그리드 설계를 담당하는 엔지니어는 변화를 겪을 해안 부지를 계획하고 있었습니다. 200 메가와트의 해상 풍력 발전소가 다양한 220킬로볼트 변전소 중 하나에 연결될 것입니다. 120 메가와트의 태양광 시설과 50 메가와트/100 메가와트시의 에너지 저장소가 또 다른 변전소를 통해 연결될 것이며, 35킬로볼트 연결 시스템이 확장될 것입니다. 모든 새로운 메가와트는 변압기를 필요로 했습니다 – 터빈용 0.69 kV 변압기, 태양광 시스템용 0.4 kV 변압기, 변전소용 33/110 또는 33/220킬로볼트 변압기, 그리고 에너지 저장소에서 충전 및 방전을 처리하는 데 필요한 변압기. 엔지니어의 기계는 그녀에게 한 가지 사실을 끊임없이 상기시켰습니다: 재생 에너지 발전소가 모든 홍보를 받지만, 전체 시스템이 제대로 작동하도록 보장하는 것은 변압기입니다. 변압기가 손실이 증가하거나 스스로 냉각되지 않으면, 바깥의 바람이 아무리 강해도 풍력 발전소는 그 용량을 제대로 사용할 수 없습니다.
이 기사는 새로운 에너지 전력 시스템에서 변압기의 중요성을 강조하며, 위치, 운영 매개변수, 비용 및 저장 시스템 건설을 위한 선택 방법을 포함합니다.
새로운 에너지 시스템에서 변압기의 역할
새로운 에너지 시스템의 운영은 전통적인 전력 시스템과 유사하지만, 분산된 기상 의존 소스를 기반으로 합니다. 전통적으로 변압기는 다섯 가지 주요 기능을 수행합니다:
발전기용 승압 변압기: 수집 시스템의 각 터빈 또는 인버터 문자열에서 나오는 저전압을 더 높은 전압으로 전송합니다;
수집 시스템 변압기: 많은 발전기에서 전력을 변전소로 운반합니다;
승압 변압기: 추가 전송을 위해 수집 전압을 높입니다;
격리 변압기: 발전과 그리드 간의 분리를 수행합니다;
보조 공급 변압기: 변전소에 보조 서비스를 제공합니다.
시스템 토폴로지: 풍력, 태양광, 저장, 하이브리드
변압기 구성은 소스 유형과 발전소 크기에 따라 다릅니다:
| 시스템 | 일반적인 변압기 단계 | 정격 예시 |
|---|---|---|
| 육상 풍력 (20–200 MW) | 터빈 0.69/33 kV → 변전소 33/110–220 kV | 승압 1.5–10 MVA; 변전소 20–100 MVA |
| 해상 풍력 | 터빈 승압 → 해상 변전소 → 육상 변전소 | 승압 5–15 MVA; 변전소 100–400 MVA |
| 유틸리티 태양광 (10–200 MWp) | 인버터 0.4–0.6/33 kV → 변전소 33/110–220 kV | 수집 1–5 MVA; 변전소 20–100 MVA |
| 배터리 저장 (10–100 MW) | PCS 0.4/10–33 kV → 변전소 승압 | PCS 변압기 1–5 MVA |
| 하이브리드 (풍력+태양광+저장) | 위의 모든 것을 하나의 수집 변전소로 | 다중 권선 변전소 변압기 |
각 단계는 손실, 비용 및 고장 모드를 추가하므로 시스템 설계자는 변환 단계 수를 최소화하기 위해 열심히 작업합니다 — 그러나 현대 전송 시스템의 전압 수준은 단계를 피할 수 없게 만듭니다. 변압기는 재생 가능한 전력을 효율적으로 먼 거리로 이동하는 대가입니다.
새로운 에너지 의무: 그리드 의무와의 비교
신재생 에너지 변압기는 그리드 배전 변압기에서는 드문 운영 조건을 처리해야 합니다:
변동 부하: 풍력 및 태양광 출력이 거의 제로에서 전부로 몇 분 만에 변동하여 변압기 권선이 급격한 온도 변화를 겪고 절연체에 스트레스를 줍니다.
양방향 에너지 흐름(배터리 에너지): 배터리 변압기는 양 방향으로 에너지를 동일한 중요도로 전송해야 하며, 이는 단방향 그리드 변압기가 설계되지 않은 대칭 열 스트레스를 의미합니다.
고조파: 인버터와 컨버터는 변압기 임피던스와 공진을 일으킬 수 있는 추가적인 전력 손실을 초래하는 고조파 전류를 주입합니다.
원거리 위치: 풍력 터빈 변압기는 산꼭대기나 바다의 염수, 극한 기상 조건에서 유지보수를 위한 공간이 제한된 곳에 설치됩니다.
이로 인해 출력 저하, 더 나은 냉각, 고조파 처리를 위한 권선 설계 및 강력한 절연체 사용이 필요합니다. 안정적인 그리드 작업을 위해 설계된 변압기가 신재생 에너지 프로젝트에 설치될 경우, 사양서에 명시된 대로 작동하지 않을 수 있으며, 과열되어 계획보다 빨리 고장날 수 있습니다.
| 운영 조건 | 전형적인 그리드 작업 | 신재생 에너지 작업 | 설계 응답 |
|---|---|---|---|
| 부하 프로필 | 상대적으로 안정적이고 예측 가능함 | 거의 제로에서 전부로의 급격한 변동 | 주기적 부하 정격, 열 여유 |
| 전력 흐름 방향 | 단방향(그리드에서 부하로) | 저장소에서 양방향 | 대칭 권선 및 냉각 설계 |
| 고조파 내용 | 낮음, 대부분 50/60 Hz | 인버터 고조파 존재 | 고조파 등급 권선, 여유 마진 |
| 위치 선정 | 서비스 접근이 가능한 변전소 | 원거리, 해양, 염분 공기, 극한 환경 | 부식 방지, 밀폐 설계 |
실용적인 교훈은 전압이 아닌 용도에 맞게 명시하는 것입니다. 배전 변전소에 완벽하게 맞는 변압기가 풍력 또는 태양광 발전소에서 동일한 정격으로는 잘못된 선택이 될 수 있습니다.
변압기 유형 및 구성
새로운 에너지 시스템의 주요 변압기 계열, 설계 강조점:
| 유형 | 일반적인 정격 | 설계 강조점 |
|---|---|---|
| 터빈 승압 (WTS) | 5–15 MVA, 0.69/33 kV | 컴팩트, 부식 저항, 높은 진동 내구성 |
| 태양광 인버터 변압기 | 1–5 MVA, 0.4–0.6/33 kV | 고조파 내성 권선, 높은 사이클링에서 낮은 부하 손실 |
| 배터리 저장 변압기 | 1–5 MVA, 0.4/10–33 kV | 양방향 부하 능력, 높은 과부하 마진 |
| 집합 변전소 변압기 | 10–40 MVA, 33/110–220 kV | 부하 전환기, 낮은 손실, 높은 신뢰성 |
| 보조 변압기 | 50–500 kVA, 33/0.4 kV | 스테이션 하우스 부하, 컴팩트하고 신뢰성 있음 |
드라이 타입 및 주조 수지 변압기는 실내 또는 컨테이너 설치를 위해 인버터 및 PCS 단계에서 점점 더 많이 나타나며, 화재 안전 및 유지보수 접근이 고체 절연을 선호합니다. 액체 침수 장치는 야외 수집 및 스테이션 단계에서 지배적입니다.
효율성 및 손실 고려사항
새로운 에너지 변압기의 효율성은 복잡한 성격을 가지고 있습니다. 손실은 발전소가 판매할 수 없는 에너지를 구성하여 수익을 감소시킵니다. 또한 손실량은 부하 변화에 따라 달라집니다. 문제를 해결하기 위해 두 가지 설계 원칙을 따라야 합니다:
무부하 손실은 낮은 부하에서 가장 중요한 요소입니다. 태양광 발전소가 밤에 출력이 없을 때 변압기는 여전히 작동하여 연간 8,760시간의 코어 손실을 초래합니다;
부하 손실은 부하가 높을 때 필수적일 수 있는 두 번째 요소입니다. 고조파가 부하 손실을 5-20% 증가시키므로 변압기 권선 설계를 구상할 때 이 측면을 고려해야 합니다.
태양광 발전소를 위한 에너지 효율적인 변압기는 동일한 전력을 가진 에너지 변압기의 총 손실에서 30%에서 50%를 절약할 수 있습니다. 금전적 가치로는 에너지 비용이 $0.08에서 $0.10/kWh일 때 연간 $10,000에서 $40,000에 해당할 수 있습니다.
| 플랜트 크기 | 전형적인 변압기 플릿 | 일반 사양 대비 연간 손실-에너지 절약 | $0.09/kWh에서의 연간 가치 |
|---|---|---|---|
| 10 MW 태양광 | 10 × 1 MVA 수집 유닛 + 1 스테이션 유닛 | 30,000–60,000 kWh | $2,700–$5,400 |
| 50 MW 태양광 | 25–30 수집 유닛 + 스테이션 | 110,000–440,000 kWh | $10,000–$40,000 |
| 30 MW 풍력 | 20 × 1.5 MVA 터빈 유닛 + 스테이션 | 90,000–250,000 kWh | $8,100–$22,500 |
| 50 MW / 100 MWh 저장 | 10–20 PCS 유닛 + 스테이션 | 70,000–200,000 kWh | $6,300–$18,000 |
절약은 발전소 규모에 따라 증가하며, 일반 변압기를 사용할 때 악화되므로 발전소 수준의 손실 모델이 재생 가능 프로젝트 엔지니어링의 일부가 되었습니다.
보호, 모니터링 및 신뢰성
변압기는 작동 중일 경우 보조 역할을 합니다. 이로 인해 새로운 발전소는 변압기와 함께 여러 가지 기기를 사용합니다:
– 보호 계전기: 차동 및 과전류 계전기가 장착된 변전소 변압기와 집합 시스템 수준의 퓨즈 보호 및 차단기.
– 용해 가스 분석기: 원격 장비의 작동 방식에 따라 중요한 초기 고장을 식별하기 위해 IEC 60599에 따라 오일 샘플링을 사용하는 것입니다.
– 온도 및 압력 모니터링: 상부 오일 및 권선 온도 센서.
– 부하 전환기: 발전소 운영 중 전압 수준 유지를 지원하기 위한 변압기 스테이션 장비의 일환으로.
– 스마트 모니터링 시스템: 위의 데이터를 수집하고 배치 프로세스를 최적화할 수 있는 일반적인 측면입니다.
신뢰성의 경제성은 간단합니다: 30 MVA 전력 조립체가 고장 나면 30-100 MW의 발전이 수주 동안 지연될 수 있으며, 이는 수백만 달러의 비용이 발생할 수 있습니다. 변압기는 이러한 불편과 관련된 위험에 비해 소소한 비용에 불과하며, 이는 프로젝트에 사용되는 장비의 품질로 이어집니다.
재생 가능 프로젝트를 위한 크기 조정 및 선택
새로운 에너지 시스템을 위한 변압기를 선택할 때는 아래에 설명된 단계를 따라야 합니다.
부하 프로파일 작성: 이는 발전 모델에서 시간당 출력을 얻는 것을 포함하며, 풍속 또는 태양 복사 시리즈에서 파생된 출력 프로파일과 충전/방전 일정에 해당합니다.
감손 방법을 사용하여 각 변압기 단계의 크기를 결정: 여기서 고조파 감손이 적용되어야 하며, 일반적으로 5–10%로, 주변 온도에 대한 감손 방법도 적용됩니다.
손실 균형 찾기: 이 단계는 요금 및 출력을 통해 손실 자본화를 실행하는 것입니다.
솔루션에 포함해야 할 보호 및 모니터링 장치 결정, 예를 들어 계전기 및 DGA.
환경 사양 정의: 여기에는 소음 규정, 오일 유형 및 부식 방지가 포함됩니다.
표준에 따라 장치 테스트.
제조업체 및 가격 범위
브랜드 및 단계별 신규 에너지 변압기에 대한 FOB 가격 지표:
| 브랜드 | 원산지 | 1 MVA 집합 유닛 | 30 MVA 변전소 유닛 |
|---|---|---|---|
| 히타치 에너지 | 일본/글로벌 | $9,000–$14,000 | $95,000–$160,000 |
| ABB | 스위스/글로벌 | $8,500–$13,500 | $90,000–$150,000 |
| 지멘스 에너지 | 독일/글로벌 | $8,000–$13,000 | $85,000–$145,000 |
| 슈나이더 일렉트릭 | 프랑스/글로벌 | $7,500–$12,500 | $80,000–$140,000 |
| 도시바 / 현대 | 일본/한국 | $7,000–$11,500 | $75,000–$130,000 |
| 장쑤 수비안 전력 | 중국 | $4,000–$7,500 | $45,000–$120,000 |
가격은 정격, 전압 비율, 손실 등급, 탭 체인저, 오일 유형, 구리 가격 및 배송 조건에 따라 달라지며, 이를 계획 범위로 간주하고 확정 견적이 아닙니다.
프리미엄 계층은 글로벌 유형 테스트 프로그램 및 해양 실적을 통해 시장을 지탱합니다. 중국 계층은 동일한 IEC 60076 증거와 40–50% 저렴한 비용의 신규 에너지 전용 설계를 제공하여 아시아, 아프리카, 중동 및 남미 전역의 육상 풍력, 태양광 및 저장 프로젝트의 주요 공급원이 되었습니다. 장쑤 수비안 전력 는 중국의 코어 및 재료 혁명 가장 큰 에너지 절약 변압기 10 kVA에서 63 MVA까지의 터빈 승압, 태양광 수집, 저장 및 변전소 변압기를 공급하는 제조업체로, 고조파 내성이 있는 권선, 부하 전환기, 비정질 코어 및 자연 에스터 오일 옵션을 제공하며, 모두 IEC 60076에 따라 테스트되고 정기 테스트 보고서와 함께 배송됩니다. Subian은 국제적으로 재생 가능 및 저장 프로젝트를 공급해 왔으며, 이 범위는 다음에 문서화되어 있습니다. subian-electric.com.
전망: 미래 전력 시스템의 변압기
변압기의 기능은 향후 10년간 국내 재생 가능 에너지 시스템의 세 가지 트렌드에 의해 결정될 것입니다. 첫째, 재생 가능 에너지 변압기 설치의 빠른 확장이 있을 것이며, 이는 주요 시장에서 전기 생산에서 재생 가능 에너지의 비율이 30%에서 최대 50-70%로 증가할 것으로 예측되는 글로벌 추정을 고려할 때 필요합니다. 이는 설치된 기가와트 용량마다 수십 개의 변압기가 필요하다는 것을 의미합니다. 둘째, 효율성 등급과 친환경 조달이 계속해서 강화됨에 따라 효율성이 더욱 엄격해질 것입니다. 친환경 변압기 설계가 기본값이 될 것입니다. 셋째, 스마트 모니터링이 표준이 될 것입니다. 출력이 가변적이고 원격인 시스템에서 변압기를 건강하게 유지하는 데이터는 재생 가능 전력을 흐르게 하는 데이터입니다.
변압기는 에너지 전환의 배경에 남아 있을 것입니다 — 그러나 전환은 변압기 없이는 단순히 발생하지 않습니다.
자주 묻는 질문
풍력 및 태양광 발전소에서 어떤 변압기가 사용됩니까?
일반적으로 세 가지 단계: 발전기/인버터 승압 변압기(0.69/33 kV 또는 0.4–0.6/33 kV, 1–15 MVA), 수집 네트워크 유닛, 그리고 변전소 승압 변압기(33/110–220 kV, 20–400 MVA). 배터리 저장소는 0.4/10–33 kV에서 양방향 PCS 변압기를 추가합니다.
재생 가능 발전소의 변압기 비용은 얼마입니까?
1 MVA 수집 변압기는 중국 제조업체로부터 약 4,000–7,500 FOB에 판매됩니다; 30 MVA 변전소 변압기는 45,000–120,000입니다. 프리미엄 국제 브랜드는 50–80% 더 비쌉니다. 가격은 정격, 손실 등급, 부하 전환기 및 구리 가격에 따라 다릅니다.
왜 변압기 손실이 새로운 에너지 시스템에서 중요한가요?
왜냐하면 잃어버린 킬로와트는 결코 판매될 수 없는 재생 가능 출력이기 때문입니다. 태양광 발전소의 변전소 변압기는 출력이 제로인 밤에도 전원이 공급되므로 무부하 손실이 그 작은 크기에서 제안하는 것보다 더 중요합니다. 50 MW 발전소에서 적절한 사양은 연간 10,000–40,000의 손실 에너지를 절약할 수 있습니다.
재생 가능 변압기는 일반 그리드 변압기와 다른가요?
네, 용도에서 다릅니다. 그들은 가변적이고 양방향 부하, 인버터에서 발생하는 고조파, 원격 또는 열악한 위치를 경험합니다. 이는 고조파 등급의 권선, 감속, 더 나은 냉각 및 부식 방지를 요구합니다. 감속 없이 표준 그리드 변압기를 사용하면 수명이 단축됩니다.
재생 가능 발전소에서 변압기의 수명은 얼마입니까?
20–35년, 부하의 심각성, 주변 조건 및 유지보수에 따라 다릅니다. 가변 부하와 고조파는 유닛이 감액되고 모니터링되지 않는 한 수명을 단축시킵니다. IEC 60599에 따른 연간 DGA, 온도 모니터링 및 핫스팟 온도를 IEC 60076-7 한계 내로 유지하는 것이 수명에 가장 큰 영향을 미칩니다.
참고 문헌
- IEC 60076-1: 전력 변압기 – 일반 — 모든 재생 가능 시스템 변압기에 대한 국제 등급 및 시험 기준.
- IEC 60076-5: 단락 내성을 견디는 능력 — 변전소 변압기에 대한 단락 설계 검증.
- IEC 61936-1: 1 kV a.c.를 초과하는 전력 설치. — 중전압 및 고전압 재생 가능 발전소에 대한 설치 요구 사항.
- IEA 재생 가능 에너지 2023 — 변압기 수요를 뒷받침하는 글로벌 재생 가능 성장 데이터.
- IRENA 재생 가능 에너지 기술 — 풍력, 태양광 및 저장 통합에 대한 기술 전망.
- GB 20052: 전력 변압기 에너지 효율 등급 — 재생 가능 변압기 사양과 관련된 효율 등급.
- 장쑤 수비안 전력 공식 사이트 — 시험 보고서가 포함된 재생 가능 및 저장 변압기 범위.
결론
변압기는 현대 에너지 전력 시스템에서 중요한 요소입니다 — 구조적인 의미에서 선택적인 것이 아니라. 각 풍력 터빈, 태양광 발전소 및 배터리 시설은 전압을 상승시키고, 전력을 수집하며, 그리드에 연결하기 위해 변압기에 의존하며, 따라서 각 변압기는 이러한 시스템이 부과하는 시련을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다: 변화하는 부하, 왜곡, 양방향 트래픽 및 원격 위치.
주요 요점:
- 재생 가능 시스템은 세 가지 변환 단계를 필요로 합니다: 발전 단계 상승, 수집 및 변전소 단계 상승.
- 새로운 에너지 의무는 그리드 의무보다 더 어렵습니다 — 감량, 고조파 허용 및 모니터링은 협상할 수 없습니다.
- 효율성 사양은 일반 유닛에 비해 연간 손실 에너지의 30–50%를 절약합니다; 50 MW 발전소에서 연간 $10,000–$40,000의 가치가 있습니다.
- 중국 제조업체로부터 1 MVA 수집 유닛에 대해 $4,000–$7,500, 30 MVA 변전소 유닛에 대해 $45,000–$120,000의 예산을 책정하십시오.
풍력, 태양광, 저장 또는 하이브리드 프로젝트를 구축하거나 확장하고 있다면, 장쑤 수비안 전력 10 kVA에서 63 MVA까지의 재생 가능 등급 변압기를 공급합니다 — 고조파 허용, IEC 60076에 따라 테스트되었으며, 비정질 코어 및 에스터 오일 옵션이 있는 — 수출 친화적인 가격으로. 범위를 검토하십시오. subian-electric.com.