EPC 회사의 프로젝트 디렉터로서, 당신은 간쑤 성의 100 MW 태양광 및 저장 프로젝트에 대한 EPC 계약을 체결했습니다. 그러나 소유자의 기술 검토 팀은 극심한 계절 변동이 있는 현장 높이(1800 m)에 대한 중요한 문제를 제기했습니다. -25도 섭씨에서 +45도 섭씨까지의 변동이 있습니다. 또한, 그리드 연결 규정에 따르면, 변전소는 625 ms 동안 명목 전압의 20%까지의 전압 강하를 견딜 수 있어야 합니다. 당신과 10년 간의 오랜 협력 관계를 가진 변압기 공급업체가 35 kV 박스형 변압기에 대한 표준 견적을 제공했지만, 프로젝트 엔지니어는 변압기의 설계가 현대적이며 일반 그리드 환경에 적합하고 이러한 고도 지역에는 적합하지 않다고 언급했습니다.
따라서, 이것이 바로 이 기사가 다루고 있는 주제입니다. 이 기사는 변압기가 재생 가능 에너지 프로젝트에 사용될 때와 기존 그리드 응용 프로그램에 사용될 때의 설계 및 사용 방식의 차이에 대해 다룹니다.
간단한 답변: 재생 가능 에너지 변압기는 서부 전력소에서 사용되는 일반 변압기로, 태양광/풍력/저장 플랜트에서 사용하기 위해 개선되었습니다. 주요 개선 사항은 다음과 같습니다: 1,000m 이상의 고도에 대한 출력 저하, 인버터 전력을 위한 고조파 권선, 저장 부하를 위한 양방향 기능, 그리고 더 넓은 온도 범위입니다.
새로운 에너지 시나리오가 변압기를 다르게 강조하는 이유
새로운 에너지 시설은 변압기를 그리드에 따라 분배 변압기가 설계되지 않은 상황에 놓이게 합니다. 대부분의 변환을 초래하는 네 가지 물리적 차이가 있습니다:
| 스트레스 요인 | 기존 그리드 작업 | 재생 가능 플랜트 작업 | 결과 |
|---|---|---|---|
| 부하 방향 | 일방향, 유틸리티에서 소비자로 | 양방향(충전/방전, 수출/수입) | 탭 체인저 및 권선 설계는 역류를 처리해야 합니다. |
| 부하 형태 | 예측 가능한 일일 곡선 | 날씨에 따라 변동; 몇 분 안에 50–80%의 급격한 상승 | 권선에 대한 더 높은 주기적 및 열적 스트레스 |
| 파형 | 거의 사인파 | 인버터 고조파(3차–50차)에 의해 왜곡됨 | 추가 가열; 고조파 등급의 코어 및 권선 필요 |
| 환경 | 종종 온화하고 보호된 | 고지대, 사막의 열, 해안의 염분, 극한의 추위 | 출력 저하 및 재료 선택 변경 |
EPC 또는 플랜트 소유자에게는 결과가 간단합니다: 고도 조정, 권선 온도 여유, 탭 범위, 고조파 기능 및 인클로저 보호와 같은 최소 다섯 가지 매개변수를 재지정하지 않고는 도시 배급을 위한 변압기를 100 MW 인버터 스테이션에서 사용할 수 없습니다. 수용할 수 없는 매개변수는 조기 노화, 불편한 트립 또는 보증 실패를 통해 나중에 분명해질 것입니다.
재생 가능 플랜트를 위한 주요 변압기 적응
아래 나열된 다섯 가지 수정 사항은 새로운 에너지 변압기에 대한 모든 사양의 핵심입니다. 모두 확립된 엔지니어링 기반과 정량적 비용이 있습니다.
| 적응 | 엔지니어링 기반 | 일반적인 영향 | 비용 프리미엄 |
|---|---|---|---|
| 고고도 출력 저하 | 낮은 공기 밀도가 냉각을 감소시킵니다; IEC 60076-1은 1,000 m 이상에서 출력 저하를 권장합니다 | 1,000 m 이상에서 100 m당 -1.0% 정격 전력, 또는 냉각 재설계 | $800–$3,500 |
| 고조파 정격 권선 | 인버터 고조파가 와전류 손실을 추가합니다 | K-팩터 또는 비사인파 부하 용량을 지정하십시오 | $1,000–$4,000 |
| 더 넓은 주변 온도 범위 | 재생 가능 사이트에서 -25 °C에서 +45 °C까지의 변동이 일반적입니다 | 특수 오일, 저온 재료, 더 넓은 설계 여유 | $500–$2,000 |
| 양방향 설계 | 저장 및 일부 태양광은 두 사분면에서 작동합니다 | 대칭 권선 설계, OLTC는 역류에 적합합니다 | $1,500–$5,000 |
| 향상된 보호 및 모니터링 | 원격 사이트, 낮은 인력, 가혹한 날씨 | IP55 인클로저, 온라인 모니터링, DGA 준비 완료 | $1,000–$4,000 |
고도 감손이 종종 오해받는다는 점을 지적하는 것이 중요합니다. IEC 60076-1에 따르면, 정격 전력 출력이 1,000m 이상 100m마다 1%로 감손되어야 한다면, 냉각 시스템도 강화되어야 합니다. 이러한 두 가지 측면의 결과로, 예를 들어, 1,800m 고도에서 1,250 kVA로 정격된 기계는 약 1,150 kVA로 작동하거나 8% 감손을 겪을 수 있으며, 이는 EPC 회사들이 종종 시운전 시까지 고려하지 않는 사항입니다. 인버터 문자열이 과열로 인해 트립되는 경우가 발생합니다.
태양광 PV 응용 프로그램
태양광 발전소에는 다른 종류의 변압기 설계가 존재합니다. 대부분의 상업용 전력 생성 시스템과 마찬가지로, 전기 에너지는 직류(DC)에서 교류(AC) 인버터로 전환됩니다. 이후 변압기는 수집 및 배전 시스템에서 수신한 AC 전기를 단순히 증가시킵니다. 태양광 발전소에서 변압기 건설 및 사용에 대한 두 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다:
- 중앙 집중식 변압기: 이 경우 변압기는 하나 또는 두 개의 더 큰 전력원만을 서비스하며, 이를 중전압 영역의 전기 수집 및 배전 시스템에 연결합니다.
- 문자열/블록 변압기: 더 작은 전력 변압기가 인버터와 함께 준비된 유닛에 포함되어 있으며, 각 인버터 유닛은 자체 전력 변압기를 가지고 있습니다.
전형적인 100 MW 태양광 프로젝트는 30-40개의 3150 키 변압기가 전력을 공급합니다. 요약하자면, 태양광 프로젝트를 위한 변압기의 주요 특성은 다음과 같습니다:
- 고조파를 견딜 수 있는 능력. 대부분의 태양광 인버터는 11번째, 13번째 및 23번째-25번째 고조파로 특징지어지는 비사인파 전류를 생성하므로 변압기는 이러한 고조파의 영향을 견뎌야 합니다.
- 전압 변동에 적응할 수 있는 능력. 구름이 지나갈 때, 램프 속도는 발전소 정격의 30-60%에 해당하며 1-2분 동안 발생하며, 변압기와 그 도입기는 다양한 부하 변화에 견딜 수 있어야 합니다.
- 야외 사용 가능성. 이는 태양광 발전소가 사막에 위치할 경우, 운송 유닛은 IP55 이상의 재료, UV 저항 색상 및 온도가 이 값을 초과할 경우 최소 100도 오일 클래스를 사용해야 함을 의미합니다.
태양광 변압기의 비용은 1000 kW 변압기(35/0.4 kW)의 비용이 $9000-$18000 사이에 있으며, 3150볼트 변압기는 $50000까지 올라간다는 것을 보여줍니다.
풍력 발전소 응용 프로그램
재생 가능 에너지 분야에서 풍력 터빈은 세 가지 이유로 인해 가장 많은 변압기 책임을 집니다. 첫째, 풍력 터빈 변압기(일반적으로 1,000-4,500 kVA, 35 kV/0.69 kV 범위에 있음)는 냉각이 적은 컴팩트한 나셀 또는 타워 기초에 위치합니다. 둘째, 풍속은 매우 빠르게 변동하며, 바람 돌풍이 몇 초 만에 20-40%의 자발적인 하락을 초래합니다. 셋째, 해양 부문은 염분 공기, 진동 및 접근성이 좋지 않은 환경에 의해 영향을 받습니다.
| 풍력 응용 프로그램 | 등급 | 특별 요구 사항 | 일반 가격 (USD) |
|---|---|---|---|
| 육상 터빈 타워 변압기 | 1,000–2,500 kVA | 컴팩트한 크기, 진동 저항, IP54+ | $10,000–$22,000 |
| 해상 터빈 변압기 | 1,600–4,500 kVA | 부식 방지, 밀폐 탱크, 높은 신뢰성 | $28,000–$65,000 |
| 풍력 발전소 변전소 변압기 | 10–60 MVA | OLTC, DGA 모니터링, 그리드 코드 준수 | $120,000–$500,000 |
그리드 코드 준수는 풍력 변압기에 필수적인 전제 조건입니다: 유럽과 아시아의 많은 운영자는 150-625 ms 동안 장치가 작동을 유지해야 하며, 이 기간 동안 보호 장비가 작동하지 않거나 권선에 손상이 발생하지 않도록 하기 위해 LVRT(저전압 유지) 및 FRT(고장 유지) 특성을 요구합니다. 이러한 기능은 절연 및 열 설계 요구 사항과 더 관련이 있으므로 입찰서에 명확하게 명시되어야 하며 가정되어서는 안 됩니다.
에너지 저장 응용 프로그램
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 변압기 산업에서 빠르게 확장되고 있으며, 진정한 양방향 기능을 통해 변압기가 완전히 다른 방식으로 적용되어야 합니다. 배터리가 충전될 때 전력이 저장 시스템으로 공급되며, 배터리가 방전될 때 다시 전력이 전송됩니다. 다음의 실용적인 특성을 고려해야 합니다:
- 권선 대칭: 변압기는 전력을 수신하거나 방출할 수 있는 권선과 탭을 가져야 합니다.
- 빠른 스위칭: 배터리 저장 장치는 하루에 여러 번 완전히 충전되고 완전히 방전될 수 있습니다. 따라서 변압기는 주기적 하중을 견딜 수 있어야 하며, 상당한 부분 방전을 발생시키지 않아야 합니다.
- 화재 안전: 많은 BESS 사양에는 방화 설계 및 개선된 밀폐 요구 사항이 포함되어 있으므로, 비용이 증가하는 건식 변압기의 사용으로 다시 기울어집니다.
예를 들어, 표준 2시간 100 MW/200 MWh BESS의 상호 연결 지점에서 25–40 MVA 변압기 3~6대가 사용될 수 있습니다. 또한 PCS를 위해 1,250–3,150 kVA 컨테이너 변압기를 사용합니다. 가격은 OLTC 및 DGA 모니터링이 포함되는지 여부에 따라 변압기 컨테이너는 $12,000–35,000, 중전압 변압기는 $150,000–450,000 범위에서 변동할 수 있습니다.
하이브리드 태양광-저장-풍력 시스템
하이브리드 발전소에서는 변압기가 변화하는 상황에 적응하는 능력을 가장 잘 평가할 수 있습니다. 하이브리드 발전 유닛은 태양광, 배터리 에너지 저장 시스템, 때때로 풍력 발전 기술을 하나의 상호 연결 아래 통합하여 운영자가 발전 프로필을 부드럽게 하고 에너지를 이동시키며 보조 서비스를 제공할 수 있게 합니다. 변압기는 낮 동안의 태양광 벨 곡선, 저장에 의해 발생하는 빠른 변동, 풍력으로 인한 불확실성을 포함하는 결합된 발전 프로필을 봅니다. 하이브리드 유닛의 운영 계획 시 다음 사항을 고려하는 것이 좋습니다:
- 변압기 크기는 구성 요소의 총 정격 용량이 아닌 가능한 가장 높은 결합 출력을 기준으로 선택하십시오. 이는 일반적으로 전체 인버터 용량의 약 80-95%입니다.
- 그리드의 약점으로 인해 전압 수준의 변동성이 발생하고 무효 전력이 필요한 상황에서는 OLTC 기술을 사용하십시오.
- 하이브리드 사이클이 절연에 부정적인 영향을 미치므로 DGA 및 온도 모니터링을 의무화하십시오.
- 실제 부하 계수가 25-45%인 경우 하이브리드 사이클에 적합한 손실 테스트를 선택하십시오. 평탄한 100% 부하가 아닙니다.
하이브리드 발전소 변압기는 유사한 인버터 용량의 단일 소스 발전소에 필요한 변압기보다 10-15% 더 높은 용량으로 설계되는 경우가 많습니다. 이는 출력 패턴이 겹쳐져서 권선에 더 많은 피크 전류를 유발하기 때문입니다.
표준 및 설계 코드
새로운 에너지 변압기 입찰은 이러한 표준을 참조하여 조정이 단순히 주장되는 것이 아니라 검증 가능하도록 해야 합니다.
| 표준 | 새로운 에너지 의무와의 관련성 |
|---|---|
| IEC 60076-1 | 일반 요구 사항; 고도 감손 및 비사인파 부하 규칙 정의 |
| IEC 60076-11 | 드라이 타입 변압기; BESS 컨테이너의 화재 안전 |
| IEEE C57.12.90 | 커미셔닝에 사용되는 배전 및 전력 변압기에 대한 시험 코드 |
| IEC 62271-202 | 태양광 발전소에서 일반적인 조립식(박스형) 변압기 변전소 |
| IEEE 1547 | 분산 자원의 상호 연결; 인버터 기반 DER 동작 |
| IEC 60068 | 고도, 습도 및 온도 극한에 대한 환경 시험 |
이 규칙 중 두 가지는 특별한 고려가 필요합니다. 특히, IEC 60076-1의 중요성은 고도 보정 공식과 비사인파 부하에 대한 지침을 제공하는 데 있습니다. 이는 모든 재생 가능 변압기의 사양에 매우 중요합니다. 또한, IEC 62271-202는 대부분의 태양광 및 여러 저장 변압기가 제공되는 조립식 구조에 대한 요구 사항을 규정합니다.
사양 체크리스트
재생 에너지 프로젝트를 위한 변압기 입찰서를 작성할 때, 이 체크리스트를 염두에 두십시오:
- 사이트의 고도를 명시하고 제조업체가 IEC 60076-1 고도 감량을 사용하거나 냉각을 개선하도록 요구하십시오.
- 인버터의 고조파 스펙트럼을 제공하고(또는 예상 THD를 명시하고) 고조파 등급 권선 설계를 요구하십시오.
- 사이트의 역사적 데이터를 기반으로 한 주변 온도의 범위를 명시하고 국가 평균이 아닌 데이터를 사용하십시오.
- 적절한 상호 연결 지점에 대한 LVRT/FVRT 그리드 코드 준수를 요구하십시오.
- BESS의 경우, 명확한 양방향 등급과 낮은 부분 방전(< 10 pC 드라이 타입 유닛)을 요구하십시오.
- IP55(실외 사용을 위한) 또는 필요한 침입 방지 및 UV 보호 덮개를 요구하십시오.
- 발전소의 실제 배치 프로파일을 포함한 사이클 손실 계산을 요청하십시오.
- 온라인 모니터링이 마련되어 있는지 확인하십시오(DGA는 오일로 채워진 변압기 및 모든 것의 온도).
- IEC 60076에 따른 기존 시험 인증서와 공장 시험을 목격할 수 있는 가능성에 대해 문의하십시오.
- 변압기에 대해 최소 5년의 보증과 예비 부품 가격 목록을 요구하십시오.
주요 브랜드 및 가격 비교
재생 변압기 시장은 전 세계의 대형 업체와 중국의 인증된 제조업체들이 점점 더 많이 진출하면서 지배되고 있습니다. 이 차트는 고도와 고조파에 적합한 1,250 kVA, 35 kV/0.4 kV 클래스의 태양광 변압기 대표 비용을 보여주며, 실제 가격은 고도, 고조파, 브랜드 이름 및 주문 규모에 따라 달라집니다.
| 브랜드 | 국가 | 재생 포트폴리오 강도 | 대략적인 가격 (USD) |
|---|---|---|---|
| 히타치 에너지 | 일본/스위스 | 대형 풍력 및 태양광 변압기, 강력한 그리드 코드 전문성 | $14,000–$26,000 |
| 지멘스 | 독일 | EnergyIP 모니터링, 하이브리드 플랜트 참조 | $13,000–$25,000 |
| ABB | 스위스 | 폭넓은 인버터-변압기 통합 포트폴리오 | $13,000–$24,000 |
| 슈나이더 일렉트릭 | 프랑스 | BESS 컨테이너를 위한 박스형 및 드라이 타입 강도 | $12,000–$23,000 |
| Prolec GE / GE Vernova | 미국 | 아메리카의 유틸리티 규모 태양광 및 풍력 참조 | $13,000–$27,000 |
| 장쑤 수비안 전력 | 중국 | 고도, 고조파 및 박스형 옵션이 있는 IEC 60076 시험 단위 | $9,000–$18,000 |
잘 확립된 국제 기업들은 고급 그리드 코드 엔지니어링, 수년간의 의미 있는 프로젝트 성과 및 국제 서비스 프로세스를 제공합니다. 이러한 조합은 고급 해상 풍력 또는 대형 유틸리티 프로젝트의 경우, 그들의 경험과 지역적 존재가 가격을 높이는 데 쉽게 도움이 될 수 있음을 의미합니다. 그러나 Jiangsu Subian Electric Power는 중간 규모의 프리미엄 태양광 및 저장 세그먼트에서 강력합니다. 이 회사는 프로젝트의 세부 사항(즉, 높이, 고조파 및 환경)에 맞는 IEC60076 준수 변압기를 생산하며, 가격은 유사한 유럽 또는 미국 제품의 약 45에서 60%에 해당합니다. 실제로, 단일 100 MW 설치를 위해 30-40개의 변압기를 구매하는 엔지니어링 회사들은 현지 파트너의 OEM/ODM 유연성(제공자가 맞춤 사양에 따라 제조)과 배송 전에 공장에서 시험을 수행하는 기회를 매우 만족스럽게 생각합니다.
자주 묻는 질문
고고도 태양광 발전소를 위한 변압기는 왜 특별한 설계가 필요한가요?
고고도에서는 공기가 밀도를 잃기 때문에 자연 냉각이 덜 효과적입니다. IEC 60076-1에 따르면, 냉각 시스템이 수정되지 않는 한 1000미터 이상에서 매 100미터마다 출력이 1% 감소해야 합니다. 변압기의 1250 kVA 정격은 1800미터에서 약 1150 kVA가 되며, 이는 변압기를 재설계하지 않고도 약 8%의 전력 감소에 해당합니다. 더 큰 냉각 시스템이나 더 높은 정격의 변압기를 사용해야 합니다. 이로 인해 $800에서 $3,500의 추가 비용이 발생합니다.
재생 가능 정격 변압기는 일반 변압기보다 얼마나 더 비쌉니까?
1,250 kVA 유닛의 경우, 고도, 고조파, 넓은 주변 범위 및 모니터링과 같은 다양한 요인에 적응하기 위해 지불하는 총 프리미엄 비용은 일반적으로 $1,500–$6,000, 즉 일반 변압기보다 10–20% 더 비쌉니다. 기본적으로, 적응된 유닛의 총 비용은 제조 사양 및 브랜드에 따라 $9,000-$28,000 사이에 분포합니다. 이러한 요구 사항을 입찰서에 포함시키는 것이 현명합니다. 이는 필요한 변압기를 구매하는 가장 경제적인 방법이기 때문입니다.
태양광 변압기와 일반 배전 변압기의 차이점은 무엇인가요?
태양광 변압기의 설계 및 구조는 인버터 출력 전력을 위해 설계되었습니다. 이는 고조파(특히 11번째, 13번째, 23번째에서 25번째 고조파)에 대한 정격 권선과 일반적으로 IP55 야외 구조 및 LVRT를 포함한 시설의 그리드 코드 요구 사항을 충족할 수 있는 충분한 주변 조건을 갖추고 있습니다. 반면, 일반 배전 변압기는 일방향 거의 정현파 부하를 위해 설계되었으며 상대적으로 안정적인 환경에서 작동해야 합니다.
재생 가능 발전소 변압기는 실제로 얼마나 오래 지속되나요?
적절히 정의된 유닛은 20년에서 30년 동안 작동할 수 있습니다. 극한 환경에서 고도 및 고조파 조정 없이 선택된 유닛은 고조파 열 또는 고고도에서의 과도한 온도로 인한 절연 마모로 인해 4년에서 6년 후에 고장날 수 있습니다. 유닛의 상태는 제조업체에서 발송되기 전에 대부분 확인할 수 있습니다. 이는 사양에 의해 결정되며 유지보수 팀에 의해 결정되지 않습니다.
태양광 또는 저장소 변압기에 OLTC가 필요합니까?
약 ±2.5%의 고정 탭은 강한 그리드에서 효율적으로 작동하는 것으로 보입니다. 그러나 그리드가 약한 경우, 발전기가 무효 전력을 제공해야 하거나 배달 지점의 전압이 낮 동안 ±5% 이상 변동할 경우 OLTC(추가 비용 $6,000 — $18,000)가 필요합니다. 이는 하이브리드 및 배터리 프로젝트에서 점점 더 흔해지고 있습니다.
참고 문헌
- IEC 60076-1 — 전력 변압기: 일반 — 이 기사 전반에 걸쳐 사용되는 고도 감쇠 및 비정현파 부하 규칙에 대한 권위 있는 출처입니다.
- IEC 60076-11 — 건식 전력 변압기 — BESS 컨테이너 변압기에 관련된 설계 및 화재 안전 요구 사항입니다.
- IEEE C57.12.90 — 액체 침지형 배전, 전력 및 조정 변압기에 대한 표준 시험 코드 — 재생 가능 입찰에서 참조된 시운전 및 시험 절차.
- IEC 62271-202 — 고전압 개폐기: 조립식 변압기 변전소 — 태양광 발전소에서 사용되는 박스형 변전소 인클로저를 규정합니다.
- IEEE 1547 — 분산 에너지 자원의 상호 연결에 대한 표준 — 전압 유지 포함 인버터 기반 DER 상호 연결 동작.
- IRENA — 국제 재생 가능 에너지 기구 — 프로젝트 경제성에 사용되는 재생 가능 용량 통계 및 기술 비용 벤치마크를 발표합니다.
- 장쑤 수비안 전력 — 공식 사이트 — 고도, 고조파 및 재생 가능 작업 옵션을 갖춘 IEC 60076 준수 변압기 제조업체.
결론
일부 재생 가능 발전소가 25년 동안 지속되는 이유는 변압기의 적응성입니다. 이러한 적응은 측정 가능합니다: IEC 60076-1에 따른 고도 저하, 인버터 부하를 위한 특수 권선, 저장을 위한 양방향 설계, 더 넓은 환경 사양 및 개선된 모니터링 시스템. 이러한 모든 적응은 측정 가능한 가격이 있으며, 일반적으로 평균 크기의 각 터빈에 대해 $1,500에서 $6,000 사이이며, 시운전 후보다 입찰 준비 시 포함하는 것이 더 저렴합니다. 주요 사항은 다음과 같습니다:
- 고도 저하 방법 적용 (1,000m 이상 100m마다 1%) 또는 더 나은 냉각 설치.
- 권선은 기존 인버터 고조파 주파수에 따라 선택해야 합니다.
- LVRT 준수는 그리드 코드 수준에서 요구되어야 하며, BESS로부터 명시적인 양방향 등급이 요청되어야 합니다.
- 실제 배치 매개변수에 따라 듀티 사이클 손실을 평가하는 것이 필요합니다.
- 품질과 가격 사이의 타협을 얻기 위해 Hitachi Energy, Siemens, ABB와 같은 에너지 엔지니어링 분야의 세계적인 리더를 Jiangsu Subian Electric Power와 같은 IEC 인증 회사와 비교하십시오.