Выбор трансформатора гибридной электростанции: один трехобмоточный блок или два?

Разработчик отправляет нам однолинейную схему для фотоэлектрических систем мощностью 90 МВт переменного тока и батареи мощностью 60 МВт / 240 МВт-ч, совместно использующих одно соединение 230 кВ, и на рисунке показан один блок мощностью 150 МВА в точке соединения. Через месяц EPC отправляет взамен ту же установку с двумя агрегатами по 100 МВА. Оба рисунка можно построить. Только один из них будет выглядеть правильно после первого года отправки, потому чтоТрансформатор гибридной электростанциистоит за двумя источниками, которые были указаны двумя разными командами с двумя разными предположениями о обязанностях.

Четыре числа определяют, какая схема выдержит контакт с операциями: профиль нагрузки в точке соединения, полное сопротивление между двумя обмотками низкого напряжения, путь нулевой последовательности и стратегия отключения. Цена, размер резервуара и график работы следуют из этих четырех. Вот порядок, в котором мы их обрабатываем, когда на наш стол попадает однолинейка с солнечной батареей и накопителем.

Почему гибридная установка нарушает обычные представления о трансформаторах

Установка, работающая только на фотоэлектрических станциях, проста в использовании трансформатора. Выходная мощность зависит от уровня освещенности, достигает максимума около полудня и падает до нуля ночью, поэтому устройство каждый день подвергается длительному охлаждению.Руководство IEEE для распределенных фотоэлектрических трансформаторовотмечает, что инверторный трансформатор может быть нагружен до 14 часов в день, но при этом оставаться на 100% только в течение части этого окна, с длительными периодами простоя в ночное время. Дизайнеры опираются на этот шаблон, когда принимают номинальный рейтинг практически без каких-либо запасов.

Батарея меняет ход дня. Зарядка происходит, когда фотоэлектрическая энергия сильна или когда ночные цены низкие, а разряд приходится на вечерний пик. Поместите оба источника за пределы одного соединения, и трансформатор перестанет следовать за солнцем. Он следует инструкциям по отправке, написанным трейдером или алгоритмом оптимизации, а не погодой.

Возьмем наш пример с растением. Максимальная мощность соединения составляет 120 МВт. В полдень массив вырабатывает 90 МВт переменного тока, а батарея заряжается на 30 МВт, поэтому через трансформатор проходит 60 МВт. В 19:00 массив находится на нуле, и батарея разряжается на 60 МВт, поэтому 60 МВт снова пересекают трансформатор, в противоположном направлении. Устройство может работать с нагрузкой от 80% до 95% в течение шестнадцати часов в день и никогда не испытывать глубокого ночного охлаждения, которое может получить конструкция, работающая только от фотоэлектрических систем.

Вариант А: два повышающих трансформатора, по одному на каждый источник.

Традиционная схема установки «солнечная энергия плюс аккумулирующая энергия» дает каждому источнику собственный двухобмоточный повышающий трансформатор: блок мощностью 100 МВА 230/34,5 кВ с импедансом около 8,5% на фотоэлектрическом коллекторе и соответствующий блок мощностью 100 МВА на коллекторе батареи. Каждый из них оснащен собственным прерывателем на стороне высокого давления, собственной дифференциальной зоной и собственной масляной системой. Ничто электрическое не соединяет их, кроме шины 230 кВ.

Основанием для такой договоренности является локализация и учет отказов. При неисправности коллектора в фотоэлектрическом поле отключается одна зона 87T, и батарея может разряжаться в сеть в течение нескольких секунд. Структуры налогового равенства часто требуют отдельных измерений для каждой технологии, и два преобразователя делают это тривиальным. Строительство также проходит четко: фотоэлектрическая установка включается при коммерческой эксплуатации, за девять-двенадцать месяцев до завершения строительства аккумуляторного корпуса.

Стоимость оплачивается в железе и бухтах. Два ядра круглосуточно несут два показателя потерь на холостом ходу независимо от того, производит ли станция электроэнергию или нет, плюс второй выключатель на 230 кВ, второй комплект ограничителей перенапряжения, второй шкаф управления и примерно вдвое больше бетона. На площадке с запасным отсеком этот штраф вполне терпим. На стесненной подстанции этого зачастую нет.

Вариант Б: Один трехобмоточный трансформатор гибридной электростанции

Альтернатива – один трехобмоточный трансформатор напряжением 230/34,5/34,5 кВ мощностью 150/90/60 МВА с посадкой обоих коллекторов на отдельные низковольтные обмотки. Векторная группа имеет большее значение, чем ожидает большинство покупателей. Укажите YNyn0d11, а не YNyn0. Третичная гармоника дает току нулевой последовательности путь для циркуляции во время низковольтного замыкания на землю, а также дает потоку третьей гармоники куда-то идти, а не через сталь резервуара. Без него ток замыкания на землю на коллекторе 34,5 кВ не имеет обратного пути через трансформатор, и каждая установка реле заземления после него становится оценочной.

Импеданс указывается как пара чисел, обычно 10,5 % от фотоэлектрической системы и 10,5 % от максимума к батарее на базе 150 МВА, что соответствует значению фотоэлектрической энергии к батарее около 19 %. Эта связь является скрытой стоимостью отдельного устройства: неисправность фотоэлектрического коллектора также приводит к отключению аккумуляторной шины, и аккумуляторным инверторам приходится преодолевать падение напряжения, которое они не создали. Смогут ли они это сделать — это вопрос спецификации инвертора и исследования межсоединений, а не поставщика трансформатора.

Вы получаете один верхний отсек, одну систему консервации масла и одну сердцевину. В типичной трехобмоточной конструкции мощностью 150 МВА потери на холостом ходу составляют около 90–100 кВт против примерно 120–130 кВт для двух блоков по 100 МВА при одинаковой общей мощности. За двадцать лет по ставке в восемь центов этот разрыв становится реальными деньгами, и обычно он выигрывает при рассмотрении заявок. Подтвердите это расчетом потерь производителя, а не таблицей данных другого проекта.

От чего вы отказываетесь, так это от доступности. Неисправность втулки, неисправность переключателя ответвлений или неисправность масляного насоса приводят к отключению обоих потоков доходов одновременно, а трехобмоточный агрегат мощностью 150 МВА не является товаром на складе. Период ремонта или замены измеряется месяцами, а не неделями. Если у завода есть твердые обязательства по мощности, этот риск рассматривается в экономическом обосновании, а не в руководстве по эксплуатации постфактум.

Число импеданса, которое невозможно исправить позже

Импеданс трехобмоточного трансформатора задается геометрией обмотки сердечника, и после того, как устройство собрано, не требуется никакой регулировки, кроме ремонта. Если позднее исследование короткого замыкания покажет, что режим короткого замыкания 34,5 кВ превышает номинал распределительного устройства, единственным средством правовой защиты будет последовательный реактор или новый трансформатор. В двухблочной схеме та же проблема решается путем изменения одной спецификации мощностью 100 МВА перед заказом на поставку.

Запускайте исследование до составления спецификации, а не после выдачи контракта. Узнайте о вкладе тока повреждения каждого семейства инверторов, включая токоограничение, которое большинство современных инверторов применяют при токе, превышающем номинальный в 1,1–1,5 раза, и спросите, на что рассчитано коллекторное распределительное устройство. Блок мощностью 150 МВА при 10,5% обеспечивает существенно другой уровень неисправности при напряжении 34,5 кВ, чем два блока по 100 МВА при 8,5%, и эта разница может перевести вас из класса распределительного устройства 25 кА в класс распределительного устройства 31,5 кА.

Загрузка, горячая точка и заминка, которая никогда не наступает

Допуски на циклическую нагрузку — наиболее часто злоупотребляемая часть стоимости трансформатора.Руководство по загрузке IEEE, пересмотренное в 2025 г.описывает, как устройство может быть загружено выше паспортной таблички, когда за определенным пиком следует определенный период охлаждения, и устанавливает температурные критерии, которые регулируют торговлю. Эти методы надежны. Проблема в том, что они обычно применяются с дневной кривой только для фотоэлектрических систем, заимствованной из более раннего проекта.

Вместо этого подайте направляющему гибридный профиль. Блок с подъемом на 65 градусов и пределом горячей точки 110 градусов, работающий с нагрузкой 95% в течение восемнадцати часов при температуре окружающей среды 40 градусов, будет находиться вблизи этого предела большую часть дня, а не касаться его ненадолго в полдень. Старение изоляции увеличивается примерно вдвое на каждые 6 К выше эталонной температуры горячей точки, поэтому разница между двухчасовым пиком и восемнадцатичасовым плато не является ошибкой округления с точки зрения потери ресурса.

Два практических следствия. Во-первых, запросите 24-часовую чистую кривую обмена в точке межсоединения и потребуйте расчета горячей точки при проектной температуре окружающей среды на объекте, а не при 30 градусах. Во-вторых, честно укажите этап охлаждения: рейтинг ONAF, который зависит от непрерывной работы вентиляторов, отличается от рейтинга ONAN с вентиляторами в качестве усилителя, а философия вспомогательного питания и сигнализации отказа вентилятора должна указывать, какой из них вы купили.

Защита, заземление и обратная мощность

Источники на основе инверторов не ведут себя как синхронные машины во время неисправности. Ток ограничен, угол контролируется, а сигнатура обратной последовательности отличается от генератора. В трехобмоточном блоке дифференциальное реле должно выдерживать три тока ограничения с коэффициентами, которые не соответствуют разделению 90/60 МВА, а элементы заземления нижней стороны должны быть настроены на сеть нулевой последовательности, включающую третичную обмотку. Это разрешимая проблема, но это проблема инженера реле, и ее необходимо учитывать с самого начала, а не обнаруживать при вводе в эксплуатацию.

Реверсивная мощность заслуживает отдельной строки в спецификации. Ночью батарея заряжается от сети, поэтому реальная мощность течет из обмотки 230 кВ в обмотку батареи 34,5 кВ через трансформатор, отводы которого, вероятно, были выбраны для экспортного направления. Устройство РПН на стороне высокого напряжения должно охватывать фактический рабочий диапазон, обычно от 0,95 до 1,05 на единицу в соединении, и должен быть установлен элемент направления, чтобы отличать запланированную зарядку от непреднамеренного обратного питания.ИЭЭЭ 1547-2018управляет инверторной стороной этого интерфейса, включая скачок напряжения и частоты, но полное сопротивление трансформатора и диапазон отводов определяют, останется ли установка в этих пределах в первую очередь.

Заземление — это то место, где эти два устройства больше всего расходятся по стоимости. Два отдельных блока означают две независимые конструкции заземления 34,5 кВ, каждая со своим зигзагообразным блоком или заземлённой звездой с нулевым резистором, каждая из которых изучается отдельно. Один трехобмоточный блок с третичной обмоткой позволяет обоим коллекторам использовать общий источник нулевой последовательности, что упрощает исследование, но концентрирует риск: ошибка влияет на оба источника одновременно.

Выбор между ними и то, что мы спрашиваем, прежде чем цитировать

Выбор между двумя повышающими трансформаторами и одним трансформатором гибридной электростанции редко сводится к техническому решению. Наше эмпирическое правило после десяти лет использования обоих вариантов: если на заводе имеются твердые обязательства по мощности или у межсетевого соединения есть отдельные требования к измерению, возьмите два блока и примите дополнительный отсек. Если недвижимость подстанции фиксирована, ячейки не существует, и решение по ставке принимается на основе капитализированных убытков, трехобмоточный агрегат выигрывает, и вопрос о доступности переходит к стратегии резерва.

Когда разработчик просит нас процитироватьТрансформатор гибридной электростанцииПрежде чем открыть файл проекта, мы запрашиваем пять документов: однолинейный с пределом межсоединения, 24-часовую кривую чистого обмена для типичного весеннего и летнего дня, письмо о вкладе тока неисправности инвертора, исследование заземления или, по крайней мере, философию заземления коллектора и маршрут транспортировки. Последнее не является бумажной работой. Трехобмоточный агрегат мощностью 150 МВА с маслом может превышать 200 тонн, и разница между маршрутом, который проходит через мост, и маршрутом, который этого не делает, часто определяется за несколько месяцев до резки стали.

Компания Ryan Electric производит трансформаторы на своем заводе площадью 120 000 м2 в Цзянсу с 2007 года, имеет 37 патентов и более 180 комплектов производственного и испытательного оборудования, а с 2023 года мы являемся партнером совместного предприятия с Eaton. Благодаря этому партнерству в расценках на гибриды, которые мы публикуем, содержится полное исследование импеданса и потерь, а не копия таблицы данных: цепочка обзора не принимает рейтинг без кривой нагрузки, лежащей в его основе.

Если вы взвешиваете два варианта реализации проекта на ближайшие двенадцать месяцев, отправьте однострочную и кривую отправки. Мы вернем цены на обе конфигурации, при этом сравнение потерь и импеданса будет осуществляться на одной и той же основе, поэтому решение будет приниматься на основе цифр, а не на чертеже, который кто-то унаследовал.

Об авторе

Эта статья была подготовлена ​​группой прикладных инженеров компании Ryan Electric (Ryan Transformers), производителя трансформаторов, базирующегося в Цзянсу, Китай, который с 2007 года поставляет оборудование сухих, масляных, монтируемых на площадках и компактных подстанций в Северную Америку, на Ближний Восток и в Юго-Восточную Азию. Команда рассматривает однолинейные схемы, исследования импеданса и потерь, а также сертификационную документацию (UL, cULus, CSA, IEEE, IEC) для проектов солнечных батарей, систем хранения данных и центров обработки данных коммунального масштаба. Ryan Electric является партнером совместного предприятия с Eaton с 2023 года. Обсуждаемые здесь вопросы по техническим характеристикам можно отправить через контактную форму на сайте ryan-transformers.com. Последний пересмотр: октябрь 2026 г.

Раскрытие информации: Ryan Electric производит и продает трансформаторы, обсуждаемые в этой статье. Значения потерь, импеданса и стоимости являются типичными значениями на этапе проектирования для описанных номиналов и перед покупкой должны быть подтверждены расчетом потерь для конкретного проекта и исследованием короткого замыкания.