Оператор солнечной электростанции мощностью 100 МВт на юге Испании конкурирует с двухмесячным сроком. Панели были установлены на земле, инверторы прошли заводские испытания, контракт на отбор подписан — и все же точка подключения оставалась пустой. Строительство обычной подстанции потребовало бы как минимум десять недель гражданских работ. Однако фотогальваническая (ФГ) новая энергетическая подстанция, предварительно собранная подстанция среднего / низкого напряжения, созданная специально для солнечных электростанций, была доставлена одним грузом, собрана на бетонном основании в течение трех дней и начала работать на неделе ввода в эксплуатацию. Подобные случаи можно найти в разных уголках мира, где расширяется солнечная мощность.
В этой статье обсуждается, что такое ФГ новая энергетическая подстанция, как она отличается от обычной распределительной подстанции, из чего она состоит, сколько она стоит и как разработчики и EPC-подрядчики должны описывать и заказывать такую подстанцию. Она охватывает диапазон мощностей от 630 кВА до 4 МВА, ссылается на IEC 62271-202, IEC 60076, IEEE 1547 и приводит примеры реальных затрат, доступных на текущем экспортном рынке.
Фотогальваническая (ФГ) новая энергетическая подстанция относится к предварительно собранной подстанции среднего/низкого напряжения, которая соединяет солнечную электростанцию с сетью. В сборку входит трансформатор повышающего напряжения, который обычно имеет мощность от 630 кВА до 4,000 кВА, комплект оборудования среднего и низкого напряжения, защиты от переменного и постоянного тока, провода, соединяющие инвертор, и измерительное оборудование, заключенное в соответствии с уличным шкафом в соответствии с IEC 62271-202. Она также облегчает повышение выходного напряжения инвертора с 400-800 В до уровня сети 10-35 кВ, а также защиту от сети и учет доходов.
Что такое ФГ новая энергетическая подстанция?
Станция новой энергии на основе ФГ является инновационным центром генерации электроэнергии, созданным и изготовленным специально для того узла, где солнечные электростанции соединяются с электросетью. Иногда ее можно назвать солнечной подстанцией, подстанцией инверторной станции или новой энергетической подстанцией.
Такие подстанции имеют инновационный дизайн с точки зрения их способности выполнять специфические требования солнечной генерации. В частности, она способна справляться с изменчивостью выходной мощности солнечных установок, быстрой динамической изменчивостью мощности, гармониками, создаваемыми инверторами, и соответствовать требованиям сетевых кодексов относительно управления напряжением, реактивной мощностью и процессом островного режима.
ФГ новая энергетическая подстанция обычно работает на границе системы инвертора и электрических сетевых объектов. В своем низковольтном разделе ФГ новая энергетическая подстанция соединяется с одной или несколькими центральными или строковыми инверторными станциями (с напряжением постоянного тока в диапазоне 800-1500 В и выходным напряжением переменного тока 400-690 В). Что касается среднего напряжения, она соединяется с сетью сбора (при напряжении 10, 20, 22 или 35 кВ), поддерживая вышестоящую высоковольтную подстанцию, которая отвечает за повышение напряжения до уровня линии передачи 110-220 кВ.
Роль подстанции в солнечной электростанции
Электричество, вырабатываемое на солнечной электростанции масштаба коммунального обслуживания, не может быть отправлено в сеть, если соединительная подстанция не выполняет четыре жизненно важных задачи, перечисленные ниже:
- Преобразование напряжения: Увеличение электрического тока с рабочего напряжения инвертора в диапазоне от 400 до 800 В до среднего напряжения (10–35 кВ), тем самым уменьшая потери на сопротивлении по всей установке.
- Защита сети: Мониторинг превышения и недостатка напряжения, превышения и недостатка частоты, а также непреднамеренного простоя генерации с целью отключения станции в заданный период времени в соответствии с нормативными требованиями (обычно от 0,2 до 2 секунд).
- Учет: Расчет энергии, произведенной станцией и переданной в сеть, с соответствующей точностью (обычно класс 0,2 или 0,5).
- Переключение и изоляция: Обеспечение надежной изоляции установки для эффективного обслуживания и профилактического отключения.
Поскольку генерация солнечной энергии характеризуется своей непостоянностью и колебаниями — проходящие облака могут вызвать резкое падение производительности станции на 60% в течение 30 секунд — защита и управление установкой должны быть гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными электрическими сетями, где изменения мощности происходят медленнее.
Структура и ключевые компоненты
Обычно подстанция MV/LV, специализированная для PV, состоит из различных отсеков, размещенных внутри корпуса, который защищает от погодных условий (либо из нержавеющей стали, либо из оцинкованной стали в соответствии со стандартом IP 54, предусмотренным в IEC 60529):
| Отсек | Основное оборудование | Типичное номинование |
|---|---|---|
| Отсек со стороны инвертора низкого напряжения | Щит низкого напряжения, AC автоматические выключатели, ограничители перенапряжения, реле защиты, окончания строк/мониторинга | 400–690 В, 1 000–4 000 А |
| Отсек трансформатора | Трансформатор повышающего типа, удержание масла, принудительная или естественная вентиляция | 630–4 000 кВА, 10–35 кВ / 0,4–0,69 кВ |
| Отсек со стороны сети среднего напряжения | RMU или вакуумный выключатель, измерительные трансформаторы тока/напряжения, ограничители перенапряжения, панель реле | 10–35 кВ, шина 630 А |
| Управление и вспомогательные устройства | DC питание, обогреватели, SCADA/RTU, телекоммуникационные каналы, контроль против конденсации | — |
В отличие от стандартных устройств распределения электроэнергии, сложность защиты подстанций PV более разнообразна; например, блокировка инвертора, направленные превышения тока, ограничение напряжения и частоты в соответствии с сетевыми кодами, а также система противостоит островной работе, реализованы в одной релейной системе (обычно с резервированием для станций с выходной мощностью более 1 МВт).
Как работает подстанция PV
В течение дня солнечные панели вырабатывают электричество постоянного тока до 1 500 вольт. Затем инверторы производят трехфазный переменный ток при 400–690 вольт и подают его в коммунальную сеть. Подстанция повышает это до уровня среднего напряжения и подает в сеть через защитный выключатель.
Нагрузочная переменная трансформатора зависит от солнечной радиации, а не от постоянной нагрузки промышленности. Из-за этого поведение нагрузки имеет некоторые особенности: оно почти нулевое до восхода солнца, поднимается до определенного уровня утром, достигает пикового уровня в полдень и снова становится почти нулевым к закату. Тепловой дизайн очень важен, так как термические циклы трансформатора могут происходить каждый день — правильно спроектированный трансформатор использует мониторы температуры масла и принудительное воздушное охлаждение на более высоком уровне, чтобы избежать быстрого старения его изоляционного материала. Производители, специализирующиеся на ФЭУ, обычно предоставляют трансформаторы с протестированными профилями нагрузки и с более низкими номиналами для жаркого климата.
Что касается защиты, система взрывного вида измеряет напряжение, частоту и ток на выходе трансформатора. Если по какой-либо причине сеть выходит из строя, система отправляет сигнал в распределительное устройство для изоляции установки в требуемые сроки, обычно измеряемые в секундах.
Типы и конфигурации
| Конфигурация | Описание | Типичное применение |
|---|---|---|
| Одно устройство MV/LV | Один трансформатор плюс распределительное устройство MV и LV | Коммерческие/промышленные крыши, установки мощностью 0,5–5 МВт |
| Центральная инверторная станция | Устройство, интегрированное с корпусом центрального инвертора | Установки масштаба утилиты с использованием центральных инверторов |
| Устройство с инвертором строк | Распределительное устройство LV, оптимизированное для нескольких инверторов строк | Большие массивы с распределенными инверторами |
| Устройство на шасси | Все оборудование на транспортируемом стальном шасси | Быстрые и удаленные площадки |
| Разделенная схема MV/HV | Несколько устройств MV/LV, питающих одну центральную подстанцию HV | Установки мощностью более 20 МВт с экспортом 110–220 кВ |
В случае установок мощностью от 5 МВт до 100 МВт широко распространена практика использования устройств MV/LV с одним единичным устройством на каждые 2-10 МВт мощности инвертора и центральной подстанцией высокого напряжения. Эта модульная концепция позволяет поэтапно строить и стандартизировать запасные части, а также позволяет выбирать мощность в зависимости от расположения панелей.
Подстанция ФЭУ против стандартной распределительной подстанции
| Фактор | Подстанция нового энергетического источника ФЭУ | Стандартная распределительная подстанция |
|---|---|---|
| Профиль нагрузки | Переменная, управляемая солнечной энергией, ежедневная цикличность | Относительно стабильный или пиковый спрос |
| Защита | Антиостровная, направленная, пороговые значения сетевого кода | Основные O/C, E/F, земляной короткое замыкание |
| Реактивная мощность | Регулируемый, часто 0.95 ведущий/отстающий | Обычно пассивный или некорректированный |
| Измерение | Двусторонний, класс 0.2s/0.5s экспортное измерение | Односторонний расчет |
| СКАДА | Всегда с удаленным управлением и регистрацией данных | Часто по желанию |
| Типичное номинование | 630–4,000 кВА на единицу | 50–2,500 кВА |
| Гармоники | Инверторные, фильтровые соображения | Незначительно для большинства нагрузок |
В данном случае это связано с более высоким уровнем сложности в отношении защиты и более строгим соблюдением сетевого кодекса, из-за чего стоимость стандартной единицы и стоимость солнечной фотоэлектрической системы различаются.
Типовые спецификации
Вот спецификация для солнечной фотоэлектрической системы мощностью 2000 кВА, работающей на уровне напряжения 22 кВ.
| Параметр | Типичное значение |
|---|---|
| Номинальная мощность трансформатора | 2,000 кВА, масляный, ONAN |
| Напряжение | 22 кВ / 0.69 кВ (также варианты 10/20/33/35 кВ) |
| Векторная группа | Dyn11 или Dyn5 |
| Потребление без нагрузки | ~2.2–3.0 кВт |
| Потери нагрузки при 75°C | ~16–20 кВт |
| Напряжение импеданса | 6%–8% |
| Низковольтное оборудование | 2,500–4,000 А ACB, подключения инвертора |
| Средневольтное оборудование | SF6 или твердое изолированное RMU / вакуумный выключатель, 20–25 кА/3с |
| Защита | Числовое реле: 50/51, 50N/51N, 27/59, 81, защита от островного режима, направленная |
| Измерение | Метровые счетчики класса 0.5s или 0.2s, ТТ/НТ |
| Корпус | IP54, оцинкованная основа, антикоррозийное покрытие для прибрежных участков |
| Дизайн для окружающей среды | До 50°C с тропической кривой снижения |
| Стандарты | IEC 62271-202, IEC 60076, IEC 60529, IEEE 1547 (Северная Америка) |
Регулярные и специальные испытания на соответствие основаны на стандартах IEC 60076 и IEC 62271-202. Защитные настройки системы должны проверяться на соответствие сетевому кодексу утилиты, в случае если установка продает энергию в сеть.
Где используются солнечные подстанции
- Установки на земле в масштабе утилиты: установки, работающие в диапазоне от 5 до 300 мегаватт, которые также имеют распределенные установки среднего/низкого напряжения и одну централизованную подстанцию высокого напряжения.
- Коммерческие и промышленные крыши: солнечные установки, работающие в диапазоне от 0.5 до 10 мегаватт электроэнергии с подключениями как за счет счетчика, так и перед счетчиком.
- Плавающая солнечная энергия: солнечные электростанции, которые устанавливаются на понтонах или близлежащих земельных структурах, тем самым обеспечивая антикоррозийную защиту.
- Агрифотовольтаика: генерация солнечной энергии с культивацией сельскохозяйственной продукции на том же участке земли.
- Гибридные установки: солнечные установки, комбинированные с накоплением или ветровой энергией, имеющие возможность конвертации нескольких источников энергии.
- Программы распределенной генерации включают небольшие установки, предоставляющие различные программы, и одной из таких программ являются схемы общественного солнечного освещения.
Помимо солнечного применения, аналогичные системы применяются для систем накопления энергии на батареях.
Стандарты, сетевые кодексы и испытания
| Стандарт | Объем | Актуальность для солнечных подстанций |
|---|---|---|
| IEC 62271-202 | Заводские трансформаторные подстанции | Дизайн полного блока, корпус, типовые испытания |
| IEC 60076 | Электрические трансформаторы | Номинальная мощность трансформатора, потери, испытания |
| IEC 60529 | Защита оболочки IP | IP54/IP55 для наружного применения |
| IEC 60255 | Измерительные реле и защитное оборудование | Точность и производительность реле |
| IEEE 1547 | Взаимосвязь распределенных ресурсов (Северная Америка) | Требования к защите и взаимосоединению по сетевому кодексу |
| Местные сетевые кодексы | Страны-специфические (например, GCC, EU EN 50549, национальные правила ТСО) | Проход через напряжение/частоту, время противодействия островообразованию |
Скачайте сертификат соответствия требованиям сетевого кодекса, применимым к вашей стране. То же устройство может соответствовать EN 50549 (европейский кодекс) или IEEE 1547 (кодекс, применимый к Северной Америке) или только национальным кодам, если прошивка и настройки реле настроены на правильную юрисдикцию.
Затраты и ценовые диапазоны
Оценки цен для полных единиц подстанций, специфичных для солнечной энергии (повышающий трансформатор, MV/LV распределительное устройство, защитные устройства, измерительные инструменты, структура из стекловолокна):
| Рейтинг | Класс напряжения | Типичная цена (USD) | Срок поставки |
|---|---|---|---|
| 630–1,000 кВА | 10–35 кВ | $12,000–$25,000 | 7–12 недель |
| 1,250–2,000 кВА | 10–35 кВ | $16,000–$35,000 | 8–14 недель |
| 2,500–3,150 кВА | 10–35 кВ | $30,000–$60,000 | 10–16 недель |
| 3,550–4,000 кВА | 10–35 кВ | $45,000–$90,000 | 12–20 недель |
Для нержавеющих или коррозионно-стойких корпусов добавьте 15-30%, 10-20% больше для трансформаторов сухого типа, плюс $1,500-5,000 для современных реле защиты, класса 0.2, и полного SCADA. Указанные цены являются ориентировочными FOB и варьируются в зависимости от спецификации, производителя и региона.
Топ бренды и сравнение цен
| Бренд | Страна | Сила в солнечной энергии | Указательная цена — 2,000 кВА (USD) |
|---|---|---|---|
| Schneider Electric | Франция | Интегрированные решения инверторов/подстанций, глобальное обслуживание | $38,000–$60,000 |
| Сименс | Германия | Цифровые решения для сетей, сильные ссылки на коммунальные услуги | $40,000–$65,000 |
| ABB | Швейцария | Ассортимент солнечных станций, синергия инверторов, поддержка сети | $38,000–$62,000 |
| Итон | США | Североамериканский рынок, соответствие IEEE 1547 | $34,000–$55,000 |
| Sungrow / Huawei (интегрированные решения) | Китай | Пакеты инверторов + станций в большом масштабе | $32,000–$58,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | IEC 62271-202 солнечные подстанции, OEM, экспорт | $16,000–$35,000 |
Крупные международные игроки и производители инверторов объединяют подстанции с поддержкой экосистемы, цифровыми платформами и местными командами по соблюдению норм, что привлекательно для крупных тендеров на поставку электроэнергии. Jiangsu Subian Electric Power поставляет подстанции, соответствующие стандартам IEC, специально для солнечных панелей (повышающие трансформаторы, СУЭ/СУН, защиту по сетевым кодам и учет с оборудованием SCADA) по ценам около 40%-55%, действительным для Европы. Фабричные испытания и индивидуальные настройки OEM выполняются для EPC-подрядчиков и разработчиков солнечных парков. В проектах, где подстанции являются одной из десятков идентичных единиц, именно сочетание сертификации, более низкой цены и индивидуальной настройки делает Subian реальным конкурентом крупным брендам.
Как специфицировать и купить
- Рассчитайте выходную мощность инвертора – это сумма выходной мощности переменного тока в кВА на клеммах инвертора с учетом проектного запаса 10 до 20% для коррекции окружающей среды.
- Установите экспортное напряжение и точку подключения к сети, такую как 10/20/22/35 кВ, в соответствии с требованиями коммунального хозяйства.
- Выберите тип трансформатора из следующих – масляный для наземных приложений и сухой для закрытых помещений или участков, чувствительных к огню.
- Проверьте требования к соблюдению сетевых кодов, т.е. время антиостровной защиты, напряжение при проходе, способность к реактивной мощности и т.д. в соответствии с сетевыми кодами вашей страны.
- Запросите полные испытания в соответствии со стандартами IEC 62271-202, включая температурные испытания на полностью собранном устройстве.
- Разработайте схему защиты в соответствии с требованиями исследования координации реле. Также запросите резервирование в защите устройства, если общая мощность установки превышает 1 МВт.
- Сравните, используя оцененные потери и надежность на протяжении 25 лет, а не первоначальные затраты.
- Проверьте корпус и коррозионную стойкость устройства, если это необходимо для прибрежных, пустынных или сильно влажных местоположений.
Часто задаваемые вопросы
Что такое подстанция нового типа PV?
Подстанция нового типа PV – это тип подстанции СУЭ/СУН, производимой на заводе и соединяющей солнечную электростанцию с сетью. Она преобразует переменное напряжение, вырабатываемое инвертором (400 до 800), в СУЭ напряжение (10 до 35 кВ) и обеспечивает необходимую гарантию соблюдения сетевых кодов, такую как функция антиостровной защиты и учет потребляемой энергии. Подстанции этого типа обычно состоят из повышающего трансформатора с мощностью от 630 до 4,000 кВА, СУЭ и СУН, защитных реле и корпуса, изготовленного в соответствии с требованиями, указанными в IEC 62271-202.
Сколько стоит подстанция PV?
Стоимость завершенного оборудования варьируется от $12,000 до $25,000 за 630 до 1,000 kVA до $45,000 – $90,000 за 3,550 до 4,000 kVA. Цена изменяется в зависимости от типа трансформатора и используемых распределительных устройств, а также применяемой системы защиты. Дополнительные материалы добавляют примерно 15-30% к цене, трансформаторы сухого типа – 10-20%, технологии SCADA – $1,500-5,000. Обратите внимание, что эти цены не включают транспортировку, и возможны колебания по региону.
Нужна ли мне отдельная подстанция для моего солнечного завода?
Да, если точка подключения не предоставлена коммунальным предприятием. Солнечные установки не могут производить энергию, если энергия не преобразована в MV. Для установок мощностью до 5 МВт обычно возможно построить только одну подстанцию, объединяющую технологии MV/LV. Для более крупных установок обычно потребуется более одной подстанции, а также подстанция высокого напряжения для гидратации.
В чем разница между подстанцией PV и обычной подстанцией типа "коробка"?
Подстанция PV отличается от обычной подстанции некоторыми дополнительными функциями, предусмотренными для управления солнечной энергией, такими как защита от работы в режиме "антиостров", поддержание напряжения и частоты и другие. Обычные подстанции не имеют этих функций. Замена одной на другую требует подготовки документации по защите и обычно не соответствует требованиям сетевого кода.
Сколько времени занимает установка подстанции PV?
Установка занимает 2-5 дней, когда бетонный фундамент и болты готовы, а процессы ввода в эксплуатацию начинаются как можно раньше. Преимущества заводского тестирования скорости при условии, что фундамент и кабели точны. Общее время для проекта составляет около 8-16 недель с момента размещения заказа.
Ссылки
- IEC 62271-202 — Предварительно изготовленные подстанции — управляющий стандарт для проектирования оболочек подстанций PV, безопасности и испытаний полного типа.
- Серия IEC 60076 — Электрические трансформаторы — базовый стандарт для номиналов, потерь и испытаний трансформатора повышающего напряжения.
- IEEE 1547 — Взаимодействие распределенных энергетических ресурсов — требования к взаимодействию и защите для североамериканской сети.
- IEC 60255 — Измерительные реле и защитное оборудование — требования к точности и производительности реле.
- IRENA — Статистика по возобновляемым мощностям — данные о росте солнечной мощности и спросе на подстанции.
- U.S. DOE — Руководства по взаимодействию солнечной энергии — практические требования к взаимодействию для солнечной энергии в масштабе коммунального предприятия.
- Jiangsu Subian Electric Power — официальный сайт — производитель и экспортер подстанций PV, сертифицированных IEC.
Заключение
Фотовольтаические подстанции новой энергии являются технологическим соединением между солнечными установками и сетью, и таким образом они стали неотъемлемой частью реализации проектов в масштабе коммунального предприятия. Они производятся на заводах, тестируются как готовое устройство и устанавливаются в течение нескольких дней. Подстанции создаются специально для удовлетворения требований различных показателей, связанных с производством солнечной энергии, включая колебания напряжения, потребности в защите и требования сетевого кода.
Резюме информации:
- Основные международные игроки и производители инверторов объединяют подс….
- Рассчитайте выходную мощность инвертора — это сумма выходной мощности переменного тока….
- Установите экспортное напряжение и точку подключения к сети, такую как 10/20/22/35 кВ….
- Получите сертификат IEC 62271-202 и сравните его по потерям, произошедшим за 25 лет.
- Убедитесь, что такие известные бренды, как Schneider, Siemens и ABB, приемлемы по сравнению с теми поставщиками, чья продукция сертифицирована в соответствии со стандартами IEC.