グリッド設計を担当するエンジニアは、変化を遂げる沿岸サイトを計画していました。200メガワットの洋上風力発電所は、さまざまな220キロボルトの変電所の1つに接続されます。120メガワットの太陽光発電施設と50メガワット/100メガワット時のエネルギー貯蔵所は、別の変電所を通じて接続され、35キロボルトの接続システムは拡張されます。新たに必要なメガワットごとに変圧器が必要です - タービン用の0.69 kV変圧器、太陽光発電システム用の0.4 kV変圧器、変電所用の33/110または33/220キロボルト変圧器、エネルギー貯蔵プラントの充電と放電の両方に対応するための変圧器です。エンジニアの機械は、再生可能エネルギー施設がすべての宣伝を受ける一方で、システム全体が機能することを保証するのは変圧器であるという事実を常に思い出させました。変圧器が損失を増加させたり、自らを冷却できなかったりすると、風力発電所は外の風がどれほど強くても、その能力を適切に利用できなくなります。.
この記事は、新エネルギー電力システムにおける変圧器の重要性、位置、運用パラメータ、コスト、および貯蔵システムの建設における選定方法を強調しています。.
新エネルギーシステムにおける変圧器の役割
新エネルギーシステムの運用は、従来の電力システムと似ていますが、分散型の気象依存型ソースに基づいています。従来、変圧器は5つの主要な機能を果たします：
発電機用の昇圧変圧器：収集システム内の各タービンまたはインバーターストリングからの低電圧を高電圧に変換します。;
収集システム変圧器：多くの発電機から電力を変電所に運びます。;
昇圧変圧器：さらなる送電のために収集電圧を上げます。;
アイソレーション変圧器：発電とグリッドの間の分離を行います。;
補助供給変圧器：変電所に補助サービスを提供します。.
システムトポロジー：風力、太陽光、貯蔵、ハイブリッド
変圧器の構成は、ソースの種類とプラントのサイズによって異なります：
| システム | 典型的な変圧器段階 | 定格の例 |
|---|---|---|
| 陸上風力（20–200 MW） | タービン 0.69/33 kV → 変電所 33/110–220 kV | 昇圧 1.5–10 MVA; 変電所 20–100 MVA |
| 沿岸風力 | タービン昇圧 → 洋上変電所 → 陸上変電所 | 昇圧 5–15 MVA; 変電所 100–400 MVA |
| ユーティリティ太陽光（10–200 MWp） | インバーター 0.4–0.6/33 kV → 変電所 33/110–220 kV | 収集 1–5 MVA; 変電所 20–100 MVA |
| バッテリー貯蔵（10–100 MW） | PCS 0.4/10–33 kV → 変電所昇圧 | PCS変圧器 1–5 MVA |
| ハイブリッド（風力+太陽光+貯蔵） | 上記すべてを1つのコレクター変電所に | 多重巻線変圧器 |
各段階は損失、コスト、故障モードを追加します。これが、システム設計者が変換ステップの数を最小限に抑えるために努力する理由です。しかし、現代の送電システムの電圧レベルは、ステップを避けられないものにします。変圧器は、再生可能エネルギーを効率的に遠距離に移動させるための代償です。.
新エネルギー義務：グリッド義務との比較
新エネルギー変圧器は、グリッド配電変圧器には一般的でない運転条件に対処する必要があります：
変動負荷：風力と太陽光の出力がほぼゼロからフルまで数分で変動し、変圧器の巻線が急速な温度変化を経て絶縁体にストレスを与えます。.
双方向エネルギー流（バッテリーエネルギー）：バッテリー変圧器は、同じ重要性でエネルギーを両方向に輸送する必要があり、これは一方向のグリッド変圧器が設計されていない対称的な熱ストレスを意味します。.
高調波：インバータやコンバータは高調波電流を注入し、巻線に追加の電力損失を引き起こし、変圧器のインピーダンスとの共振を引き起こす可能性があります。.
遠隔地：風力タービン変圧器は、山頂や海の塩水中に設置され、極端な気象条件下で、メンテナンスのための限られたスペースがあります。.
その結果、出力低下、より良い冷却、高調波に対処するための巻線設計、強力な絶縁体の使用が必要になります。安定したグリッド業務用に設計された変圧器は、再生可能エネルギープロジェクトに設置されると、仕様書に記載された通りに機能せず、過熱して予定より早く故障する可能性があります。.
| 運転条件 | 典型的なグリッド業務 | 新エネルギー業務 | 設計応答 |
|---|---|---|---|
| 負荷プロファイル | 比較的安定して予測可能 | ほぼゼロからフルへの急激な変動 | サイクリック負荷定格、熱マージン |
| 電力の流れの方向 | 一方向（グリッドから負荷へ） | 蓄電所での双方向 | 対称的な巻線と冷却設計 |
| 高調波成分 | 低い、主に50/60 Hz | インバータ高調波が存在 | 高調波定格巻線、追加マージン |
| 設置 | サービスアクセスのある変電所 | リモート、オフショア、塩分のある空気、極端 | 腐食防止、密閉設計 |
実践的な教訓は、電圧ではなく、用途に応じて仕様を指定することです。配電変圧器に完全に適合する変圧器が、風力または太陽光発電所で同じ定格の場合には不適切な選択となることがあります。.
変圧器の種類と構成
新エネルギーシステムにおける主要な変圧器ファミリー、その設計の重点：
| タイプ | 一般的な定格 | 設計の重点 |
|---|---|---|
| タービン昇圧（WTS） | 5–15 MVA、0.69/33 kV | コンパクト、腐食抵抗、高振動耐性 |
| 太陽光インバータ変圧器 | 1–5 MVA、0.4–0.6/33 kV | 高調波耐性巻線、高サイクル時の低負荷損失 |
| バッテリー貯蔵変圧器 | 1–5 MVA、0.4/10–33 kV | 双方向負荷能力、高い過負荷マージン |
| コレクター変電所変圧器 | 10–40 MVA、33/110–220 kV | 負荷切替器、低損失、高信頼性 |
| 補助変圧器 | 50–500 kVA、33/0.4 kV | ステーションハウス負荷、コンパクトで信頼性が高い |
ドライタイプおよびキャストレジン変圧器は、屋内またはコンテナ設置のインバータおよびPCS段階でますます見られ、火災安全性とメンテナンスアクセスが固体絶縁を好みます。液体浸漬ユニットは、屋外のコレクションおよびステーション段階で支配的です。.
効率と損失の考慮事項
新エネルギー変圧器の効率は、その性質上複雑です。損失は、プラントが販売できないエネルギーを構成し、したがって収入を減少させます。さらに、損失の量は負荷の変化に依存します。この問題に対処するために、2つの設計原則に従うべきです：
無負荷損失は、低負荷時に最も重要な要素です。太陽光発電所が夜間に出力を生成していないときでも、変圧器はまだ機能しており、年間8,760時間のコア損失を引き起こします。;
負荷損失は、負荷が高いときに重要になる可能性がある2番目の要素です。高調波が負荷損失を5-20%増加させるため、変圧器巻線の設計を検討する際にはこの側面を考慮する必要があります。.
太陽光発電所向けのエネルギー効率の良い変圧器は、同じ出力を持つエネルギー変圧器の総損失から30%から50%を節約できます。金銭的には、エネルギーコストが$0.08から$0.10/kWhであることを考慮すると、年間$10,000から$40,000に相当します。.
| プラントサイズ | 典型的な変圧器フリート | 一般的な仕様に対する年間損失エネルギーの節約 | $0.09/kWhでの年間価値 |
|---|---|---|---|
| 10 MW太陽光 | 10 × 1 MVAコレクションユニット + 1ステーションユニット | 30,000–60,000 kWh | $2,700–$5,400 |
| 50 MW太陽光 | 25–30コレクションユニット + ステーション | 110,000–440,000 kWh | $10,000–$40,000 |
| 30 MW風力 | 20 × 1.5 MVAタービンユニット + ステーション | 90,000–250,000 kWh | $8,100–$22,500 |
| 50 MW / 100 MWh貯蔵 | 10–20 PCSユニット + ステーション | 70,000–200,000 kWh | $6,300–$18,000 |
節約はプラントのサイズに比例し、一般的な変圧器が使用されると悪化します。これが、プラントレベルの損失モデルが再生可能プロジェクトエンジニアリングの一部となった理由です。.
保護、監視、および信頼性
トランスは、稼働している場合、補助的な役割を果たします。このため、新しい発電所では、トランスとともに以下のいくつかの機器が使用されます：
– 保護リレー：差動リレーと過電流リレーを備えた変電所用トランス、および集電システムレベルでのヒューズ保護と遮断器。.
– 溶解ガス分析器：IEC 60599に従った油サンプリングの使用により、遠隔機器の運用方法において重要な初期故障を特定します。.
– 温度と圧力の監視：上部油および巻線温度センサー。.
– 負荷時タップチェンジャー：発電所の運転中に電圧レベルの維持を支援するための変圧器ステーション設備の一部として。.
– スマート監視システム：上記のデータを収集し、 dispatching プロセスを最適化することを可能にする慣習的な側面。.
信頼性の経済性は明確です：30 MVA の電力アセンブリが故障すると、30-100 MW の発電が数週間遅れる可能性があり、そのコストは数百万ドルに達します。変圧器は、プロジェクトで使用される機器の品質に影響を与えるこのような不便に関連するリスクに対して、わずかなコストに過ぎません。.
再生可能プロジェクトのためのサイズ設定と選定
新しいエネルギーシステムのための変圧器を選定する際には、以下の手順に従う必要があります。.
負荷プロファイルのロッティング：これは、発電モデルからの時間ごとの出力を取得することを含み、風速または太陽光照射系列から導出された出力プロファイルおよび充電/放電スケジュールを指します。.
デレーティング手法を使用して各変圧器段のサイズを決定する：ここでは、通常 5–10% の調和デレーティングを適用し、周囲温度のデレーティング手法も考慮する必要があります。.
損失バランスを見つける：このステップは、料金と出力を通じて損失資本化を実行することから成ります。.
ソリューションに含める必要がある保護および監視デバイスを決定する、リレーや DGA など。.
環境仕様を定義する：これには、騒音規制、油の種類、および腐食防止が含まれます。.
基準に従ってデバイスをテストする。.
製造業者と価格帯
ブランドおよび段階別の新エネルギー変圧器の指標 FOB 価格：
| ブランド | 起源 | 1 MVA コレクションユニット | 30 MVA ステーションユニット |
|---|---|---|---|
| 日立エナジー | 日本/グローバル | $9,000–$14,000 | $95,000–$160,000 |
| ABB | スイス/グローバル | $8,500–$13,500 | $90,000–$150,000 |
| シーメンスエナジー | ドイツ/グローバル | $8,000–$13,000 | $85,000–$145,000 |
| シュナイダーエレクトリック | フランス/グローバル | $7,500–$12,500 | $80,000–$140,000 |
| 東芝 / ヒュンダイ | 日本/韓国 | $7,000–$11,500 | $75,000–$130,000 |
| 江蘇省蘇辺電力 | 中国 | $4,000–$7,500 | $45,000–$120,000 |
価格は、定格、電圧比、損失クラス、タップチェンジャー、油の種類、銅価格、および納入条件によって異なります。これらは計画範囲として扱い、確定的な見積もりではありません。.
プレミアム層は、グローバルな型式試験プログラムとオフショアの実績で市場を支えています。中国の層は、同じ IEC 60076 の証拠と新エネルギー特有の設計を 40–50% の低コストで提供しており、アジア、アフリカ、中東、南アメリカ全体の陸上風力、太陽光、ストレージプロジェクトの主要な供給源となっています。. 江蘇省蘇辺電力 は中国の 変圧器メーカーです と エネルギー効率の良いトランス 10 kVA から 63 MVA までのタービン昇圧、太陽光コレクション、ストレージ、ステーション変圧器を供給するプロデューサーで、調和耐性巻線、負荷時タップチェンジャー、アモルファスコアおよび天然エステル油オプションを備え、すべて IEC 60076 に準拠してテストされ、ルーチンテストレポートと共に出荷されます。Subian は国際的に再生可能およびストレージプロジェクトを供給しており、その範囲は文書化されています。 subian-electric.com.
展望：未来の電力システムにおける変圧器
– 温度と圧力の監視：上部油と巻線温度センサー。 – 負荷時タップチェンジャー：変圧器ステーション設備の一部として… – スマート監視システム：現在、データ収集を可能にする慣習的な側面です….
トランスはエネルギー転換の背景に留まりますが、彼らなしでは転換は単に起こりません。.
よくある質問
風力および太陽光発電所で使用されるトランスは何ですか？
通常、3つの段階があります：発電機/インバータの昇圧トランス（0.69/33 kVまたは0.4–0.6/33 kV、1–15 MVA）、集電ネットワークユニット、およびステーション昇圧トランス（33/110–220 kV、20–400 MVA）。バッテリー貯蔵プラントは0.4/10–33 kVで双方向PCSトランスを追加します。.
再生可能エネルギー発電所のトランスはどのくらいのコストですか？
1 MVAの集電トランスは中国のメーカーから約$4,000–$7,500 FOBで販売されています；30 MVAのステーショントランスは$45,000–$120,000です。プレミアム国際ブランドは50–80%高くなります。価格は定格、損失クラス、タップチェンジャー、銅の価格によって異なります。.
なぜトランスの損失が新しいエネルギーシステムで重要なのですか？
失われたキロワットは販売できない再生可能出力だからです。太陽光発電所のステーショントランスは出力がゼロの夜間も電力が供給され続けるため、無負荷損失はその小さなサイズが示すよりも重要です。50 MWのプラントでは、適切な仕様により年間$10,000–$40,000の損失エネルギーを節約できます。.
再生可能トランスは通常のグリッドトランスと異なりますか？
はい、業務において異なります。彼らは可変および双方向の負荷、インバータからの高調波、遠隔または厳しい設置条件を受けます。それには高調波定格の巻線、デレーティング、より良い冷却、腐食保護が必要です。デレーティングなしで標準のグリッドトランスを使用すると、その寿命が短くなります。.
再生可能プラントにおけるトランスの寿命はどのくらいですか？
20–35年で、負荷の厳しさ、周囲の条件、メンテナンスによって異なります。可変負荷と高調波は、ユニットがデレーティングされて監視されない限り寿命を短くします。IEC 60599に基づく年間DGA、温度監視、およびホットスポット温度をIEC 60076-7の制限内に保つことが寿命に対する最も強力な要素です。.
参考文献
- IEC 60076-1: 電力変圧器 – 一般 — すべての再生可能システムトランスのための国際的な評価および試験基準。.
- IEC 60076-5: 短絡に耐える能力 — ステーショントランスの短絡設計検証。.
- IEC 61936-1：1 kV a.c.を超える電力設備。. — 中・高電圧の再生可能プラントの設置要件。.
- IEA再生可能エネルギー2023 — トランス需要を支えるグローバル再生可能エネルギー成長データ。.
- IRENA 再生可能エネルギー技術 — 風力、太陽光、蓄電の統合に関する技術展望。.
- GB 20052: 電力変圧器のエネルギー効率グレード — 再生可能トランス仕様に関連する効率等級。.
- 江蘇省蘇辺電力公式サイト — 試験報告書付きの再生可能および蓄電トランスレンジ。.
結論
トランスは現代のエネルギー電力システムにおいて重要な要素であり、選択的ではなく構造的な意味を持ちます。各風力タービン、太陽光発電所、バッテリー施設は、電圧を昇圧し、電力を集め、グリッドに接続するためにトランスに依存しており、したがって各トランスはこれらのシステムが課す試練に耐えられるように設計されなければなりません：変動する負荷、歪み、双方向の交通、遠隔地での設置。.
重要なポイント：
- 再生可能システムには、3つの変換段階が必要です：発電昇圧、集電、そしてステーション昇圧。.
- 新エネルギーの業務はグリッド業務よりも難しい — デレーティング、ハーモニックトレランス、モニタリングは譲れない要素です。.
- 効率仕様は、一般的なユニットに対して年間30–50%の損失エネルギーを節約します；50 MWプラントで年間$10,000–$40,000の価値があります。.
- 中国のメーカーから1 MVAコレクションユニットに対して$4,000–$7,500、30 MVAステーションユニットに対して$45,000–$120,000の予算を立ててください。.
風力、太陽光、蓄電、またはハイブリッドプロジェクトを構築または拡張している場合、, 江蘇省蘇辺電力 10 kVAから63 MVAまでの再生可能グレードのトランスを供給します — ハーモニックトレランス、IEC 60076に準拠したテスト済み、アモルファスコアおよびエステルオイルオプション付き — 輸出に優しい価格で。範囲を確認してください。 subian-electric.com.