Toto je otázka, ktorú počúvam od vývojárov veterných fariem a inžinierov verejných služieb častejšie ako ktorákoľvek iná. A dáva to zmysel – každý sa zameriava na turbíny a invertory, ale transformátor sedí priamo na rozhraní medzi výrobou a sieťou. Nie je to pasívny hráč. Formuje to, čo vidí mriežka.
Poďme si povedať, čo to vlastne znamená pre kvalitu energie.
Pochopenie veterných transformátorov – čo v skutočnosti robia
Najprv si rýchlo overte, čo tieto transformátory sú a čo nie sú. Veterný transformátor zvyšuje napätie z výstupu turbíny – zvyčajne 690 V alebo niekoľko kV – na napätie zbernej sústavy, často 34,5 kV alebo vyššie. To je jeho primárna práca. Ale pri tom interaguje s kvalitou energie spôsobmi, na ktorých záleží.
Transformátor nespôsobuje problémy s kvalitou napájania. Môže ich však zhoršiť alebo ich zmierniť, v závislosti od toho, ako je navrhnutý a aplikovaný.
Pozitívne príspevky – čo robí dobrý transformátor
Transformácia napätia a systémové rozhranie
Toto je základná funkcia a stojí za to jasne povedať: transformátor umožňuje veternej elektrárni vôbec sa pripojiť k sieti. Bez neho by nesúlad napätia znemožnil integráciu. Správne špecifikovaný transformátor priraďuje výstup turbíny k zbernej sústave a zbernej sústave k bodu prepojenia.
Ale "regulácia napätia" v aktívnom zmysle - transformátor sám nič nereguluje. Transformuje sa podľa svojho pomeru závitov. Skutočná regulácia pochádza z prepínačov odbočiek, schém riadenia napätia a schopnosti jalového výkonu z meničov. Úlohou transformátora je poskytnúť správne rozhranie pre fungovanie týchto systémov.
Problematické cesty prerušenia galvanickej izolácie
Toto je jeden z najcennejších príspevkov transformátora. Vinutia zabezpečujú galvanickú izoláciu medzi stranou turbíny a stranou mriežky. To znamená, že DC ofsety od meniča – a vždy nejaké sú – sa nedostanú do siete. Napätia v bežnom režime nájdu spätnú cestu cez uzemnený neutrál transformátora, namiesto toho, aby sa šírili cez sieť.
Izolácia tiež blokuje prúdové cesty s nulovou sekvenciou. V transformátore delta-wye zachytáva trojuholníkové vinutie prúdy s nulovou sekvenciou zo strany siete a bráni im v cirkulácii cez zariadenie turbíny. To je skutočná výhoda kvality energie.
Impedancia - dvojsečný meč
Každý transformátor má impedanciu - prirodzenú opozíciu toku prúdu. Táto impedancia obmedzuje poruchový prúd, čo je dobré. Ale tiež vytvára pokles napätia pri zaťažení. Keď veterná elektráreň exportuje energiu, táto impedancia spôsobí zvýšenie napätia v mieste prepojenia. Keď elektráreň dováža jalový výkon, spôsobí to pokles napätia.
Toto nie je vo svojej podstate dobré alebo zlé. Je to charakteristika, ktorá musí byť zohľadnená v systémových štúdiách. Transformátor s príliš nízkou impedanciou môže prechádzať nadmerným poruchovým prúdom. Príliš vysoká impedancia môže sťažiť ovládanie napätia. Správne nastavenie vyžaduje prispôsobenie transformátora konkrétnej aplikácii.
Výzvy – kde sa veci komplikujú
Harmonics-The Invertor's Contribution
Moderné veterné turbíny využívajú výkonové elektronické meniče. Tieto meniče generujú harmonické prúdy pri frekvenciách, ktoré sú násobkom základnej frekvencie. Presné spektrum závisí od topológie prevodníka a stratégie prepínania.
Transformátor nevytvára tieto harmonické, ale interaguje s nimi dôležitým spôsobom. Napríklad delta vinutie poskytuje cestu pre cirkuláciu trojitých harmonických (3., 9., 15.), čo môže byť prospešné, pretože ich drží mimo siete. Ale tie cirkulujúce prúdy stále spôsobujú straty a zahrievanie v transformátore.
Čo je kritickejšie, indukčnosť transformátora sa kombinuje s kapacitou systému vrátane kapacity kábla a akýchkoľvek kondenzátorov na korekciu účinníka, aby sa vytvorili rezonančné podmienky. Ak sa harmonická frekvencia zarovná s rezonančnou frekvenciou, dôjde k zosilneniu. Napätia a prúdy pri tejto harmonickej môžu byť oveľa väčšie, ako by naznačoval zdroj.
Zmiernenie začína pochopením týchto interakcií počas návrhu. Impedancia transformátora, konfigurácia vinutia a akékoľvek integrované filtrovanie musia byť zvolené s ohľadom na očakávané harmonické spektrum. V niektorých prípadoch sú potrebné externé harmonické filtre. V iných môže dobre zvolená impedancia transformátora posunúť rezonančné frekvencie preč od problematických harmonických.
Nábehový prúd – Udalosť energizácie
Zakaždým, keď napájate transformátor, odoberá magnetizujúci nárazový prúd, ktorý môže dosiahnuť 8 až 12-násobok prúdu pri plnom zaťažení počas niekoľkých cyklov. Na veľkom transformátore veternej elektrárne je to významná udalosť. Spôsobuje pokles napätia, ktorý môže ovplyvniť ďalšie zariadenia pripojené k rovnakej zbernici.
Závažnosť závisí od bodu napäťovej vlny pri zatvorení ističa, zvyškového toku v jadre a konštrukcie transformátora. Moderné transformátory s vylepšenou oceľou jadra majú v skutočnosti vyšší nábehový potenciál, pretože lepšie magnetické vlastnosti znamenajú menší ekvivalent vzduchovej medzery v jadre.
Riadené spínanie – zapínanie ističa v optimálnom bode vlny – je jedným zo zmiernení. Iný jednoducho akceptuje, že dôjde k nárazu a zabezpečenie koordinácie ochrany to umožňuje bez rušivých výpadkov. S každým transformátorom poskytujeme podrobné údaje o nábehu, aby to mohli zohľadniť systémové štúdie.
Flicker-The Wind's Contribution
Vietor je premenlivý. Táto variabilita spôsobuje kolísanie výstupného výkonu turbíny, čo spôsobuje kolísanie napätia v mieste pripojenia. Ak sú tieto výkyvy pri určitých frekvenciách, spôsobujú blikanie – znateľné kolísanie intenzity osvetlenia.
Transformátor nespôsobuje blikanie, ale jeho impedancia určuje, do akej miery sa dané kolísanie výkonu premietne do kolísania napätia. Nižšia impedancia znamená menšie zmeny napätia pri rovnakej zmene výkonu. To je jeden z dôvodov, prečo sú transformátory s nižšou impedanciou niekedy špecifikované pre veterné aplikácie.
Ale je tu kompromis. Nižšia impedancia znamená vyšší poruchový prúd a potenciálne náročnejšiu koordináciu ochrany. Správna voľba vyvažuje výkon blikania s inými systémovými požiadavkami.
Na čom skutočne záleží pri výbere transformátora
Keď sa ma niekto pýta, ako si vybrať transformátor pre projekt vetra, poviem mu, aby sa pozrel nad rámec základných hodnotení.
Impedancia. To ovplyvňuje reguláciu napätia, úrovne porúch a príspevok k blikaniu. Musí byť vhodný pre konkrétnu aplikáciu.
Konfigurácia vinutia. Delta-wye je bežné, ale výber ovplyvňuje harmonické správanie a uzemnenie. Sekundárne pripojenie vinutia (na strane siete) určuje, ako zariadenie interaguje s uzemnením systému.
Dizajn jadra. Jadrá s nižšími stratami sú účinné, ale môžu ovplyvniť nábehové charakteristiky. Na kompromisoch záleží.
Príslušenstvo. Puzdrové CT pre meranie a ochranu. Zvodiče prepätia integrované do transformátora alebo dodávané samostatne. Ustanovenia o monitorovaní, ak si to závod vyžaduje.
Testovanie. Nielen rutinné testy, ale špeciálne testy, ak si ich aplikácia vyžaduje – zvýšenie teploty, hladina zvuku, odolnosť proti skratu.
Čo vidíme v teréne
Sledoval som, ako sa toto odvetvie počas rokov dodávania transformátorov do veterných projektov vyvíja. Prvé dni boli jednoduchšie - vezmite štandardný distribučný transformátor, vložte ho do krytu namontovaného na podložke, nazvite to deň. To už nejde.
Moderné veterné elektrárne tlačia transformátory silnejšie. Vyššie prúdy, vyšší harmonický obsah, prísnejšie požiadavky na sieťový kód. Transformátory, ktoré bojujú, sú tie, ktoré sú navrhnuté bez týchto skutočností.
Tie, ktoré fungujú, sú navrhnuté pre prevádzku s konfiguráciami vinutia, ktoré zvládajú harmonické, impedancie zvolené pre špecifický zberný systém a dostatočnú rezervu na prežitie prechodných javov, ku ktorým nevyhnutne dochádza.
Zrátané a podčiarknuté
Veterný transformátor nie je len zariadenie na zvýšenie napätia. Je to rozhranie medzi variabilným, výkonovo-elektronickým zdrojom a sieťou. Tvaruje napätie, filtruje harmonické, obmedzuje poruchový prúd a ovplyvňuje interakciu zariadenia so sieťou.
Urobte to správne a robí všetky tie veci bez povšimnutia. Pomýlite sa a to sa stane dôvodom, prečo elektráreň nemôže splniť svoje povinnosti týkajúce sa kódu siete alebo trpí opakovanými výpadkami.
Ak pracujete na projekte veternej energie a chcete sa porozprávať o výbere transformátora – možnostiach impedancie, konfiguráciách vinutia, požiadavkách na testovanie – som rád, že tento rozhovor vediem. Na detailoch záleží viac, ako ukazujú katalógy.
Referencie
- IEC 60076-6, Výkonové transformátory – Časť 6: Reaktory.
- IEEE Std C57.159, IEEE príručka pre aplikáciu transformátora vo veterných farmách.
- Technická brožúra CIGRE 770, Interakcia transformátora s výkonovými elektronickými prevodníkmi.
