EPC会社のプロジェクトディレクターとして、甘粛省での100 MWの太陽光および蓄電プロジェクトのEPC契約を獲得しました。しかし、オーナーの技術レビューチームは、サイトの高さ（1800 m）に関して、-25度セ氏から+45度セ氏までの極端な季節変動があるという重要な問題を提起しました。さらに、グリッド接続コードは、ステーションが625 msの間に名目電圧の20%までの電圧低下に耐えられる必要があると述べています。10年間の長期的な関係を持つ変圧器のサプライヤーは、35 kVボックスタイプ変圧器の標準見積もりを提供しましたが、プロジェクトエンジニアは、変圧器の設計が現代的であり、通常のグリッド環境には適しているが、そのような高さの地域には適していないとも述べました。.
したがって、この記事が取り上げているのはまさにこのテーマです。再生可能エネルギープロジェクトで使用される変圧器の設計と使用が、従来のグリッドアプリケーションとどのように異なるかについて扱っています。.
クイックアンサー：再生可能エネルギー変圧器は、西部の発電所で使用される普通の変圧器で、太陽光/風力/蓄電プラントで使用するために改良されています。主な改善点は、1,000 m以上の高度に対する定格低下、インバータ電力用の高調波巻線、蓄電負荷の双方向能力、およびより広い温度範囲です。.
新エネルギーシナリオが変圧器に異なるストレスを与える理由
新エネルギー施設は、グリッドに従う配電変圧器が設計されていなかった状況に変圧器を置きます。変化の大部分をもたらす4つの物理的な違いがあります：
| ストレスファクター | 従来のグリッド業務 | 再生可能プラント業務 | 結果 |
|---|---|---|---|
| 負荷の方向 | 一方向、公共事業から消費者へ | 双方向（充電/放電、輸出/輸入） | タップチェンジャーと巻線設計は逆流に対応する必要があります |
| 負荷の形状 | 予測可能な日次曲線 | 天候による変動；数分で50–80%の急激な変化 | 巻線への高いサイクルおよび熱ストレス |
| 波形 | ほぼ正弦波 | インバータ高調波によって歪められる（3次–50次） | 追加の加熱；高調波定格のコアと巻線が必要 |
| 環境 | 多くの場合、温暖で保護された環境 | 高高度、砂漠の熱、沿岸の塩、極端な寒さ | 定格低下と材料選定の変更 |
EPCまたはプラントオーナーにとって、結果は明確です：高度調整、巻線温度マージン、タップ範囲、高調波能力、エンクロージャ保護など、少なくとも5つのパラメータを再指定せずに、都市配電用に設計された変圧器を100 MWのインバータステーションで使用することはできません。受け入れられないパラメータは、早期の劣化、煩わしいトリップ、または保証の失敗を通じて明らかになります。.
再生可能プラントのための主要な変圧器の適応
以下に示す5つの修正は、新エネルギー変圧器の仕様の核心です。すべては確立された工学的基盤と定量的コストを持っています。.
| 適応 | 工学的基盤 | 典型的な影響 | コストプレミアム |
|---|---|---|---|
| 高高度定格低下 | 空気密度の低下は冷却を減少させる; IEC 60076-1は1,000 m以上での定格低下を推奨している | −1.0%は1,000 m以上の100 mごとの定格出力、または冷却の再設計 | $800–$3,500 |
| 高調波定格巻線 | インバータ高調波は渦電流損失を追加する | Kファクターまたは非正弦波負荷能力を指定する | $1,000–$4,000 |
| 幅広い周囲温度範囲 | −25 °Cから+45 °Cの変動は再生可能エネルギーサイトで一般的 | 特殊オイル、低温材料、広い設計マージン | $500–$2,000 |
| 双方向設計 | ストレージおよび一部の太陽光発電は両方の象限で動作する | 対称巻線設計、OLTCは逆流に適している | $1,500–$5,000 |
| 強化された保護と監視 | リモートサイト、低スタッフ、厳しい気象条件 | IP55エンクロージャ、オンライン監視、DGA対応 | $1,000–$4,000 |
高度による出力低下はしばしば誤解されることが重要です。IEC 60076-1によれば、定格出力が1,000 mを超える100 mごとに1%低下すべき場合、冷却システムも強化する必要があります。これら2つの側面の結果として、例えば、1,800 mの高度で1,250 kVAに定格された機械は、約1,150 kVAで運転できるか、8%の低下を受けることになります。これは、EPC企業がしばしば考慮しないことであり、 commissioning時にインバーターストリングが過熱によってトリップすることが発生します。.
ソーラーPVアプリケーション
ソーラー発電所には異なる種類のトランス設計があります。商業用発電システムの大多数と同様に、電気エネルギーは直流（DC）から交流（AC）インバータに切り替わります。その後、トランスは、収集および配電システムによって受け取ったAC電力を単に増加させます。ソーラー発電所におけるトランスの構造と使用には2つの一般的なアプローチがあります：
- 集中型トランス：この場合、トランスは1つまたは2つの大きな電源にのみサービスを提供し、それらを中圧エリアの電力収集および配電システムに接続します。.
- ストリング/ブロックトランス：小型の電力トランスがインバータを備えた完成ユニットに組み込まれており、各インバータユニットには独自の電力トランスがあります。.
典型的な100 MWの太陽エネルギープロジェクトには、30-40の3150キーのトランスがあり、それらが電力を供給しています。要約すると、太陽エネルギープロジェクトのトランスの主な特性は次のとおりです：
- ハーモニクスに耐える能力。ほとんどのソーラーインバータは、11次、13次、23次-25次のハーモニクスによって特徴付けられる非正弦波電流を生成するため、トランスはこれらのハーモニクスの影響に耐える必要があります。.
- 電圧変動に適応する能力。雲の通過中、ランプレートは発電所の定格の30-60%に等しく、1-2分の間に発生し、トランスとその導入装置はさまざまな負荷の変化に耐えることができる必要があります。.
- 屋外使用。これは、太陽光発電所が砂漠に位置している場合、輸送ユニットはIP55以上の材料、UV耐性の色、および温度がこの値を超える場合に使用される少なくとも100度の油クラスを持っている必要があることを意味します。.
ソーラー用トランスのコストは、35/0.4 kWの1,000 kWトランスが$9000-$18000の範囲にあり、3150ボルトのトランスは$50000に達することを示しています。.
風力発電所アプリケーション
再生可能エネルギー分野では、風力タービンが3つの理由から最も重いトランスの責任を負っています。1つ目は、風力タービントランス（一般的に1,000-4,500 kVA、35 kV/0.69 kVの範囲）は、冷却が少ないコンパクトなナセルまたはタワーベースに配置されていることです。2つ目は、風の収量が非常に迅速に変化し、風の突風が数秒以内に20-40%の急激な低下を引き起こすことです。3つ目は、オフショアセクターは塩分のある空気、振動、アクセスの悪さによって支配されています。.
| 風力アプリケーション | 定格 | 特別な要件 | 典型的な価格（USD） |
|---|---|---|---|
| 陸上タービンタワー用変圧器 | 1,000–2,500 kVA | コンパクトサイズ、振動耐性、IP54+ | $10,000–$22,000 |
| 沿岸タービン用変圧器 | 1,600–4,500 kVA | 腐食防止、密閉タンク、高い信頼性 | $28,000–$65,000 |
| 風力発電所用変圧器 | 10–60 MVA | OLTC、DGAモニタリング、グリッドコード準拠 | $120,000–$500,000 |
グリッドコードの遵守は風力変圧器にとって重要な前提条件です：ヨーロッパやアジアの多くのオペレーターは、名目電圧の0-20%までの期間150-625 msの間、LVRT（低電圧ライドスルー）およびFRT（故障ライドスルー）特性を要求しており、その間、装置は保護機器をトリップさせることなく、また巻線に損傷を受けることなく動作し続ける必要があります。このような能力は、絶縁および熱設計要件に関連しているため、入札時に明確に指定する必要があります。.
エネルギー貯蔵アプリケーション
バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）は、変圧器業界で急速に拡大しており、真の双方向機能を通じて変圧器を全く異なる方法で適用する必要があります。バッテリーが充電されるときに電力が貯蔵システムに注入され、バッテリーが放電するときに電力が戻されます。以下の実用的な特性を考慮する必要があります：
- 巻線対称性：変圧器は、電力を受け取るまたは放出することができる巻線とタップを持っている必要があります。.
- 高速スイッチング：バッテリー貯蔵ユニットは、1日に何度も完全に充電され、完全に放電される可能性があります。したがって、変圧器はサイクリック負荷に耐え、重要な部分放電を生じない能力を持つことが重要です。.
- 火災安全：多くのBESS仕様には、耐火設計および改善された封じ込めの要件が含まれているため、コストが上昇するドライタイプ変圧器の使用が再び推奨されます。.
例えば、標準的な2時間100 MW/200 MWh BESSの接続点には、3〜6台の25–40 MVA変圧器が使用される場合があります。それに加えて、PCS用に1,250–3,150 kVAのコンテナ変圧器を使用します。価格は、OLTCおよびDGAモニタリングを含むかどうかに応じて、変圧器コンテナが$12,000–35,000、媒介電圧変圧器が$150,000–450,000の範囲で変動する可能性があります。.
ハイブリッド太陽光発電-蓄電-風力システム
ハイブリッド発電所では、変圧器が変化する状況に適応する能力が最もよく評価されます。ハイブリッド発電ユニットは、太陽光、バッテリーエネルギー貯蔵システム、時には風力発電の技術を1つの接続点に統合し、オペレーターが発電プロファイルを平滑化し、エネルギーを移動させ、補助サービスを提供できるようにします。変圧器は、昼間の太陽光のベルカーブ、貯蔵による急速な変動、風による不確実性からなる複合発電プロファイルを見ます。ハイブリッドユニットの運用を計画する際には、以下の点を考慮することをお勧めします：
- トランスのサイズは、通常全体のインバータ容量の約80-95%であるコンポーネントの合計定格容量ではなく、可能な限り高い合成出力に基づいて選択してください。.
- グリッドの弱点が電圧レベルの変動を引き起こし、無効電力を必要とする状況では、OLTC技術を使用してください。.
- ハイブリッドサイクリングが絶縁に悪影響を及ぼすため、DGAおよび温度監視を必須にしてください。.
- 実際の負荷係数が25-45%であるため、フラット100%負荷ではなく、ハイブリッドサイクルに適した損失試験を選択してください。.
ハイブリッドプラントのトランスは、出力パターンが重なり、巻線を通るピーク電流が増加するため、同様のインバータ容量の単一ソースプラントに必要なトランスよりも10-15%高い容量で設計されることが多いことを言及することは有用です。.
規格および設計コード
新しいエネルギートランスの入札は、適応が単に主張されるのではなく、検証可能であるようにこれらの規格を参照する必要があります。
| 標準 | 新エネルギー義務への関連性 |
|---|---|
| IEC 60076-1 | 一般的な要件; 高度のデレーティングおよび非正弦波負荷のルールを定義します。 |
| IEC 60076-11 | 乾式トランス; BESSコンテナの火災安全 |
| IEEE C57.12.90 | 始動に使用される配電および電力トランスの試験コード |
| IEC 62271-202 | 太陽光発電所で一般的なプレファブ（ボックスタイプ）トランスサブステーション |
| IEEE 1547 | 分散資源の相互接続; インバータベースのDERの動作 |
| IEC 60068 | 高度、湿度、および温度の極端な環境試験 |
これらのルールのうち2つは特別な考慮を必要とします。具体的には、IEC 60076-1の重要性は、高度補正式の提供と非正弦波負荷に関するガイダンスにあります。これはすべての再生可能トランスの仕様にとって極めて重要です。また、IEC 62271-202は、太陽光発電およびいくつかの蓄電トランスが納入されるプレファブリケーション構造に関する要件を定めています。.
仕様チェックリスト
再生可能エネルギープロジェクトのトランスフォーマー入札を作成する際は、このチェックリストを念頭に置いてください：
- サイトの高度を示し、メーカーにIEC 60076-1の高度デレーティングを使用させるか、冷却を改善させることを要求します。.
- インバータからの高調波スペクトルを提供し（または予想されるTHDを示し）、高調波定格巻線設計を要求します。.
- サイトの過去のデータに基づいて周囲温度の範囲を示し、国の平均に基づかないようにします。.
- 適切な接続ポイントに対してLVRT/FVRTグリッドコードの遵守を要求します。.
- BESSについては、明確な双方向定格と低部分放電（乾式ユニットの場合は< 10 pC）を要求します。.
- IP55（屋外使用の場合）または必要な侵入保護およびUV保護カバーを要求します。.
- プラントの実際の出力プロファイルを用いたサイクル損失計算を要求します。.
- オンライン監視が整備されていることを確認します（油充填トランスのDGAおよびすべての温度）。.
- IEC 60076に基づく既存の試験証明書について問い合わせ、工場試験を立ち会う可能性についても確認します。.
- トランスフォーマーの保証を少なくとも5年間、スペアパーツの価格リストとともに要求します。.
トップブランドと価格比較
再生可能トランス市場は、世界中の大手企業や、中国からの認証メーカーがますます存在感を示す中で支配されています。このチャートは、1,250 kVA、35 kV/0.4 kVクラスの太陽光トランスの代表的なコストを示しており、高度や高調波に適応していますが、実際の価格は高度、高調波、ブランド名、注文サイズによって異なります。.
| ブランド | 国 | 再生可能ポートフォリオの強さ | 指標価格（USD） |
|---|---|---|---|
| 日立エナジー | 日本/スイス | 大型風力および太陽光発電トランス、強力なグリッドコードの専門知識 | $14,000–$26,000 |
| シーメンス | ドイツ | EnergyIP監視、ハイブリッドプラントの参照 | $13,000〜$25,000 |
| ABB | スイス | 幅広いインバータからトランスフォーマーへの統合ポートフォリオ | $13,000–$24,000 |
| シュナイダーエレクトリック | フランス | BESSコンテナ用のボックスタイプおよび乾式タイプの強さ | $12,000–$23,000 |
| Prolec GE / GE Vernova | 米国 | アメリカ大陸におけるユーティリティ規模の太陽光および風力の参照 | $13,000–$27,000 |
| 江蘇省蘇辺電力 | 中国 | 高度、高調波、ボックスタイプオプションを備えたIEC 60076試験済みユニット | $9,000–$18,000 |
確立された国際企業は、高度なグリッドコードエンジニアリング、意味のあるプロジェクトの実績、国際的なサービスプロセスを提供しています。この組み合わせにより、高プロファイルの洋上風力や大規模なユーティリティプロジェクトにおいても、彼らの経験と地域の存在が価格を高くするのに役立つ可能性があります。しかし、江蘇省蘇辺電力は中規模のプレミアムソーラーおよびストレージセグメントに強みを持っています。同社は、プロジェクトの具体的な要件（すなわち、高度、ハーモニクス、環境）を満たすIEC60076準拠のトランスを生産しており、価格は類似の欧州または米国製品の約45から60%に相当します。実際、100 MWの単一設置のために30-40台のトランスを購入するエンジニアリング会社は、地元のパートナーのOEM/ODMの柔軟性（プロバイダーがカスタマイズされた仕様に基づいて製造する）や、出荷前に工場でテストを行う機会に満足しています。.
よくある質問
なぜトランスは高高度のソーラープラントのために特別な設計が必要なのですか？
高高度では、空気の密度が失われるため、自然冷却が効果的でなくなります。IEC 60076-1によれば、冷却システムが変更されない限り、1000メートル以上の100メートルごとに出力を1%減少させる必要があります。1250 kVAのトランスの定格は、1800メートルで約1150 kVAになり、これは再設計なしで約8%の出力減少に相当します。より大きな冷却システムまたは高定格のトランスを使用する必要があります。これには$800から$3,500の追加コストがかかります。.
再生可能エネルギー定格のトランスは、標準のものよりどれくらい高いのですか？
1,250 kVAユニットの場合、高度、ハーモニクス、大きな周囲温度範囲、監視などのさまざまな要因に適応するために支払われる合計プレミアムコストは通常$1,500から$6,000、または通常のトランスに対して10–20%高くなります。基本的に、適応されたユニットの総コストは、製造仕様やブランドに応じて$9,000から$28,000の範囲になります。これらの要件を入札に含めることは賢明です。なぜなら、必要なトランスを購入する最も経済的な方法だからです。.
ソーラートランスと通常の配電トランスの違いは何ですか？
ソーラートランスの設計と構造はインバータ出力電力のためのものです。ハーモニクス（特に11次、13次、23次から25次のハーモニクス）に対して定格された巻線を持ち、通常はIP55の屋外構造や、施設のグリッドコード（LVRTを含む）を満たす能力を含む十分な周囲条件を備えています。それに対して、通常の配電トランスは、一方向のほぼ正弦波負荷のために設計されており、比較的安定した環境で動作する必要があります。.
再生可能エネルギー発電所のトランスは実際にどれくらい持ちますか？
適切に定義されたユニットは、20年から30年の間機能することができます。高度やハーモニック調整が行われていない極端な環境で選定されたユニットは、ハーモニック加熱や高高度での過剰温度による絶縁劣化のために、4年から6年で故障する可能性があります。ユニットの状態は、製造元から出荷される前に大部分が確立されることができ、これは仕様によって決定されるものであり、メンテナンスチームによって決定されるものではありません。.
太陽光発電または蓄電プラントのトランスにOLTCは必要ですか？
約±2.5%の固定タップは、強力なグリッドの場合に効率的に機能するようです。しかし、グリッドが弱い場合、発電機が無効電力を提供する必要があるか、配電点での電圧が日中に±5%以上変化する場合には、OLTC（追加費用$6,000 — $18,000）が必要です。これは、ハイブリッドおよびバッテリープロジェクトでますます一般的になっています。.
参考文献
- IEC 60076-1 — 電力トランス：一般 — 本記事全体で使用される高度降格および非正弦波負荷ルールの権威ある情報源。.
- IEC 60076-11 — 乾式電力トランス — BESSコンテナトランスに関連する設計および火災安全要件。.
- IEEE C57.12.90 — 液体浸漬型配電、電力、調整トランスの標準試験コード — 再生可能エネルギー入札で参照される試運転および試験手順。.
- IEC 62271-202 — 高電圧スイッチギア：プレファブリケート変圧器変電所 — 太陽光発電所で使用されるボックス型変電所のエンクロージャを規定します。.
- IEEE 1547 — 分散エネルギー資源の接続に関する標準 — 電圧ライドスルーを含むインバータベースのDER接続動作。.
- IRENA — 国際再生可能エネルギー機関 — プロジェクト経済に使用される再生可能容量統計および技術コストベンチマークを発表します。.
- Jiangsu Subian Electric Power — 公式サイト — 高度、ハーモニック、および再生可能業務オプションを備えたIEC 60076準拠のトランスの製造業者。.
結論
一部の再生可能プラントが25年持続する一方で、他のプラントがその生涯を修理に費やす理由は、トランスの適応性です。これらの適応は測定可能です：IEC 60076-1に基づく高度降格、インバータ負荷用の特別な巻線、蓄電用の双方向設計、より広い環境仕様、および改善された監視システム。これらの適応には測定可能な価格があり、通常は平均サイズの各タービンについて$1,500から$6,000の間で、入札準備時に含める方が、運転開始後よりも安価です。主なポイントは次のとおりです：
- 高度降格法を適用する（1,000 m以上の100メートルごとに1%）か、より良い冷却を設置します。.
- 巻線は、既存のインバータハーモニック周波数に応じて選定する必要があります。.
- LVRTの適合性は、グリッドコードレベルで要求されるべきであり、BESSから明示的な双方向定格が求められるべきです。.
- 実際の dispatch パラメータに基づいて、デューティサイクル損失を評価する必要があります。.
- Hitachi Energy、Siemens、ABBなどのエネルギー工学分野の世界的リーダーと、Jiangsu Subian Electric PowerのようなIEC認証を受けた企業を比較して、品質と価格の妥協点を見つけることが重要です。.