В качестве директора проекта для EPC-компании вы заключили контракт на EPC на проект солнечной энергии и хранения мощностью 100 МВт в провинции Ганьсу. Однако техническая команда владельца подняла важный вопрос относительно высоты площадки (1800 м), которая имеет экстремальные сезонные колебания от -25 градусов Цельсия до +45 градусов Цельсия. Кроме того, код подключения к сети гласит, что станция должна выдерживать падения напряжения до 20% номинала в течение 625 мс. Ваш поставщик трансформаторов, который имеет давние отношения с вами на протяжении десяти лет, предоставил вам стандартное предложение на трансформатор типа "коробка" на 35 кВ; однако инженер проекта также упомянул, что конструкция трансформатора современная и подходит для нормальной сетевой среды, а не для района на таких высотах.
Таким образом, это именно тот вопрос, который рассматривает эта статья. Она касается того, как проектирование и использование трансформаторов отличаются, когда они используются для проектов возобновляемой энергии по сравнению с традиционными сетевыми приложениями.
Краткий ответ: трансформатор для возобновляемой энергии — это обычный трансформатор, используемый на западных электростанциях, который был улучшен для использования на солнечных/ветровых/хранилищах. Основные улучшения включают: снижение мощности для высот выше 1000 м, гармонические обмотки для инверторной мощности, двунаправленная способность для загрузки хранения и более широкий диапазон температур.
Почему сценарии новой энергии по-разному нагружают трансформаторы
Новые энергетические установки ставят трансформаторы в условия, для которых трансформаторы распределения, следящие за сетью, никогда не были предназначены. Существует четыре физических различия, которые приводят к большинству трансформаций:
| Фактор нагрузки | Обычная нагрузка сети | Нагрузка возобновляемой установки | Последствия |
|---|---|---|---|
| Направление нагрузки | Одностороннее, от поставщика к потребителю | Двунаправленное (зарядка/разрядка, экспорт/импорт) | Конструкция переключателя отводов и обмоток должна справляться с обратным потоком |
| Форма нагрузки | Предсказуемая ежедневная кривая | Переменная в зависимости от погоды; быстрые подъемы на 50–80% за минуты | Более высокая циклическая и тепловая нагрузка на обмотки |
| Форма волны | Почти синусоидальная | Искажена гармониками инвертора (3-й–50-й порядок) | Дополнительный нагрев; необходим сердечник и обмотки с гармоническим рейтингом |
| Окружающая среда | Часто умеренный, защищенный | Высокая высота, пустынная жара, прибрежная соль, холодные экстремумы | Изменения в снижении мощности и выборе материалов |
Что касается EPC или владельца установки, результат очевиден: вы не можете использовать трансформатор, предназначенный для городского распределения, в инверторной станции мощностью 100 МВт без повторной спецификации как минимум пяти параметров, таких как корректировка высоты, температурный запас обмотки, диапазон отводов, гармоническая способность и защита корпуса. Любые неприемлемые параметры станут очевидными позже через преждевременное старение, частые отключения или отказ по гарантии.
Ключевые адаптации трансформаторов для возобновляемых установок
Пять модификаций, перечисленных ниже, составляют суть любой спецификации для трансформатора новой энергии. Все они имеют установленную инженерную основу и количественную стоимость.
| Адаптация | Инженерная основа | Типичное воздействие | Премия за стоимость |
|---|---|---|---|
| Снижение мощности для высоких высот | Более низкая плотность воздуха снижает охлаждение; IEC 60076-1 рекомендует уменьшение мощности выше 1,000 м | −1.0% номинальная мощность на каждые 100 м выше 1,000 м, или переработка системы охлаждения | $800–$3,500 |
| Обмотки с гармоническим рейтингом | Гармоники инвертора добавляют потери на вихревые токи | Укажите K-фактор или возможность работы с не синусоидальной нагрузкой | $1,000–$4,000 |
| Широкий диапазон окружающей среды | Колебания от −25 °C до +45 °C распространены на объектах возобновляемой энергии | Специальное масло, материалы с низкой температурой, более широкие проектные допуски | $500–$2,000 |
| Двунаправленный дизайн | Хранение и некоторые солнечные установки работают в обоих квадрантах | Симметричный дизайн обмотки, OLTC подходит для обратного потока | 1ТП4Т1,500–1ТП4Т5,000 |
| Улучшенная защита и мониторинг | Удаленные объекты, низкий уровень персонала, суровые погодные условия | Корпуса IP55, онлайн-мониторинг, готовность к DGA | $1,000–$4,000 |
Важно отметить, что уменьшение мощности на высоте часто неправильно понимается. Согласно IEC 60076-1, если номинальная мощность должна быть уменьшена на 1% за каждые 100 м выше 1,000 м, то система охлаждения также должна быть улучшена. В результате этих двух аспектов, например, машина с номинальной мощностью 1,250 кВА на высоте 1,800 может работать на уровне около 1,150 кВА или испытывать 8% уменьшение мощности, что часто не учитывают компании EPC до момента ввода в эксплуатацию, когда инверторная строка отключается из-за перегрева.
Применения солнечной фотоэлектрики
В солнечных электростанциях присутствует другой тип конструкции трансформатора. Как и в большинстве коммерческих систем генерации электроэнергии, электрическая энергия переключается с постоянного тока (DC) на инверторы переменного тока (AC). После этого трансформатор просто увеличивает переменный ток, получаемый системой сбора и распределения. Существует два распространенных подхода к конструкции и использованию трансформаторов в солнечных электростанциях:
- Централизованные трансформаторы: в этом случае трансформатор обслуживает только один или два крупных источника энергии, подключая их к системе сбора и распределения электроэнергии в области среднего напряжения.
- Струнный/блочный трансформатор: меньшие силовые трансформаторы включены в готовые блоки с инверторами, что означает, что каждый инверторный блок имеет свой собственный силовой трансформатор.
Типичный проект солнечной энергетики мощностью 100 МВт имеет 30-40 трансформаторов на 3150 ключей, которые поставляют свою мощность. Подводя итог, вот основные характеристики трансформаторов для проектов солнечной энергетики:
- Способность выдерживать гармоники. Большинство солнечных инверторов генерируют не синусоидальный ток, характеризующийся 11-й, 13-й и 23-й-25-й гармониками, поэтому трансформаторы должны выдерживать влияние этих гармоник.
- Способность адаптироваться к колебаниям напряжения. Во время прохождения облаков скорость изменения составляет 30-60% от номинала электростанции и происходит в течение 1-2 минут, и трансформаторы и их вводы должны быть способны справляться с различными изменениями нагрузки.
- Уличная пригодность. Это означает, что если солнечная электростанция расположена в пустыне, транспортный блок должен иметь материал не ниже IP55, УФ-стойкий цвет и класс масла не менее 100 градусов, если температура превышает это значение.
Стоимость солнечных трансформаторов показывает, что трансформатор мощностью 1000 кВт 35/0,4 кВт стоит в пределах $9000-$18000, а трансформатор на 3150 вольт достигает $50000.
Применения ветряных электростанций
В секторе возобновляемых источников энергии только ветряная турбина несет наибольшую ответственность за трансформаторы по трем причинам. Во-первых, трансформаторы ветряных турбин (которые обычно находятся в диапазоне 1,000-4,500 кВА, 35 кВ/0.69 кВ) расположены в компактной нацелле или основании башни, что требует меньшего охлаждения. Во-вторых, выход ветра варьируется очень быстро, порыв ветра вызывает спонтанное падение на 20-40% за несколько секунд. В-третьих, оффшорный сектор подвержен воздействию соленого воздуха, вибрациям и плохой доступности.
| Применение ветряных турбин | Рейтинг | Специальные требования | Типичная цена (USD) |
|---|---|---|---|
| Трансформатор башни наземной турбины | 1,000–2,500 кВА | Компактный размер, устойчивость к вибрациям, IP54+ | $10,000–$22,000 |
| Трансформатор оффшорной турбины | 1,600–4,500 кВА | Защита от коррозии, герметичный бак, высокая надежность | $28,000–$65,000 |
| Трансформатор подстанции ветряной фермы | 10–60 МВА | OLTC, мониторинг DGA, соответствие сетевому кодексу | $120,000–$500,000 |
Соответствие сетевому кодексу является жизненно важным условием для ветряных трансформаторов: многие операторы в Европе и Азии требуют характеристики LVRT (продолжение работы при низком напряжении) и FRT (продолжение работы при коротком замыкании) до 0-20% от номинального напряжения в течение 150-625 мс, в течение которого устройство должно оставаться работоспособным без отключения какого-либо защитного оборудования или повреждения обмотки. Такие возможности больше связаны с требованиями к изоляции и тепловому дизайну, поэтому их необходимо четко указать в тендере, а не предполагать.
Применения систем хранения энергии
Системы накопления энергии на основе батарей (BESS), которые быстро развиваются в трансформаторной промышленности, требуют применения трансформаторов совершенно иным образом с использованием настоящей двунаправленной функциональности. Энергия поступает в систему хранения, когда батарея заряжена, в то время как она передается обратно, когда батарея разряжается. Следующие практические характеристики должны быть учтены:
- Симметрия обмоток: Трансформатор должен иметь обмотки и отводы, способные принимать или выдавать мощность.
- Быстрое переключение: Устройство накопления энергии на батареях может быть полностью заряжено и затем полностью разряжено несколько раз в день. Поэтому важно, чтобы трансформатор мог выдерживать циклические нагрузки и не вызывать значительных частичных разрядов.
- Пожарная безопасность: Многие спецификации BESS включают требование к взрывозащищенному дизайну и улучшенной герметичности, что снова приводит к использованию трансформаторов сухого типа, увеличивая затраты.
Например, на точке соединения для стандартной 2-часовой BESS мощностью 100 МВт/200 Мч может использоваться от трех до шести трансформаторов мощностью 25–40 МВА. В дополнение к этому используются контейнерные трансформаторы мощностью 1,250–3,150 кВА для PCS. Цены могут варьироваться в диапазоне от $12,000 до 35,000 за контейнерные трансформаторы и от $150,000 до 450,000 за трансформаторы среднего напряжения в зависимости от того, включают ли они OLTC и мониторинг DGA.
Гибридные солнечно-накопительные-ветровые системы
В гибридных электростанциях способность трансформатора адаптироваться к изменяющимся условиям может быть лучше всего оценена. Гибридное устройство генерации объединяет технологии солнечной энергии, систем накопления энергии на батареях и иногда ветровой генерации под одним соединением, что позволяет операторам сглаживать профиль генерации, перераспределять энергию и предоставлять вспомогательные услуги. Трансформатор видит комбинированный профиль генерации, состоящий из солнечной кривой в течение дня, быстрых изменений, вызванных накоплением, и неопределенности, вызванной ветром. Рекомендуется учитывать следующие моменты при планировании работы гибридных установок:
- Выбирайте размер трансформатора на основе максимально возможной комбинированной мощности, а не общей номинальной мощности компонентов, которая обычно составляет около 80-95% от общей мощности инвертора.
- Используйте технологию OLTC в ситуациях, когда слабости сети приводят к волатильности уровня напряжения и требуют реактивной мощности.
- Сделайте мониторинг DGA и температуры обязательным, поскольку гибридный цикл негативно влияет на изоляцию.
- Выбирайте тест на потери, соответствующий гибридному циклу, а не плоской нагрузке 100%, так как фактический коэффициент нагрузки на практике составляет 25-45%.
Полезно упомянуть, что трансформаторы гибридных электростанций часто проектируются с мощностью на 10-15% выше по сравнению с трансформаторами, необходимыми для установки с одним источником аналогичной мощности инвертора, поскольку выходные паттерны перекрываются и вызывают большие пиковые токи через обмотки.
Стандарты и проектные коды
Новый тендер на трансформаторы энергии должен ссылаться на эти стандарты, чтобы адаптации были проверяемыми, а не просто утверждаемыми:
| Стандарт | Актуальность для новых энергетических обязательств |
|---|---|
| IEC 60076-1 | Общие требования; определяет правила снижения мощности на высоте и правила для не синусоидальных нагрузок |
| IEC 60076-11 | Сухие трансформаторы; пожарная безопасность для контейнеров BESS |
| IEEE C57.12.90 | Кодекс испытаний для распределительных и силовых трансформаторов, используемых при вводе в эксплуатацию |
| IEC 62271-202 | Заводские (блочные) трансформаторные подстанции, распространенные на солнечных электростанциях |
| IEEE 1547 | Взаимосоединение распределенных ресурсов; поведение DER на основе инверторов |
| IEC 60068 | Экологические испытания на высоту, влажность и температурные экстремумы |
Два из этих правил требуют особого внимания. В частности, важность IEC 60076-1 заключается в его предоставлении формулы коррекции высоты и рекомендаций по не синусоидальным нагрузкам, которые имеют первостепенное значение для спецификации каждого возобновляемого трансформатора. Также IEC 62271-202 устанавливает требования к заводской конструкции, в рамках которой поставляются большинство солнечных и нескольких накопительных трансформаторов.
Контрольный список спецификаций
При составлении тендера на трансформаторы для любого проекта возобновляемой энергии имейте в виду этот контрольный список:
- Укажите высоту площадки и требуйте от производителя использовать снижение мощности на высоте IEC 60076-1 или улучшить охлаждение.
- Предоставьте гармонический спектр от инвертора (или укажите ожидаемое THD) и требуйте проектирование обмоток с учетом гармоник.
- Укажите диапазон температуры окружающей среды на основе исторических данных с сайта, а не на основе национального среднего.
- Требуйте соблюдения кодов сети LVRT/FVRT для соответствующей точки подключения.
- Для BESS требуйте четкого двунаправленного рейтинга плюс низкий уровень частичных разрядов (< 10 pC для сухих трансформаторов).
- Требуйте либо IP55 (для использования на открытом воздухе), либо необходимую защиту от проникновения и УФ-защитные покрытия.
- Запросите расчет потерь цикла с фактическим профилем диспетчеризации завода.
- Убедитесь, что онлайн-мониторинг установлен (DGA для трансформатора, заполненного маслом, и температура для всех).
- Узнайте о существующем сертификате испытаний в соответствии с IEC 60076, а также о возможности присутствовать на заводских испытаниях.
- Требуйте гарантию на трансформатор не менее 5 лет с прайс-листом на запасные части.
Топ бренды и сравнение цен
Рынок возобновляемых трансформаторов контролируется крупными игроками со всего мира, а также все более присутствующими сертифицированными производителями из Китая. График показывает представительные затраты на солнечные трансформаторы для мощности 1,250 kVA, класс 35 kV/0.4 kV, адаптированные к высоте и гармоникам, в то время как реальные цены зависят от высоты, гармоник, названия бренда и объема заказа.
| Бренд | Страна | Сила портфолио возобновляемых источников энергии | Указательная цена (USD) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Япония/Швейцария | Крупные трансформаторы ветровой и солнечной энергии, сильная экспертиза в области кодов сети | 1ТП4Т14,000–1ТП4Т26,000 |
| Сименс | Германия | Мониторинг EnergyIP, ссылки на гибридные установки | $13,000–$25,000 |
| ABB | Швейцария | Широкий портфель интеграции инверторов и трансформаторов | $13,000–$24,000 |
| Schneider Electric | Франция | Прочные коробчатые и сухие трансформаторы для контейнеров BESS | $12,000–$23,000 |
| Prolec GE / GE Vernova | США | Ссылки на солнечные и ветровые установки в масштабе утилит в Америке | $13,000–$27,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | Установки, протестированные по IEC 60076, с вариантами высоты, гармоник и коробчатого типа | $9,000–$18,000 |
Устойчивые международные корпорации предлагают передовую инженерию в области кодов сети, годы значительных достижений в проектах и международные сервисные процессы. Эта комбинация означает, что даже для высокопрофильных оффшорных ветровых или крупных утилитных проектов их опыт и местное присутствие могут легко помочь установить более высокую цену. Однако Jiangsu Subian Electric Power сильна в сегменте премиум солнечной и накопительной энергии среднего масштаба. Компания производит трансформаторы, соответствующие IEC60076, которые соответствуют специфике проекта (т.е. высота, гармоники и окружающая среда) по ценам, равным примерно 45-60% аналогичных европейских или американских продуктов. На практике инженерные компании, которые покупают 30-40 трансформаторов для одной установки мощностью 100 МВт, довольны гибкостью OEM/ODM своего местного партнера (поставщик производит в соответствии с индивидуальными спецификациями) и возможностью видеть испытания, проводимые на заводе перед отгрузкой.
Часто задаваемые вопросы
Почему трансформаторы требуют специального проектирования для солнечных установок на большой высоте?
На больших высотах воздух теряет свою плотность; следовательно, естественное охлаждение становится менее эффективным. Согласно IEC 60076-1, выходная мощность должна быть снижена на 1% за каждые 100 метров выше 1000 метров, если система охлаждения не модифицирована. Рейтинг трансформатора 1250 кВА будет около 1150 кВА на высоте 1800 метров, что соответствует снижению мощности примерно на 8% без переработки трансформатора. Необходимо использовать более крупную систему охлаждения или трансформатор с более высоким рейтингом. Это обойдется на $800 до $3,500 дороже.
Насколько дороже стоит трансформатор с рейтингом возобновляемых источников по сравнению со стандартным?
Когда речь идет о блоке мощностью 1,250 кВА, общая стоимость комбинированной премии, уплаченной за адаптацию к различным факторам, таким как высота, гармоники, широкий диапазон температур и мониторинг, обычно составляет около $1,500–$6,000, или на 10–20% больше, чем за обычный трансформатор. В основном, общая стоимость адаптированного блока колеблется между $9,000-$28,000, в зависимости от производственных спецификаций и бренда. Разумно включить эти требования в тендеры, так как это самый экономичный способ приобретения необходимых трансформаторов.
В чем разница между солнечным трансформатором и обычным распределительным трансформатором?
Дизайн и конструкция солнечного трансформатора предназначены для выходной мощности инвертора. У него есть обмотки, рассчитанные на гармоники (особенно 11-й, 13-й, 23-й и 25-й гармоники) и широкий диапазон условий окружающей среды, включая обычно конструкцию IP55 для наружного использования и возможность соответствовать сетевым кодам объектов, включая LVRT. В отличие от этого, обычный распределительный трансформатор предназначен для односторонних почти синусоидальных нагрузок и должен работать в относительно стабильной среде.
Как долго на самом деле служат трансформаторы возобновляемых источников?
Устройства, которые были правильно определены, могут функционировать от 20 до 30 лет. Устройства, которые выбраны без учета высоты и гармоник в экстремальных условиях, могут выйти из строя через четыре-шесть лет из-за износа изоляции, вызванного гармоническим нагревом или чрезмерными температурами на больших высотах. Состояние устройств можно в значительной степени установить до их отправки от производителя, так как это определяется спецификацией, а не командой обслуживания.
Нужен ли мне OLTC для трансформатора солнечной или накопительной установки?
Фиксированные отводы на уровне около ±2.5%, похоже, работают эффективно в случае сильной сети. Однако, если сеть слабая, OLTC (дополнительные расходы в размере $6,000 — $18,000) оправдан, когда генератору необходимо предоставить реактивную мощность или напряжение в точке поставки изменяется более чем на ±5% в течение дня, что становится все более распространенным с проектами на основе гибридных и батарейных технологий.
Ссылки
- IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы: Общие сведения — авторитетный источник для снижения мощности на высоте и правил для несинусоидальных нагрузок, используемых в этой статье.
- IEC 60076-11 — Силовые трансформаторы сухого типа — требования к проектированию и пожарной безопасности, относящиеся к контейнерным трансформаторам BESS.
- IEEE C57.12.90 — Стандартный код испытаний для распределительных, силовых и регулирующих трансформаторов, погруженных в жидкость — процедуры ввода в эксплуатацию и испытаний, упомянутые в тендерах на возобновляемые источники энергии.
- IEC 62271-202 — Высоковольтное оборудование: Заводские трансформаторные подстанции — регулирует конструкции коробчатых подстанций, используемых на солнечных электростанциях.
- IEEE 1547 — Стандарт для подключения распределенных энергетических ресурсов — поведение подключения DER на основе инверторов, включая временное поддержание напряжения.
- IRENA — Международное агентство по возобновляемым источникам энергии — публикует статистику по возобновляемым мощностям и ориентиры по стоимости технологий, используемые в экономике проектов.
- Jiangsu Subian Electric Power — официальный сайт — производитель трансформаторов, соответствующих IEC 60076, с опциями по высоте, гармоникам и возобновляемым нагрузкам.
Заключение
Причина, по которой некоторые возобновляемые электростанции работают 25 лет, в то время как другие проводят всю свою жизнь на ремонтах, заключается в адаптивности трансформаторов. Эти адаптации измеримы: снижение мощности по высоте в соответствии с IEC 60076-1, специальные обмотки для нагрузок от инверторов, двунаправленный дизайн для хранения, более широкие спецификации окружающей среды и улучшенная система мониторинга. Все эти адаптации имеют измеримую цену, обычно от $1,500 до $6,000 за каждую турбину среднего размера, и их дешевле включить при подготовке тендера, чем после ввода в эксплуатацию. Основные моменты следующие:
- Примените метод снижения мощности по высоте (1% за каждые 100 метров выше 1,000 м) или установите лучшее охлаждение.
- Обмотки должны быть выбраны в соответствии с существующей гармонической частотой инвертора.
- Соответствие LVRT должно требоваться на уровне сетевых кодов, и явная двунаправленная оценка должна быть запрошена от BESS.
- Необходимо оценить потерю рабочего цикла в соответствии с реальными параметрами диспетчеризации.
- Сравните таких мировых лидеров в области энергетического инжиниринга, как Hitachi Energy, Siemens, ABB, с сертифицированными IEC компаниями, такими как Jiangsu Subian Electric Power, чтобы достичь компромисса между качеством и ценой.