Каждая солнечная установка, подключаемая к сети среднего напряжения (МВ) — обычно выше 1 МВт — требует повышающего трансформатора, который преобразует низковольтный выход переменного тока инвертора (обычно 400 В или 630 В) в среднее напряжение электросети (от 6 кВ до 35 кВ). Выбор неправильной мощности трансформатора, векторной группы или класса потерь создает либо узкое место, ограничивающее выходную мощность установки, либо дорогостоящее завышение технических характеристик. В этом руководстве рассматривается процесс выбора трансформатора для инженеров солнечных электростанций и разработчиков проектов.
Почему трансформаторы для солнечных батарей разные
Солнечные трансформаторы имеют уникальные рабочие характеристики по сравнению с промышленными трансформаторами:
- Переменная загрузка: Солнечные трансформаторы увеличивают нагрузку с нуля на рассвете до полной нагрузки в полдень и обратно до нуля в сумерках — ежедневный цикл, который трансформатор должен выдерживать в течение 25+ лет.
- Гармоничное содержание: Современные струнные инверторы производят очень низкие гармонические искажения (общее гармоническое искажение, THD ≤ 3% для серии Sungrow SG-CX), но высокое напряжение постоянного тока (1000–1500 В постоянного тока) создает требования к специальной конструкции изоляции трансформатора.
- Нет броска намагничивания под нагрузкой: В отличие от мотор-трансформаторов, солнечные трансформаторы не испытывают механического скачка нагрузки, но алгоритм MPPT инвертора может вызывать быстрые изменения нагрузки, требующие учета импеданса трансформатора.
- Перегрузка при соединении постоянного тока: Для конфигураций BESS с постоянным током трансформатору может потребоваться одновременно обрабатывать как фотоэлектрическую, так и BESS-разрядку, что увеличивает пиковую мощность выше номинальной мощности фотоэлектрической панели.
Методика определения мощности кВА
Номинальная мощность трансформатора, кВА, должна покрывать максимальную выходную мощность переменного тока подключенных инверторов с запасом на потери и перегрузку:
Трансформатор, кВА = ΣИнвертор переменного тока, кВА × 1,05–1,10
Коэффициент негабарита 1,05–1,10 составляет:
- Потери в меди трансформатора (потери в нагрузке) при номинальном токе — обычно 0,5–1,5% от номинальной мощности.
- Перегрузка во время пиков освещенности (усиление края облака может на короткое время повысить выходную мощность инвертора выше номинального уровня)
- Будущее расширение мощности (запас в 10 % предотвращает замену трансформатора в случае добавления второй фазы)
Пример: кластер из 10 × Sungrow. SG150CX для инверторов (каждый по 150 кВт переменного тока) требуется трансформатор минимальной мощности: 10 × 150 кВА × 1,08 = 1620 кВА. Выберите следующий стандартный размер: 1600 кВА или 2000 кВА.
Выбор векторной группы
Группа векторов трансформатора определяет соотношение фаз между первичной (ВН) и вторичной (НН) обмотками, а также порядок обращения с нейтралью. Наиболее распространенными конфигурациями солнечных электростанций являются:
| Векторная группа | При использовании | Примечания |
|---|---|---|
| Дин11 | Большинство европейских применений солнечной энергии | Треугольник ВН/Звезда НН с нейтралью. Наиболее распространен для струнных инверторов. Обеспечивает путь тока нулевой последовательности на стороне низкого напряжения (обнаружение замыкания на землю инвертора). |
| YNyn0 | Солнечная энергия США/Северная Америка | Звездно-нейтральный/Звездно-нейтральный. Обычно применяется в коммунальных предприятиях, где заземлены как высоковольтные, так и низковольтные нейтрали. |
| Дин1 | Солнечная энергия Китая (ГБ/Т) | Фазовый сдвиг 30° между ВН и НН. Требуется некоторыми китайскими операторами сетей для подавления гармоник в конфигурациях с двумя трансформаторами. |
Для большинства международных проектов подключения сетей среднего напряжения от 11 кВ до 33 кВ Dyn11 — стандартный выбор. Перед заказом трансформатора всегда подтверждайте требуемую векторную группу с помощью исследования межсетевых соединений коммунальной компании или документа стандартов подключения к сети.
Классы эффективности и потери
Потери трансформатора состоят из двух составляющих:
- Потери холостого хода (потери в сердечнике): Постоянная, независимо от нагрузки — трансформатор использует эту мощность 24 часа в сутки, даже когда станция не производит электроэнергию. Указывается в ваттах при номинальной частоте.
- Потери нагрузки (потери меди): Пропорционально квадрату тока. При нагрузке 50 % потери нагрузки составляют 25 % от значения полной нагрузки.
Применительно к солнечным батареям потери холостого хода заслуживают особого внимания, поскольку солнечные электростанции работают при нулевой или низкой нагрузке более 10 часов в день (ночью). Высокоэффективный трансформатор с низкими потерями холостого хода окупается за счет экономии энергии в течение всего срока службы установки.
| Класс эффективности МЭК | Эталон потерь на холостом ходу (1000 кВА) | Вариант использования |
|---|---|---|
| Стандарт (ААА) | ~1000 Вт | Стандартная сетевая инфраструктура |
| Высокая эффективность (A0/A0k) | ~700 Вт | Хорошо для солнечной энергии — меньшие ночные потери |
| Аморфное ядро (премиум) | ~250 Вт | Лучшее для солнечной энергии — окупается за 3–5 лет по сравнению со стандартным вариантом. |
Для трансформатора мощностью 1000 кВА с потерями холостого хода 1000 Вт по сравнению с 250 Вт при работе 8760 часов в год при стоимости энергии 0,10 доллара США/кВтч: годовая экономия = 6575 кВтч × 0,10 доллара США = $658/год. При окупаемости премии за аморфное ядро в течение 3–5 лет это почти всегда экономически оправдано.
Сопротивление трансформатора и совместимость инвертора
Сопротивление трансформатора (выраженное в процентах, обычно 4–6%) определяет ток повреждения, возникающий во время короткого замыкания, и влияет на стабильность напряжения сети инвертора при изменениях нагрузки. Более высокий импеданс снижает ток повреждения (более безопасное распределительное устройство), но увеличивает падение напряжения под нагрузкой. Для большинства соединений трансформаторов солнечных электростанций стандартным является сопротивление 4–6%; проконсультируйтесь со спецификациями производителя инвертора, чтобы узнать допустимый диапазон импеданса.