En tant que directeur de projet pour une entreprise EPC, vous avez obtenu un contrat EPC pour un projet solaire et de stockage de 100 MW dans la province du Gansu. Cependant, l'équipe de révision technique du propriétaire a soulevé un problème crucial concernant la hauteur du site (1800 m) qui présente des variations saisonnières extrêmes allant de -25 degrés Celsius à +45 degrés Celsius. De plus, le code de connexion au réseau stipule que la station doit être capable de résister à des chutes de tension aussi basses que 20% du nominal pendant 625 ms. Votre fournisseur de transformateurs, qui a une association de longue date de dix ans avec vous, vous a fourni un devis standard pour un transformateur de type boîte de 35 kV ; cependant, l'ingénieur de projet a également mentionné que la conception du transformateur est moderne et convient à un environnement de réseau normal et non à une zone à de telles hauteurs.
Ainsi, c'est précisément le sujet que cet article a abordé. Il traite de la manière dont la conception et l'utilisation des transformateurs diffèrent lorsqu'ils sont utilisés pour des projets d'énergie renouvelable par rapport aux applications de réseau conventionnelles.
Réponse rapide : Un transformateur d'énergie renouvelable est un transformateur ordinaire utilisé dans les centrales électriques occidentales qui a été amélioré pour être utilisé dans des centrales solaires/éoliennes/de stockage. Les principales améliorations sont : le déclassage pour les altitudes supérieures à 1 000 m, les enroulements harmoniques pour la puissance des onduleurs, la capacité bidirectionnelle pour le chargement de stockage, et une plage de température plus large.
Pourquoi les scénarios d'énergie nouvelle stressent différemment les transformateurs
Les installations d'énergie nouvelle placent les transformateurs dans des circonstances pour lesquelles les transformateurs de distribution suivant le réseau n'ont jamais été conçus. Il y a quatre différences physiques qui conduisent à la majorité des transformations :
| Facteur de stress | Devoir de réseau conventionnel | Devoir de centrale renouvelable | Conséquence |
|---|---|---|---|
| Direction de la charge | Unidirectionnelle, de l'utilitaire au consommateur | Bidirectionnelle (chargement/déchargement, exportation/importation) | Le changeur de prises et la conception des enroulements doivent gérer le flux inverse |
| Forme de charge | Courbe quotidienne prévisible | Variable avec la météo ; rampes rapides de 50–80% en minutes | Stress cyclique et thermique plus élevé sur les enroulements |
| Forme d'onde | Près de sinusoïdal | Distordue par les harmoniques de l'onduleur (3e–50e ordre) | Chauffage supplémentaire ; besoin d'un noyau et d'enroulements classés harmoniques |
| Environnement | Souvent tempéré, abrité | Haute altitude, chaleur désertique, sel côtier, extrêmes de froid | Changements de déclassage et de sélection de matériaux |
En tant que propriétaire d'EPC ou d'installation, le résultat est clair : vous ne pouvez pas utiliser un transformateur destiné à la distribution urbaine dans une station d'onduleur de 100 MW sans re-spécifier au moins cinq paramètres tels que l'ajustement d'altitude, la marge de température des enroulements, la plage de prises, la capacité harmonique et la protection de l'enceinte. Tout paramètre inacceptable deviendra apparent par la suite par un vieillissement prématuré, des déclenchements ennuyeux ou une défaillance de garantie.
Adaptations clés des transformateurs pour les centrales renouvelables
Les cinq modifications énumérées ci-dessous sont le cœur de toute spécification pour un transformateur d'énergie nouvelle. Toutes ont une base d'ingénierie établie et un coût quantitatif.
| Adaptation | Base d'ingénierie | Impact typique | Prime de coût |
|---|---|---|---|
| Déclassage en haute altitude | Une densité d'air plus faible réduit le refroidissement ; la norme IEC 60076-1 recommande une réduction de puissance au-dessus de 1 000 m | −1,0% de puissance nominale par 100 m au-dessus de 1 000 m, ou redessiner le refroidissement | $800–$3,500 |
| Enroulements classés harmoniques | Les harmoniques de l'onduleur ajoutent des pertes par courants de Foucault | Spécifiez le facteur K ou la capacité de charge non sinusoïdale | $1,000–$4,000 |
| Plage ambiante plus large | Des variations de −25 °C à +45 °C sont courantes sur les sites renouvelables | Huile spéciale, matériaux à basse température, marges de conception plus larges | $500–$2,000 |
| Conception bidirectionnelle | Le stockage et certains systèmes solaires fonctionnent dans les deux quadrants | Conception d'enroulement symétrique, OLTC adapté au flux inverse | $1,500–$5,000 |
| Protection et surveillance améliorées | Sites éloignés, faible personnel, conditions climatiques difficiles | Enveloppes IP55, surveillance en ligne, prêt pour DGA | $1,000–$4,000 |
Il est important de souligner que la réduction de puissance en altitude est souvent mal comprise. Selon la norme IEC 60076-1, si une puissance de sortie nominale doit être réduite de 1% pour chaque 100 m au-dessus de 1 000 m, alors le système de refroidissement doit également être amélioré. En raison de ces deux aspects, par exemple, une machine classée à 1 250 kVA à une altitude de 1 800 peut fonctionner autour de 1 150 kVA ou subir une réduction de 8%, ce qui est quelque chose que les entreprises EPC oublient souvent de prendre en compte jusqu'à la mise en service et que la chaîne d'onduleurs se déclenche en raison de surchauffe.
Applications photovoltaïques solaires
Un type différent de conception de transformateur est présent dans les centrales solaires. Comme pour la majorité des systèmes de production d'énergie commerciale, l'énergie électrique passe des onduleurs de courant continu (CC) au courant alternatif (CA). Après cela, le transformateur augmente simplement l'électricité CA reçue par le système de collecte et de distribution. Il existe deux approches courantes pour la construction et l'utilisation de transformateurs dans les centrales solaires :
- Transformateurs centralisés : dans ce cas, le transformateur ne sert qu'une ou deux sources d'énergie plus importantes, les connectant au système de collecte et de distribution d'électricité dans la zone de moyenne tension.
- Transformateur string/block : des transformateurs de puissance plus petits sont inclus dans des unités prêtes avec des onduleurs, ce qui signifie que chaque unité d'onduleur a son propre transformateur de puissance.
Un projet typique d'énergie solaire de 100 MW a 30-40 transformateurs de 3150 clés délivrant leur puissance. Pour résumer, voici les principales caractéristiques des transformateurs pour les projets d'énergie solaire :
- La capacité à supporter les harmoniques. La plupart des onduleurs solaires génèrent un courant non sinusoïdal caractérisé par les harmoniques 11, 13 et 23-25, donc les transformateurs doivent résister à l'influence de ces harmoniques.
- La capacité à s'adapter aux fluctuations de tension. Pendant le passage des nuages, les taux de montée sont égaux à 30-60% de la puissance nominale de la centrale et se produisent pendant 1-2 minutes, et les transformateurs et leurs introduits doivent être capables de supporter divers changements de charge.
- Utilisation en extérieur. Cela signifie que si la centrale solaire est située dans le désert, l'unité de transport doit avoir un matériau IP55 ou meilleur, une couleur résistante aux UV, et une classe d'huile d'au moins 100 degrés étant utilisée si la température dépasse cette valeur.
Le coût des transformateurs solaires montre où se situe le coût d'un transformateur de 1000 kW de 35/0,4 kW entre $9000-$18000 et un transformateur de 3150 volts allant jusqu'à $50000.
Applications de parc éolien
Dans le secteur des énergies renouvelables, c'est uniquement l'éolienne qui a les plus lourdes responsabilités en matière de transformateurs pour trois raisons. Premièrement, les transformateurs d'éoliennes (qui sont généralement dans la plage de 1 000-4 500 kVA, 35 kV/0,69 kV) sont situés dans une nacelle compacte ou à la base de la tour contenant moins de refroidissement. Deuxièmement, le rendement éolien varie très rapidement, une rafale de vent provoquant une chute spontanée de 20-40% en quelques secondes. Troisièmement, le secteur offshore est dicté par l'air salin, les vibrations et un accès difficile.
| Application éolienne | Puissance | Exigences spéciales | Prix typique (USD) |
|---|---|---|---|
| Transformateur de tour d'éolienne terrestre | 1 000–2 500 kVA | Taille compacte, résistance aux vibrations, IP54+ | $10 000–$22 000 |
| Transformateur d'éolienne offshore | 1 600–4 500 kVA | Protection contre la corrosion, réservoir scellé, haute fiabilité | $28 000–$65 000 |
| Transformateur de sous-station de parc éolien | 10–60 MVA | OLTC, surveillance DGA, conformité au code réseau | $120 000–$500 000 |
La conformité au code réseau est une condition préalable vitale pour les transformateurs éoliens : de nombreux opérateurs en Europe et en Asie exigent des caractéristiques LVRT (low-voltage ride-through) et FRT (fault ride-through) jusqu'à 0-20% de la tension nominale pendant une période de 150-625 ms, pendant laquelle le dispositif doit rester opérationnel sans déclencher aucun des équipements de protection ou subir de dommages aux enroulements. De telles capacités sont plus liées aux exigences d'isolation et de conception thermique, elles doivent donc être clairement spécifiées dans l'appel d'offres au lieu d'être supposées.
Applications de stockage d'énergie
Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), qui se développent rapidement dans l'industrie des transformateurs, nécessitent que les transformateurs soient appliqués d'une manière complètement différente grâce à une véritable fonctionnalité bidirectionnelle. L'énergie est injectée dans le système de stockage lorsque la batterie est chargée, tandis qu'elle est restituée lors de la décharge de la batterie. Les caractéristiques pratiques suivantes doivent être prises en compte :
- Symétrie des enroulements : Le transformateur doit disposer d'enroulements et de prises capables de recevoir ou d'émettre de la puissance.
- Commutation rapide : Une unité de stockage par batterie peut être complètement chargée puis complètement déchargée plusieurs fois par jour. Il est donc important que le transformateur puisse supporter des charges cycliques sans produire de décharges partielles significatives.
- Sécurité incendie : De nombreuses spécifications des BESS incluent l'exigence d'une conception antidéflagrante et d'une meilleure confinement, ce qui conduit à privilégier à nouveau l'utilisation de transformateurs secs, augmentant ainsi les coûts.
À titre d'exemple, trois à six transformateurs de 25–40 MVA peuvent être utilisés au point d'interconnexion pour un BESS standard de 2h 100 MW/200 MWh. En plus de cela, il utilise des transformateurs en conteneur de 1 250–3 150 kVA pour le PCS. Les prix peuvent varier dans une fourchette de 12 000–35 000 pour les conteneurs de transformateurs et de 150 000–450 000 pour les transformateurs moyenne tension selon qu'ils incluent ou non OLTC et la surveillance DGA.
Systèmes hybrides solaire-stockage-éolien
Dans les centrales hybrides, la capacité du transformateur à s'adapter aux situations changeantes est particulièrement appréciée. Une unité hybride de production combine la technologie solaire, les systèmes de stockage d'énergie par batterie et parfois la production éolienne sous une seule interconnexion, ce qui permet aux opérateurs de lisser le profil de production, de déplacer l'énergie et de fournir des services auxiliaires. Le transformateur voit un profil de production combiné, comprenant une courbe solaire en cloche pendant la journée, des variations rapides apportées par le stockage et une incertitude causée par le vent. Il est recommandé de prendre en compte les points suivants lors de la planification de l'exploitation des unités hybrides :
- Choisir la taille du transformateur en fonction de la puissance combinée maximale possible plutôt que des capacités nominales totales des composants, qui est normalement d'environ 80-95 % de la capacité totale de l'onduleur.
- Utiliser la technologie OLTC dans les situations où les faiblesses du réseau entraînent une volatilité du niveau de tension et nécessitent de la puissance réactive.
- Rendre obligatoire la surveillance DGA et de la température, car le cyclage hybride a un effet néfaste sur l'isolation.
- Choisir le test de pertes approprié pour le cycle hybride plutôt qu'une charge constante à 100 %, car le facteur de charge réel en pratique est de 25-45 %.
Il est utile de mentionner que les transformateurs des centrales hybrides sont souvent conçus avec une capacité supérieure de 10-15 % par rapport aux transformateurs nécessaires pour une centrale à source unique de capacité d'onduleur similaire, car les profils de sortie se chevauchent et provoquent des courants de pointe plus élevés dans les enroulements.
Normes et codes de conception
Un nouvel appel d'offres pour les transformateurs d'énergie devrait faire référence à ces normes afin que les adaptations soient vérifiables, et non simplement affirmées :
| Norme | Pertinence pour le devoir d'énergie renouvelable |
|---|---|
| IEC 60076-1 | Exigences générales ; définit la dérating en altitude et les règles de charge non sinusoïdale |
| IEC 60076-11 | Transformateurs à sec ; sécurité incendie pour les conteneurs BESS |
| IEEE C57.12.90 | Code d'essai pour les transformateurs de distribution et de puissance utilisés lors de la mise en service |
| IEC 62271-202 | Sous-stations de transformateurs préfabriquées (type boîte) courantes dans les centrales solaires |
| IEEE 1547 | Interconnexion des ressources distribuées ; comportement des DER basés sur des onduleurs |
| IEC 60068 | Essai environnemental pour les extrêmes d'altitude, d'humidité et de température |
Deux de ces règles nécessitent une attention particulière. En particulier, l'importance de l'IEC 60076-1 réside dans sa fourniture de la formule de correction d'altitude et des conseils sur la charge non sinusoïdale qui sont primordiaux pour la spécification de chaque transformateur renouvelable. De plus, l'IEC 62271-202 stipule des exigences pour la construction préfabriquée dans laquelle la majorité des transformateurs solaires et plusieurs transformateurs de stockage sont livrés.
Liste de vérification des spécifications
Lors de la rédaction de l'appel d'offres pour les transformateurs de tout projet d'énergie renouvelable, gardez cette liste de vérification à l'esprit :
- Indiquez l'altitude du site et exigez que le fabricant utilise la réduction d'altitude IEC 60076-1 ou améliore le refroidissement.
- Fournissez le spectre harmonique de l'onduleur (ou indiquez le THD attendu) et exigez un design de bobinage classé harmonique.
- Indiquez la plage de température ambiante basée sur les données historiques du site et non sur la moyenne nationale.
- Exigez la conformité aux codes de réseau LVRT/FVRT pour le point d'interconnexion approprié.
- Pour le BESS, exigez une classification bidirectionnelle claire ainsi qu'une faible décharge partielle (< 10 pC pour les unités de type sec).
- Exigez soit un IP55 (pour une utilisation en extérieur) soit la protection contre l'intrusion requise et des revêtements protecteurs UV.
- Demandez un calcul de perte de cycle avec le profil de dispatch réel de l'installation.
- Assurez-vous qu'une surveillance en ligne est en place (DGA pour le transformateur rempli d'huile et température pour tous).
- Renseignez-vous sur le certificat de test existant selon IEC 60076 et également sur la possibilité d'assister au test en usine.
- Exigez une garantie pour le transformateur d'au moins 5 ans avec la liste des prix des pièces de rechange.
Meilleures marques et comparaison des prix
Le marché des transformateurs renouvelables est dominé par de grands acteurs du monde entier ainsi que par des fabricants certifiés de plus en plus présents en Chine. Le graphique montre les coûts représentatifs des transformateurs solaires pour une capacité de 1 250 kVA, classe 35 kV/0,4 kV, adaptés à l'altitude et aux harmoniques, tandis que les prix réels dépendent de l'altitude, des harmoniques, de la marque et de la taille de la commande.
| Marque | Pays | Force du portefeuille renouvelable | Prix indicatif (USD) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Japon/Suisse | Grands transformateurs éoliens et solaires, forte expertise en codes de réseau | $14,000 à $26,000 |
| Siemens | Allemagne | Surveillance EnergyIP, références de centrales hybrides | $13,000 à $25,000 |
| ABB | Suisse | Large portefeuille d'intégration onduleur-transformateur | $13 000–$24 000 |
| Schneider Electric | France | Résistance des conteneurs BESS de type boîte et de type sec | $12,000–$23,000 |
| Prolec GE / GE Vernova | États-Unis | Références solaires et éoliennes à l'échelle des services publics en Amérique | $13,000–$27,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Unités testées selon IEC 60076 avec options d'altitude, d'harmonique et de type boîte | $9,000 à $18,000 |
Des entreprises internationales bien établies offrent une ingénierie avancée des codes de réseau, des années d'accomplissements de projets significatifs et des processus de service international. Cette combinaison signifie que même pour des projets éoliens offshore de haut niveau ou de grandes utilités, leur expérience et leur présence locale pourraient facilement aider à les évaluer plus haut. Cependant, Jiangsu Subian Electric Power est fort dans le segment solaire et de stockage premium de taille intermédiaire. L'entreprise produit des transformateurs conformes à IEC60076 qui répondent aux spécificités du projet (c'est-à-dire hauteur, harmoniques et environnement) à des prix équivalents à environ 45 à 60% de produits européens ou américains similaires. En pratique, les entreprises d'ingénierie qui achètent 30-40 transformateurs pour une seule installation de 100 MW sont satisfaites de la flexibilité OEM/ODM de leur partenaire local (le fournisseur fabrique selon la spécification personnalisée) et de l'opportunité de voir les tests effectués à l'usine avant expédition.
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi les transformateurs ont-ils besoin d'un design spécial pour les centrales solaires en haute altitude ?
À des altitudes élevées, l'air perd de sa densité ; par conséquent, le refroidissement naturel devient moins efficace. Selon la norme IEC 60076-1, la puissance doit être réduite de 1% pour chaque 100 mètres au-dessus de 1000 mètres, à moins que le système de refroidissement ne soit modifié. Une puissance de 1250 kVA du transformateur sera d'environ 1150 kVA à 1800 mètres, ce qui équivaut à une réduction de puissance d'environ 8% sans redessiner le transformateur. Un système de refroidissement plus grand ou un transformateur de puissance supérieure doit être utilisé. Cela coûtera entre $800 et $3,500 de plus.
Combien coûte un transformateur classé pour les énergies renouvelables par rapport à un standard ?
En ce qui concerne une unité de 1 250 kVA, le coût total de la prime combinée payée pour s'adapter à divers facteurs tels que l'altitude, les harmoniques, une large plage ambiante et la surveillance est généralement d'environ $1,500–$6,000, soit 10–20% de plus que ce qui est facturé pour un transformateur normal. En gros, le coût total de l'unité adaptée se situe entre $9,000 et $28,000, selon les spécifications de fabrication et la marque. Il est judicieux d'inclure ces exigences dans les appels d'offres car c'est le moyen le plus économique d'acheter les transformateurs nécessaires.
Quelle est la différence entre un transformateur solaire et un transformateur de distribution normal ?
La conception et la construction d'un transformateur solaire sont destinées à la puissance de sortie de l'onduleur. Il a des enroulements classés pour les harmoniques (en particulier les 11e, 13e, 23e à 25e harmoniques) et des conditions ambiantes suffisantes, y compris une construction extérieure typiquement IP55 et la capacité de respecter les codes de réseau des installations, y compris le LVRT. En revanche, un transformateur de distribution régulier est conçu pour des charges quasi sinusoïdales unidirectionnelles et doit fonctionner dans un environnement relativement stable.
Combien de temps les transformateurs de centrales renouvelables durent-ils réellement ?
Les unités qui ont été correctement définies peuvent fonctionner pendant 20 à 30 ans. Les unités qui sont sélectionnées sans ajustements d'altitude et d'harmoniques dans des environnements extrêmes peuvent échouer après quatre à six ans en raison de l'usure de l'isolation causée par le chauffage harmonique ou des températures excessives à haute altitude. L'état des unités peut être largement établi avant leur expédition par le fabricant, car cela est déterminé par la spécification, et non par l'équipe de maintenance.
Ai-je besoin d'un OLTC pour un transformateur de centrale solaire ou de stockage ?
Les prises fixes autour de ±2.5% semblent fonctionner efficacement en cas de réseau solide. Cependant, si le réseau est faible, un OLTC (une dépense supplémentaire de $6,000 — $18,000) est justifié lorsque le générateur doit fournir de la puissance réactive ou que la tension au point de livraison change de plus de ±5% pendant la journée, ce qui devient de plus en plus courant avec les projets hybrides et de batteries.
Références
- IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance : Général — la source autoritaire pour la réduction de puissance en fonction de l'altitude et les règles de charge non sinusoïdale utilisées tout au long de cet article.
- IEC 60076-11 — Transformateurs de puissance à sec — exigences de conception et de sécurité incendie pertinentes pour les transformateurs de conteneurs BESS.
- IEEE C57.12.90 — Code de test standard pour les transformateurs de distribution, de puissance et de régulation immergés dans un liquide — procédures de mise en service et de test référencées dans les appels d'offres renouvelables.
- IEC 62271-202 — Appareillage à haute tension : Sous-stations de transformateurs préfabriquées — régit les enclosures de sous-stations de type boîte utilisées dans les centrales solaires.
- IEEE 1547 — Norme pour l'interconnexion des ressources énergétiques distribuées — comportement d'interconnexion des DER basés sur des onduleurs, y compris le passage à travers la tension.
- IRENA — Agence internationale pour les énergies renouvelables — publie des statistiques sur la capacité renouvelable et des références de coûts technologiques utilisées dans l'économie des projets.
- Jiangsu Subian Electric Power — site officiel — fabricant de transformateurs conformes à la norme IEC 60076 avec des options d'altitude, d'harmonique et de service renouvelable.
Conclusion
La raison pour laquelle certaines centrales renouvelables durent 25 ans tandis que d'autres passent toute leur vie à réparer est l'adaptabilité des transformateurs. Ces adaptations sont mesurables : dégradation d'altitude selon IEC 60076-1, enroulements spéciaux pour charges d'onduleur, conception bidirectionnelle pour le stockage, spécifications ambiantes plus larges et système de surveillance amélioré. Tous ces ajustements ont un coût mesurable, généralement compris entre $1,500 et $6,000 pour chaque turbine de taille moyenne, et il est moins coûteux de les inclure lors de la préparation de l'appel d'offres plutôt qu'après la mise en service. Les points principaux sont les suivants :
- Appliquer la méthode de dégradation d'altitude (1% par chaque 100 mètres au-dessus de 1,000 m) ou installer un meilleur refroidissement.
- Les enroulements doivent être sélectionnés en fonction de la fréquence harmonique de l'onduleur existant.
- La conformité LVRT doit être exigée au niveau du code de réseau et une évaluation bidirectionnelle explicite doit être demandée à BESS.
- Il est nécessaire d'évaluer la perte de cycle de service selon les paramètres de dispatch réels.
- Comparez des leaders mondiaux dans le domaine de l'ingénierie énergétique tels que Hitachi Energy, Siemens, ABB avec des entreprises certifiées IEC comme Jiangsu Subian Electric Power pour obtenir un compromis entre qualité et prix.