die Schutzkoordination). Höhere Uz% (6 %) begrenzen den Fehlerstrom, erzeugen jedoch größere Spannungsschwankungen bei Lastwechseln. Bestätigen Sie dies mit dem Ingenieur für Versorgungssicherheit, bevor Sie Angaben machen.
Leerlaufverluste (NLL) und Lastverluste (LL): Transformatoren von Solaranlagen verbringen viel Zeit im Teillastbetrieb (nachts bei Null, morgens/abends unter 30 % Last) und sind nur in Spitzenzeiten unter Volllast. Energiegewichtete Verluste sollen minimiert werden. Geben Sie an:
Vektorgruppe: Bei Solaranlagen ist Dy11 (Dreieck-Primärtransformator, Stern-Sekundärtransformator mit Neutralleiter) am gebräuchlichsten für Niederspannungs-/Mittelspannungs-Aufwärtstransformatoren. Die Dreieckswicklung bietet einen Weg für die Zirkulation dreier harmonischer Ströme (3. und 9. Harmonische, die im Ausgang des PWM-Wechselrichters üblich sind), ohne dass sie im Mittelspannungsnetz auftreten. Geben Sie für Wechselrichter-Aufwärtstransformatoren immer Dy11 oder Dyn11 an.
Temperaturanstiegsklasse und Umgebungsbewertung:
Solarwechselrichter mit transformatorloser Topologie (alle modernen Stringwechselrichter einschließlich Sungrow SG250HX, Huawei SUN2000-Serie, SMA Sunny Tripower-Serie) können eine kleine Gleichstromkomponente in den Wechselstromausgang einspeisen. IEC 61727 und IEEE 1547 begrenzen die Gleichstromeinspeisung auf 0,5 % des Nennwechselstroms. Allerdings kann selbst dieser kleine Gleichstromanteil zu einer teilweisen Sättigung im Transformatorkern führen, was zu erhöhten Leerlaufverlusten und Rauschen führt.
So mildern Sie die Auswirkungen der Gleichstromeinspeisung:
Wenn mehrere Wechselrichter unterschiedlicher Leistungsstufen an einen einzigen Transformator angeschlossen werden (üblich in 1,5-4-MVA-Blöcken mit mehreren 250-350-kW-Strangwechselrichtern), ermöglichen Split-Winding- oder Dual-Sekundärtransformatoren unabhängige Verbindungen bei gleichzeitiger Nutzung einer einzigen Primärwicklung. Zu den Vorteilen gehören:
Geben Sie die Nennleistung der geteilten Wicklung und die Kurzschlussimpedanz zwischen den Sekundärwicklungen an (typischerweise 8–12 %), um eine angemessene Fehlerstromdifferenzierung für die Schutzkoordinierung sicherzustellen.
Alle Aufwärtstransformatoren für Solaranlagen sollten Folgendes erfüllen:
Werksabnahmetests (FAT) für jeden Transformator sollten Folgendes umfassen: Verhältnistest, Vektorgruppenüberprüfung, Leerlaufverlustmessung, Lastverlustmessung bei 75 % und 100 %, Isolationswiderstand, dielektrische Festigkeit (angelegte Spannung und induzierte Spannung), Teilentladungstest (ölgefüllt) und Temperaturanstiegstest (typischerweise Typtest, nicht routinemäßig für alle Einheiten).
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Bei gewerblichen Solarprojekten auf Dächern werden Trockentransformatoren (Gießharztransformatoren) aus drei Gründen stark bevorzugt: Sie eliminieren die Gefahr von Ölbränden in bewohnten Gebäuden, sie erfordern keinen eingedämmten (Eindämmungs-)Bereich für Ölverschmutzungen und sie erfordern nur minimale Wartung (keine Ölprobenentnahme). Die höheren Kosten von Trockentransformatoren (+15–30 % gegenüber Öl) werden durch geringere Bauarbeiten, einfachere behördliche Genehmigungen und niedrigere Versicherungsprämien in städtischen Umgebungen gerechtfertigt. Für Dachprojekte unter 1 MVA sind 630-kVA-Trockentransformatoren die Standardlösung.
Dy11 (Dreieck-HV, Stern-LV mit Neutralleiter, 30° Phasenverschiebung) oder Dyn11 (mit zugänglichem Neutralleiter an der LV-Sternwicklung) ist die Standardspezifikation für Aufwärtstransformatoren für Solarwechselrichter. Die Dreieck-HV-Wicklung bietet einen Umlaufpfad für dreifache Harmonische (3. und 9. Ordnung), die durch das Schalten des PWM-Wechselrichters erzeugt werden, und verhindert so, dass sich diese Harmonischen auf das MV-Netz ausbreiten. Die Stern-Niederspannungswicklung mit Neutralleiter eignet sich für den 3-Phasen-4-Leiter-Anschluss, der von den meisten modernen String-Wechselrichtern gefordert wird. Erkundigen Sie sich beim Energieversorger, ob für die Erdung auf der Mittelspannungsseite speziell Dyn11 erforderlich ist.
Das DC/AC-Verhältnis (oder Wechselrichter-Belastungsverhältnis) beeinflusst den Transformator im Hinblick auf den Spitzenstrombedarf, nicht auf der Grundlage der Nenngröße. Der Transformator ist auf die Nenn-AC-Ausgangsleistung des Wechselrichters ausgelegt – die maximale AC-Leistung, die der Wechselrichter unabhängig vom DC-Eingang erzeugen kann. Da der Wechselrichter seinen Ausgang auf die AC-Nennleistung begrenzt, wenn der DC-Eingang die AC-Kapazität des Wechselrichters übersteigt (üblich bei DC/AC-Verhältnissen von 1,2–1,4), sieht der Transformator nie mehr als die AC-Nennleistung des Wechselrichters. Bei hohen DC/AC-Verhältnissen arbeitet der Wechselrichter jedoch mehr Stunden pro Tag mit Nennleistung (Clipping wird reduziert), sodass die Dauer der thermischen Belastung des Transformators zunimmt. Erwägen Sie die Anforderung eines Transformators mit einer höheren Temperaturklasse (F oder H), wenn das DC/AC-Verhältnis 1,3 übersteigt.
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