Każda elektrownia fotowoltaiczna podłączana do sieci średniego napięcia (MV) — zwykle o mocy powyżej 1 MW — wymaga transformatora podwyższającego napięcie, który przekształca napięcie wyjściowe prądu przemiennego niskiego napięcia falownika (zwykle 400 V lub 630 V) na średnie napięcie sieci energetycznej (6 kV do 35 kV). Wybór niewłaściwej mocy transformatora, grupy wektorów lub klasy strat powoduje powstanie wąskiego gardła ograniczającego moc instalacji lub kosztowne zawyżenie specyfikacji. W tym przewodniku opisano proces doboru transformatora dla inżynierów zajmujących się instalacjami fotowoltaicznymi i deweloperów projektów.
Dlaczego transformatory do instalacji fotowoltaicznych są inne
Transformatory słoneczne mają unikalną charakterystykę pracy w porównaniu do transformatorów przemysłowych:
- Zmienne ładowanie: Transformatory fotowoltaiczne narastają od zera o świcie do pełnego obciążenia w południe i z powrotem do zera o zmierzchu – dzienny cykl, który transformator musi wytrzymać przez ponad 25 lat
- Zawartość harmoniczna: Nowoczesne falowniki stringowe wytwarzają bardzo niskie zniekształcenia harmoniczne (całkowite zniekształcenia harmoniczne, THD ≤ 3% dla serii Sungrow SG-CX), ale wysokie napięcie prądu stałego (1000–1500 Vdc) stwarza wymagania dotyczące specjalnego projektu izolacji transformatora
- Brak impulsu magnesującego przy obciążeniu: W przeciwieństwie do transformatorów silnikowych, transformatory słoneczne nie odczuwają rozruchu obciążenia mechanicznego, ale algorytm MPPT falownika może powodować szybkie zmiany obciążenia, które wymagają uwzględnienia impedancji transformatora
- Przeciążenie w sprzęgle DC: W przypadku konfiguracji BESS ze sprzężeniem prądu stałego transformator może wymagać jednoczesnej obsługi wyładowań PV i BESS – zwiększając moc szczytową powyżej wartości znamionowej PV
Metodologia doboru kVA
Moc transformatora w kVA musi pokrywać maksymalną moc wyjściową prądu przemiennego podłączonych falowników z marginesem strat i przeciążenia:
Transformator kVA = ΣInwerter AC kVA × 1,05 do 1,10
Współczynnik nadwymiaru 1,05–1,10 odpowiada za:
- Straty miedzi transformatora (straty obciążenia) przy prądzie znamionowym — zazwyczaj 0,5–1,5% mocy znamionowej
- Przeciążenie podczas skoków natężenia napromieniowania (wzmocnienie krawędzi chmury może na krótko spowodować wzrost mocy wyjściowej falownika powyżej wartości nominalnej)
- Przyszła rozbudowa wydajności (10% rezerwy zapobiega wymianie transformatora w przypadku dodania drugiej fazy)
Przykład: grupa 10 × Sungrow SG150CX falowniki (150 kW AC każdy) wymagają minimalnego transformatora: 10 × 150 kVA × 1,08 = 1620 kVA. Wybierz następny standardowy rozmiar: 1600 kVA lub 2000 kVA.
Wybór grupy wektorów
Grupa wektorów transformatora definiuje zależność fazową między uzwojeniem pierwotnym (WN) i wtórnym (NN) oraz sposób obsługi przewodu neutralnego. W przypadku elektrowni słonecznych najczęstszymi konfiguracjami są:
| Grupa wektorów | Kiedy jest używany | Notatki |
|---|---|---|
| Dyn11 | Większość europejskich zastosowań energii słonecznej | Delta HV / Star LV z neutralnym. Najczęściej spotykany w przypadku falowników stringowych. Zapewnia ścieżkę prądową o składowej zerowej po stronie niskiego napięcia (wykrywanie zwarcia doziemnego falownika). |
| YNyn0 | Energia słoneczna w USA/Ameryce Północnej | Gwiazda neutralna / Gwiazda neutralna. Powszechne w zastosowaniach użyteczności publicznej, w których uziemione są zarówno przewody neutralne wysokiego, jak i niskiego napięcia. |
| Dyn1 | Chiny – energia słoneczna (GB/T) | Przesunięcie fazowe 30° pomiędzy WN i NN. Wymagane przez niektórych chińskich operatorów sieci do eliminacji harmonicznych w konfiguracjach z dwoma transformatorami. |
W przypadku większości projektów międzynarodowych łączących sieci SN od 11 kV do 33 kV, Dyn11 to standardowy wybór. Przed zamówieniem transformatora należy zawsze potwierdzić wymaganą grupę wektorów w studium połączeń przedsiębiorstwa użyteczności publicznej lub w dokumencie standardów podłączenia do sieci.
Klasy sprawności i straty
Straty transformatora składają się z dwóch elementów:
- Straty bez obciążenia (straty w rdzeniu): Stała niezależnie od obciążenia — transformator wykorzystuje tę moc 24 godziny na dobę, nawet gdy instalacja nie wytwarza prądu. Określone w watach przy częstotliwości znamionowej.
- Straty obciążenia (straty miedzi): Proporcjonalne do kwadratu prądu. Przy obciążeniu 50% straty obciążenia wynoszą 25% wartości pełnego obciążenia.
W przypadku zastosowań fotowoltaicznych straty bez obciążenia zasługują na szczególną uwagę, ponieważ elektrownie słoneczne pracują przy zerowym lub niskim obciążeniu przez ponad 10 godzin dziennie (w nocy). Transformator o wysokiej sprawności i niskich stratach bez obciążenia zwraca swoją premię w postaci oszczędności energii przez cały okres eksploatacji instalacji.
| Klasa efektywności IEC | Test porównawczy strat bez obciążenia (1000 kVA) | Użyj przypadku |
|---|---|---|
| Standardowy (AAA) | ~1000 W | Standardowa infrastruktura sieciowa |
| Wysoka wydajność (A0/A0k) | ~700 W | Dobre dla energii słonecznej — mniejsze straty nocne |
| Rdzeń amorficzny (premium) | ~250 W | Najlepsze rozwiązanie dla energii słonecznej — zwraca się w ciągu 3–5 lat w porównaniu ze standardem |
W przypadku transformatora o mocy 1000 kVA i stratach 1000 W w porównaniu do 250 W bez obciążenia, pracującego przez 8760 godzin/rok przy koszcie energii 0,10 USD/kWh: roczna oszczędność = 6575 kWh × 0,10 USD = 658 dolarów rocznie. Przy okresie zwrotu składki z rdzenia amorficznego w ciągu 3–5 lat jest to prawie zawsze uzasadnione ekonomicznie.
Impedancja transformatora i kompatybilność z falownikiem
Impedancja transformatora (wyrażona procentowo, zwykle 4–6%) określa prąd zwarciowy dostarczany podczas zwarcia i wpływa na stabilność napięcia sieciowego falownika przy zmianach obciążenia. Wyższa impedancja zmniejsza prąd zwarciowy (bezpieczniejsza rozdzielnica), ale zwiększa spadek napięcia pod obciążeniem. W przypadku większości połączeń transformatorów instalacji fotowoltaicznych standardem jest impedancja 4–6%; Aby uzyskać akceptowalny zakres impedancji, należy zapoznać się ze specyfikacją producenta falownika.