Guide de sélection des transformateurs solaires pour l'Arabie saoudite : conception pour les projets photovoltaïques à haute température
L'année dernière, après avoir finalisé la livraison globale des postes électriques préfabriqués pour un projet solaire de 300 MW dans la région d'Al Khafji en Arabie saoudite, le superviseur du site a fait une remarque qui m'a marqué :
“ La courbe d'élévation de température de ce lot de transformateurs solaires » est en réalité plus plat à 50 °C que ce qui était indiqué dans les documents d'appel d'offres. ”
Derrière ce commentaire se cachent plus de quarante jours de mise en service à haute température, trois cycles d'optimisation de conception et d'innombrables clarifications techniques avec le maître d'ouvrage. J'ai compilé ces expériences ici afin d'offrir une référence pratique aux ingénieurs et aux équipes de projet travaillant actuellement sur des projets solaires au Moyen-Orient.
1. Exigences particulières pour les transformateurs élévateurs dans les projets solaires en Arabie saoudite
Les centrales solaires à grande échelle en Arabie saoudite utilisent généralement soit une configuration onduleur central + élévateur centralisé ou une configuration onduleur de chaîne + élévateur centralisé .
Dans les deux cas, le transformateur élévateur est installé entre la sortie CA de l'onduleur et le point de raccordement au réseau, augmentant la tension de 690 V ou 1 140 V à 33 kV ou 110 kV.
La puissance nominale du transformateur n'est généralement pas la partie la plus complexe du processus de sélection. Le véritable défi provient de plusieurs conditions d'exploitation locales et exigences de projet qui affectent directement la conception du transformateur :
Température ambiante : La norme IEC 60076 est basée sur une température ambiante maximale de 40 °C dans des conditions de service normales, tandis que les températures estivales extrêmes sur les sites de projets à l'intérieur des terres en Arabie saoudite peuvent atteindre environ 52 °C, en particulier dans les zones proches de Riyad. La capacité du transformateur doit donc être revérifiée par rapport aux limites d'élévation de température de 65 °C ou 75 °C spécifiées et aux conditions ambiantes réelles du site.
Capacité de surcharge : Le profil de charge d'une centrale solaire diffère de celui d'une charge industrielle conventionnelle. Durant les périodes de fort ensoleillement autour de midi, le transformateur peut fonctionner à une charge élevée soutenue pendant plusieurs heures. La nécessité d'une capacité de surcharge de courte durée de 1,1 ou 1,2 fois la charge nominale doit être vérifiée en fonction des spécifications du projet, de la température ambiante et du modèle thermique défini dans la norme CEI 60076-7. Elle ne doit pas être simplement reprise des hypothèses de surcharge utilisées pour un transformateur de distribution classique.
Impédance de court-circuit : L'impédance d'un transformateur élévateur solaire de 33 kV doit être déterminée conjointement avec la capacité de court-circuit au point de raccordement au réseau, les caractéristiques du courant de défaut de l'onduleur et la capacité de coupure de l'appareillage de commutation. Une impédance plus élevée contribue à limiter le courant de défaut, mais elle affecte également la régulation de tension. La valeur d'impédance finale doit donc être confirmée par l'étude de court-circuit du projet plutôt que d'être sélectionnée comme un paramètre isolé du transformateur.
Degré de protection : L'indice de protection (IP) requis pour les postes de transformation préfabriqués en extérieur et les armoires de commande doit être conforme aux spécifications techniques du projet. Dans les environnements désertiques, l'indice IP ne suffit pas à lui seul. L'étanchéité des portes, les filtres de ventilation, les mesures anti-condensation à l'intérieur des boîtiers de commande et la capacité réelle de dissipation thermique des radiateurs après accumulation de sable doivent tous être pris en compte.
2. Référence pour la sélection de transformateurs selon la taille des centrales solaires
Les configurations suivantes sont des références anonymisées basées sur les solutions de projets antérieurs de Zisheng Electric. Elles ne doivent pas être considérées comme une conception standard pour tous les projets solaires en Arabie saoudite. La configuration finale dépend de la taille du bloc onduleur, du rapport CC/CA, de la tension du système collecteur et du schéma de raccordement au réseau.
| Capacité de la centrale solaire | Tension de sortie de l'onduleur | Disposition élévatrice | Puissance nominale du transformateur par unité | Tension côté HT | Groupe de vecteurs | Méthode de refroidissement | Quantité typique |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50–80 MW | 690 V | Élévation à un étage | 3.15 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 18–22 unités |
| 100–200 MW | 1,140 V | Élévation à un étage | 4.5 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 30 à 40 unités |
| 300–500 MW | 1,140 V | Élévation à un étage | 6.3 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN \/ ONAF | 55 à 75 unités |
| 600 MW–1.2 GW | 1,140 V | Élévation à deux étages | 6,3 MVA (premier étage) / 150 MVA (second étage) | 33 kV / 110 kV | Dyn11 / YNd11 | ONAF / OFAF | 100 à 160 unités + 2 à 4 transformateurs principaux |
Quelques points doivent être clarifiés.
A élévation à un seul étage cette configuration signifie que la sortie de l'onduleur est directement élevée à la tension de raccordement au réseau, généralement 33 kV ou 110 kV.
A élévation à deux étages cette configuration signifie que la sortie de l'onduleur est d'abord élevée vers un système collecteur de 33 kV au sein de la centrale solaire. L'énergie collectée est ensuite transférée via un transformateur de puissance principal et élevée à nouveau à 110 kV ou 220 kV pour être transmise au réseau.
Les grands projets solaires saoudiens, en particulier ceux approchant l'échelle du gigawatt, utilisent couramment une architecture d'élévation à deux étages pour réduire les pertes du système collecteur et faciliter un raccordement centralisé au réseau. Dans cette configuration, le transformateur principal du second étage peut également nécessiter un changeur de prises en charge (OLTC) pour gérer la variation de tension du réseau entre les pics de production diurnes et les périodes de faible rendement.
3. Domaines d'application des trois types de transformateurs courants
Trois voies techniques sont actuellement utilisées dans les projets solaires saoudiens, chacune avec une limite d'application assez claire.
1. Transformateurs immergés dans l'huile (ONAN/ONAF)
Ils demeurent le choix privilégié pour les projets solaires à grande échelle en Arabie saoudite et représentent plus de 80 % de nos unités fournies. Leurs avantages sont évidents : une forte capacité de surcharge, un coût maîtrisé et un système de maintenance éprouvé.
Pour les projets solaires en milieu désertique, les points qui méritent une attention particulière sont la structure d'étanchéité du réservoir, la résistance aux températures élevées des matériaux d'étanchéité, la protection des accessoires et le risque de fuite d'huile après des cycles thermiques répétés à long terme. Les armoires de commande et les boîtes à bornes doivent utiliser le niveau de protection IP ou NEMA approprié spécifié par le projet.
Sur un projet l'année dernière, des bagues d'étanchéité conventionnelles ont été choisies pour réduire les coûts. Après trois mois de fonctionnement, du sable et de la poussière ont pénétré dans l'huile du transformateur, et le facteur de dissipation diélectrique est passé de 0,3 % à 1,2 %. Les unités concernées ont dû être retravaillées sur l'ensemble du site. Au final, le coût a été environ trois fois plus élevé que si des matériaux d'étanchéité de meilleure qualité avaient été utilisés dès le départ.
2. Transformateurs de type sec (résine coulée)
Les transformateurs de type sec conviennent aux postes de commutation intérieurs ou aux points d'élévation de tension proches des zones résidentielles, où la sécurité incendie est une priorité et où une fosse de rétention d'huile n'est pas souhaitable.
La limite réside dans la performance thermique. À une température ambiante de 50 °C, la capacité de refroidissement d'un à sec peut chuter de manière notable. Pour une même charge de projet, une puissance nominale de transformateur plus élevée peut donc être requise ; par exemple, une charge de 4,5 MVA peut nécessiter une unité de type sec de 5,5 MVA en fonction des limites d'élévation de température spécifiées et des conditions d'installation.
La résine époxy est également confrontée à des risques de vieillissement accéléré sous l'effet d'une température élevée prolongée et d'une forte exposition aux ultraviolets. Les installations extérieures nécessitent donc un ombrage ou une protection par enceinte appropriés, ce qui ajoute une couche supplémentaire de coûts de génie civil et d'installation.
3. Transformateurs isolés à l'ester naturel
Au cours des deux dernières années, certains projets saoudiens aux spécifications plus élevées, notamment des développements associés à NEOM, ont commencé à spécifier des fluides isolants à base d'esters naturels.
L'ester naturel possède un point d'inflammation supérieur à 300 °C, est biodégradable et peut offrir des avantages en termes de performance de vieillissement de l'isolation par rapport à l'huile minérale conventionnelle.
Le compromis concerne la chaîne d'approvisionnement et le coût. Il existe encore relativement peu de fabricants en Chine capables de fournir de manière constante des transformateurs solaires à ester naturel pour les besoins de grands projets. Les délais de livraison sont généralement de six à huit semaines plus longs que pour les unités à huile minérale conventionnelles, tandis que les prix peuvent être environ 25 % à 30 % plus élevés.
À moins que le propriétaire n'ait une exigence claire en matière de durabilité, de sécurité incendie ou de certification environnementale, nous traiterions normalement l'ester naturel comme une option alternative plutôt que comme la recommandation par défaut.
4. Trois problèmes d'interface souvent négligés dans les spécifications des projets solaires en Arabie saoudite
① La plage de réglage ne doit pas simplement suivre la configuration standard
② La méthode de mise à la terre du système 33 kV doit être confirmée lors de la phase de conception
③ Les valeurs de pertes garanties doivent être inscrites dans l'accord technique et vérifiées lors des essais en usine (FAT)
5. Retours d'expérience opérationnels des projets de Zisheng Electric en Arabie saoudite
Sur quatre projets solaires déjà mis en service en Arabie saoudite, d'une capacité combinée d'environ 1,2 GW, nous avons recueilli plusieurs observations opérationnelles sur les équipements installés transformateurs solaires » qui méritent d'être partagés.
Marge d'élévation de température : Les transformateurs conçus autour d'une limite d'élévation de température de 65 K ont enregistré des températures d'huile de tête d'environ 92–95 °C en fonctionnement à pleine charge à une température ambiante de 52 °C, laissant une marge raisonnable en dessous du seuil d'alarme de 105 °C.
Deux détails de fabrication ont eu une influence notable sur le résultat thermique : la structure de guidage d'huile des enroulements et la espacement entre les radiateurs à panneaux.
Si l'espacement des radiateurs est trop étroit, l'accumulation de sable peut restreindre la circulation de l'air. S'il est trop large, la surface de dissipation thermique disponible devient insuffisante pour une même empreinte au sol. Après trois itérations de conception, nous avons opté pour un espacement des radiateurs d'environ 45 mm pour cette configuration de projet.
Fiabilité des accessoires : Les composants tels que les relais de gaz, les dispositifs de décharge de pression et les indicateurs de niveau d'huile ont tendance à présenter un taux de défaillance beaucoup plus élevé dans les conditions de haute température en Arabie saoudite que dans nos projets nationaux. Nous utilisons désormais des boîtiers entièrement en acier inoxydable en standard pour ces accessoires, et tous les joints d'étanchéité ont été mis à niveau vers du fluoroélastomère FKM. Le coût supplémentaire est d'environ 2 %, mais le taux de remplacement des accessoires est passé d'environ 12 % lors de nos premiers projets à moins de 1 %.
Transport et positionnement sur site : La dernière étape du transport intérieur pour les projets en Arabie saoudite — généralement du port de Dammam au site du projet — peut être exigeante car les conditions routières ne sont pas toujours idéales.
Notre pratique actuelle consiste à transporter la cuve du transformateur sous une pression d'azote sec de 0,02 à 0,03 MPa. Une fois l'unité positionnée sur ses fondations, nous la laissons reposer pendant au moins 48 heures avant le remplissage d'huile, ce qui laisse suffisamment de temps aux fines particules déplacées pendant le transport pour se déposer.
Cela peut sembler être une procédure conservatrice, mais elle nous a permis d'éviter deux cycles supplémentaires de filtration d'huile sur site.
6. Recommandations de configuration pour le marché saoudien
Si vous préparez actuellement un appel d'offres pour des transformateurs ou effectuez une revue technique pour un projet en Arabie saoudite, les points suivants pourraient vous être utiles.
Ne dimensionnez pas le transformateur exactement à la limite calculée : Choisir un transformateur à exactement 1,0 fois la charge calculée laisse très peu de marge opérationnelle. Pour les projets en Arabie saoudite, nous recommandons généralement d'envisager un facteur de dimensionnement d'environ 1.15–1.20, sous réserve des spécifications réelles du projet et de l'étude thermique.
De nombreux projets spécifient une température ambiante de conception d'environ 45 °C. En pratique, cependant, la condition la plus exigeante survient souvent entre 14h00 et 16h00, lorsque le rayonnement solaire est le plus fort, que la puissance de sortie de l'onduleur est proche de son pic et que la température ambiante est également à son maximum. Il s'agit d'une condition de fonctionnement coïncidente typique. Si la marge thermique est trop faible, le transformateur pourrait devoir fonctionner à charge réduite.
Ligne de fuite des traversées HT : La ligne de fuite pour les projets en Arabie saoudite ne doit pas être sélectionnée simplement sur la base du nom du pays. Les zones côtières exposées au brouillard salin, les zones de poussière désertique et les sites pollués industriellement peuvent présenter des conditions de contamination très différentes.
L'isolation externe doit donc être sélectionnée en fonction de la sévérité réelle de la pollution du site et des principes de IEC 60815. Pour les systèmes 33 kV, nous recommandons de définir clairement la ligne de fuite de la traversée, le matériau des jupes et la base de conception du niveau de pollution lors de l'étape de l'accord technique.
Protocole d'interface de communication : La SEC exige que les signaux des transformateurs intelligents — notamment la température de l'huile, la température des enroulements, l'état du relais de gaz, la pression et la position du changeur de prises — soient transmis au niveau du contrôle de la station via IEC 61850 GOOSE communication.
Le modèle d'IED et la version de la pile de protocoles doivent donc être confirmés tôt dans le projet. Si cela est laissé jusqu'à la mise en service, une passerelle de conversion de protocole supplémentaire pourrait être nécessaire, ajoutant à la fois des coûts et une interface supplémentaire devant être testée.
Stratégie de pièces de rechange : Pour les projets critiques, nous recommandons de conserver un transformateur de rechange de même conception sur site, ou à tout le moins un assemblage de pièces actives comprenant les enroulements et le noyau.
Pour les projets en Arabie saoudite, le délai entre l'identification d'un problème grave sur un transformateur et la réception d'une unité de remplacement en provenance de Chine peut facilement dépasser 45 jours, une fois pris en compte la préparation à la fabrication, le fret maritime et le dédouanement. La perte de revenus durant une interruption prolongée peut être bien supérieure au coût d'achat d'un transformateur de rechange.
Un transformateur élévateur solaire n'est généralement pas l'équipement le plus coûteux d'une centrale photovoltaïque, mais il peut devenir l'un des composants les plus onéreux en cas de défaillance.
Une interruption imprévue peut affecter la disponibilité de la centrale, la conformité au réseau et les revenus du projet. C'est pourquoi nous préférons traiter le transformateur comme un équipement à long terme devant être adapté à l'environnement local plutôt que simplement fourni selon une conception de catalogue standard.
Du choix de la qualité de l'acier électrique et du contrôle des propriétés de l'huile isolante à la résistance aux UV du système de revêtement externe, chaque détail de conception doit être examiné en fonction des conditions d'exploitation saoudiennes. Certaines marges inutiles peuvent être supprimées, tandis que les points faibles exposés par l'environnement local doivent être renforcés.
Zisheng Electric peut vous accompagner dans la sélection des transformateurs, l'examen des écarts techniques, la documentation de fabrication, les essais en usine (FAT) et la coordination de la livraison à l'exportation, sur la base des spécifications techniques du projet, du schéma unifilaire (SLD) et des conditions réelles du site.
Notre gamme de produits comprend Transformateurs immersés dans l'huile, Transformateurs montés sur socle, Transformateurs montés sur poteau ， des transformateurs de type sec,ainsi que des équipements de distribution d'énergie associés.
Si vous travaillez sur un projet spécifique en Arabie saoudite et que vous avez un doute sur le choix d'un transformateur ou sur une exigence technique, envoyez-nous les paramètres du projet afin que nous puissions les examiner directement. Certains problèmes d'ingénierie sont résolus beaucoup plus rapidement par une discussion technique ciblée que par une nouvelle série de révisions documentaires.
Notre équipe d'ingénierie répond aux demandes de projets sous 24 heures.
À propos de ZISHENG ELECTRICAL
Zisheng sont un fabricant professionnel avec plus de 19 ans d'expérience dans la production Transformateurs immersés dans l'huile, Sous-station compacte, Transformateurs montés sur socle, Transformateurs montés sur poteau et Transformateurs à sec. Nous possédons les certificats de ISO/CE/IEC 60076 et TUV Rheinland.
Les transformateurs subissent des tests de FAT rigoureux et des essais de type, prenant en charge la personnalisation de la tension/capacité. Bienvenue pour consulter pour Catalogue et Produit. vous pouvez nous contacter par email [email protected].
