Руководство по выбору солнечных трансформаторов для Саудовской Аравии: проектирование для высокотемпературных фотоэлектрических проектов
В прошлом году, после завершения комплексной поставки комплектных трансформаторных подстанций для проекта солнечной электростанции мощностью 300 МВт в регионе Аль-Хафджи (Саудовская Аравия), руководитель объекта сделал замечание, которое мне запомнилось:
“Кривая превышения температуры этой партии солнечных трансформаторов» на самом деле более плоская при 50°C, чем было указано в тендерной документации”.”
За этим комментарием стояли более сорока дней высокотемпературных пусконаладочных работ, три раунда оптимизации проекта и бесчисленные технические согласования с заказчиком. Я систематизировал этот опыт, чтобы предоставить практическое руководство для инженеров и проектных команд, работающих в настоящее время над солнечными проектами на Ближнем Востоке.
1. Особые требования к повышающим трансформаторам для проектов солнечной энергетики в Саудовской Аравии
Крупномасштабные солнечные электростанции в Саудовской Аравии обычно используют либо центральный инвертор + централизованное повышение напряжения конфигурация или стринговый инвертор + централизованный повышающий конфигурация.
В обоих случаях превышающий трансформатор устанавливается между выходом переменного тока инвертора и точкой подключения к сети, повышая напряжение с 690 В или 1140 В до 33 кВ или 110 кВ.
Выбор номинальной мощности трансформатора, как правило, не является самой сложной частью процесса. Основная трудность заключается в учете ряда местных условий эксплуатации и требований проекта, которые напрямую влияют на конструкцию трансформатора:
Температура окружающей среды: Стандарт IEC 60076 основан на максимальной температуре окружающей среды 40°C при нормальных условиях эксплуатации, в то время как экстремальные летние температуры на объектах в глубине территории Саудовской Аравии могут достигать около 52°C, особенно в районах рядом с Эр-Риядом. Поэтому мощность трансформатора необходимо перепроверить с учетом заданных пределов превышения температуры 65°C или 75°C и фактических условий окружающей среды на объекте.
Перегрузочная способность: Профиль нагрузки солнечной электростанции отличается от профиля нагрузки обычного промышленного объекта. В периоды высокой солнечной активности в середине дня трансформатор может работать при длительной высокой нагрузке в течение нескольких часов. Необходимость кратковременной перегрузочной способности в 1,1 или 1,2 раза от номинальной нагрузки должна быть подтверждена в соответствии со спецификацией проекта, температурой окружающей среды и тепловой моделью, определенной в IEC 60076-7. Ее не следует просто копировать из допущений по перегрузке, используемых для обычных распределительных трансформаторов.
Напряжение короткого замыкания: Импеданс повышающего трансформатора для солнечных электростанций должен определяться совместно с мощностью короткого замыкания в точке подключения к сети, характеристиками тока повреждения инвертора и отключающей способностью распределительного устройства. Более высокий импеданс помогает ограничить ток короткого замыкания, но также влияет на регулирование напряжения. Поэтому окончательное значение импеданса должно быть подтверждено результатами исследования короткого замыкания в рамках проекта, а не выбрано как изолированный параметр трансформатора.
Степень защиты: Требуемый класс защиты IP для наружных комплектных трансформаторных подстанций и шкафов управления должен соответствовать техническим требованиям проекта. В условиях пустыни одного лишь класса IP недостаточно. Необходимо учитывать герметичность дверей, вентиляционные фильтры, меры по предотвращению конденсации внутри шкафов управления, а также фактическую способность радиаторов к теплоотводу после скопления песка.
2. Справочное руководство по выбору трансформаторов для солнечных электростанций различной мощности
Приведенные ниже конфигурации являются анонимизированными примерами на основе реализованных проектов компании Zisheng Electric. Их не следует рассматривать как стандартные проектные решения для всех солнечных электростанций в Саудовской Аравии. Окончательная конфигурация зависит от мощности инверторного блока, соотношения DC/AC, напряжения системы сбора мощности и схемы подключения к сети.
| Установленная мощность солнечной электростанции | Выходное напряжение инвертора | Схема повышения напряжения | Номинальная мощность трансформатора на единицу | Напряжение на стороне ВН | Векторная группа | Метод охлаждения | Типовое количество |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50–80 MW | 690 V | Одноступенчатое повышение напряжения | 3.15 MVA | 33 kV | Dyn11 | ОНАН | 18–22 шт. |
| 100–200 MW | 1,140 V | Одноступенчатое повышение напряжения | 4.5 MVA | 33 kV | Dyn11 | ОНАН | 30–40 шт. |
| 300–500 MW | 1,140 V | Одноступенчатое повышение напряжения | 6.3 MVA | 33 kV | Dyn11 | ОНАН / ОНАФ | 55–75 шт. |
| 600 MW–1.2 GW | 1,140 V | Двухступенчатое повышение напряжения | 6,3 МВА (первая ступень) / 150 МВА (вторая ступень) | 33 kV / 110 kV | Dyn11 / YNd11 | ONAF / OFAF | 100–160 единиц + 2–4 главных трансформатора |
Необходимо уточнить несколько моментов.
A одноступенчатое повышение напряжения схема означает, что выходное напряжение инвертора повышается непосредственно до напряжения подключения к сети, как правило, 33 кВ или 110 кВ.
A двухступенчатое повышение напряжения схема означает, что выходное напряжение инвертора сначала повышается до 33 кВ в пределах солнечной электростанции. Затем собранная мощность передается через главный силовой трансформатор и снова повышается до 110 кВ или 220 кВ для передачи в сеть.
Крупные солнечные проекты в Саудовской Аравии, особенно гигаваттного масштаба, обычно используют двухступенчатую архитектуру повышения напряжения для снижения потерь в коллекторной системе и обеспечения централизованного подключения к сети. В такой схеме для главного трансформатора второй ступени также может потребоваться устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) для управления колебаниями напряжения в сети между пиками генерации в дневное время и периодами сниженной выработки.
3. Области применения трех распространенных типов трансформаторов
В настоящее время в солнечных проектах Саудовской Аравии используются три технических решения, каждое из которых имеет довольно четкие границы применения.
1. Масляные трансформаторы (ONAN/ONAF)
Они остаются основным выбором для крупномасштабных солнечных проектов в Саудовской Аравии и составляют более 80% наших поставленных единиц. Их преимущества очевидны: высокая перегрузочная способность, контролируемая стоимость и отлаженная система технического обслуживания.
Для солнечных проектов в пустыне особого внимания требуют конструкция уплотнения бака, термостойкость уплотнительных материалов, защита комплектующих и риск утечки масла после многократных длительных циклов теплового воздействия. Шкафы управления и клеммные коробки должны иметь соответствующий уровень защиты IP или NEMA, указанный в проекте.
В одном из проектов в прошлом году были выбраны обычные уплотнительные кольца для снижения затрат. После трех месяцев эксплуатации песок и пыль попали в трансформаторное масло, и коэффициент диэлектрических потерь увеличился с 0,3% до 1,2%. Пострадавшие устройства пришлось переделывать на объекте. В итоге затраты оказались примерно в три раза выше, чем при использовании более качественных уплотнительных материалов с самого начала.
2. Сухие трансформаторы (с литой изоляцией)
Сухие трансформаторы подходят для использования в закрытых распределительных устройствах или повышающих подстанциях вблизи жилых районов, где приоритетом является пожарная безопасность и нежелательно обустройство маслоприемников.
Ограничением является тепловая эффективность. При температуре окружающей среды 50°C охлаждающая способность трансформатором с сухой изоляцией может заметно снизиться. В связи с этим для той же проектной нагрузки может потребоваться трансформатор большей мощности — например, для нагрузки 4,5 МВА может потребоваться сухой трансформатор на 5,5 МВА в зависимости от заданных пределов превышения температуры и условий установки.
Эпоксидная смола также подвержена риску ускоренного старения при длительном воздействии высоких температур и интенсивного ультрафиолетового излучения. Поэтому для наружной установки требуется соответствующее затенение или защитный кожух, что увеличивает затраты на строительно-монтажные работы.
3. Трансформаторы с изоляцией на основе натуральных эфиров
За последние два года в некоторых высокотехнологичных проектах в Саудовской Аравии, включая объекты, связанные с NEOM, начали указывать в спецификациях использование изоляционных жидкостей на основе натуральных эфиров.
Натуральные эфиры имеют температуру вспышки выше 300°C, биоразлагаемы и могут обладать преимуществами в плане устойчивости изоляции к старению по сравнению с традиционным минеральным маслом.
Недостатками являются цепочки поставок и стоимость. В Китае все еще относительно мало производителей, способных стабильно поставлять солнечные трансформаторы на натуральных эфирах для крупных проектов. Сроки поставки обычно на шесть-восемь недель больше, чем для стандартных трансформаторов на минеральном масле, а цены могут быть выше на 25–30%.
Если у заказчика нет четких требований по экологической устойчивости, пожарной безопасности или сертификации, мы обычно рассматриваем натуральные эфиры как альтернативный вариант, а не как рекомендацию по умолчанию.
4. Три проблемы сопряжения, часто упускаемые в спецификациях проектов солнечной энергетики в Саудовской Аравии
① Диапазон регулирования ответвлений не должен ограничиваться стандартной конфигурацией
② Метод заземления системы 33 кВ должен быть подтвержден на этапе проектирования
③ Гарантированные значения потерь должны быть зафиксированы в техническом соглашении и проверены во время заводских приемочных испытаний (FAT)
5. Отзывы об эксплуатации оборудования Zisheng Electric в проектах в Саудовской Аравии
На четырех солнечных электростанциях, уже введенных в эксплуатацию в Саудовской Аравии с общей мощностью около 1,2 ГВт, мы собрали несколько эксплуатационных наблюдений по установленным солнечных трансформаторов» которыми стоит поделиться.
Запас по превышению температуры: Трансформаторы, рассчитанные на предел превышения температуры 65 K, показали температуру верхних слоев масла около 92–95°C при работе под полной нагрузкой и температуре окружающей среды 52°C, что оставляет достаточный запас до порога срабатывания сигнализации 105°C.
Две особенности производства оказали заметное влияние на тепловые характеристики: это конструкция маслонаправляющих каналов обмотки и расстояние между панельными радиаторами.
Если расстояние между радиаторами слишком мало, скопление песка может ограничить поток воздуха. Если оно слишком велико, площадь теплоотдачи становится недостаточной при тех же габаритах установки. После трех итераций проектирования мы остановились на расстоянии между радиаторами примерно 45 mm для данной конфигурации проекта.
Надежность комплектующих: Такие компоненты, как газовые реле, предохранительные клапаны и указатели уровня масла, подвержены гораздо более высокому уровню отказов в условиях высоких температур в Саудовской Аравии, чем в наших внутренних проектах. Теперь мы используем корпуса из нержавеющей стали в качестве стандарта для этих комплектующих, а все уплотнительные кольца были заменены на фторэластомер FKM. Дополнительные расходы составляют около 2%, однако частота замены комплектующих снизилась с примерно 12% в наших ранних проектах до менее 1%.
Транспортировка и установка на площадке: Заключительный этап наземной транспортировки для проектов в Саудовской Аравии — как правило, от порта Даммам до площадки проекта — может быть сложным, поскольку состояние дорог не всегда идеально.
В настоящее время мы транспортируем бак трансформатора под давлением сухого азота 0,02–0,03 МПа. После установки устройства на фундамент мы выдерживаем его в течение не менее 48 часов перед заливкой масла, чтобы дать время осесть мелким частицам, поднявшимся при транспортировке.
Это может показаться излишне консервативной процедурой, однако она позволила нам избежать двух дополнительных циклов фильтрации масла на объекте.
6. Рекомендации по конфигурации для рынка Саудовской Аравии
Если вы в настоящее время готовите тендер на поставку трансформаторов или проводите техническую экспертизу для проекта в Саудовской Аравии, следующие рекомендации могут быть вам полезны.
Не выбирайте трансформатор с номинальной мощностью, соответствующей расчетному пределу: Выбор трансформатора с коэффициентом нагрузки ровно 1,0 оставляет крайне малый запас для эксплуатации. Для проектов в Саудовской Аравии мы обычно рекомендуем учитывать коэффициент запаса мощности около 1.15–1.20, при условии соблюдения фактической спецификации проекта и теплового расчета.
Во многих проектах расчетная температура окружающей среды составляет около 45°C. Однако на практике наиболее сложные условия часто возникают в период с 14:00 до 16:00, когда солнечная радиация достигает максимума, выходная мощность инвертора приближается к пиковой, а температура окружающей среды также находится на самом высоком уровне. Это типичный режим совмещенной нагрузки. Если запас по тепловым характеристикам слишком мал, трансформатор может быть вынужден работать при сниженной нагрузке.
Длина пути утечки высоковольтного ввода: Длину пути утечки для проектов в Саудовской Аравии не следует выбирать только на основании названия страны. Прибрежные зоны с соляным туманом, районы с пустынной пылью и промышленные зоны могут иметь совершенно разные условия загрязнения.
Поэтому внешнюю изоляцию следует выбирать в соответствии с фактической степенью загрязнения площадки и принципами IEC 60815. Для систем 33 кВ мы рекомендуем четко определить длину пути утечки ввода, материал изоляторов и проектную основу уровня загрязнения на этапе согласования технических условий.
Протокол интерфейса связи: SEC требует, чтобы сигналы интеллектуального трансформатора — включая температуру масла, температуру обмоток, состояние газового реле, давление и положение переключателя ответвлений — передавались на уровень управления станцией через IEC 61850 GOOSE связь.
Поэтому модель IED и версию стека протоколов следует подтвердить на ранней стадии проекта. Если отложить это до ввода в эксплуатацию, может потребоваться дополнительный шлюз преобразования протоколов, что приведет к увеличению затрат и необходимости тестирования еще одного интерфейса.
Стратегия резервирования: Для критически важных проектов мы рекомендуем иметь один резервный трансформатор такой же конструкции на объекте или, как минимум, запасной активный блок, состоящий из обмоток и сердечника.
Для проектов в Саудовской Аравии период от выявления серьезной неисправности трансформатора до получения сменного устройства из Китая может легко превысить 45 дней с учетом подготовки производства, морской перевозки и таможенного оформления. Потери выручки во время длительного простоя могут значительно превышать стоимость покупки одного резервного трансформатора.
Повышающий трансформатор для солнечных электростанций обычно не является самым дорогим оборудованием на фотоэлектрической станции, однако в случае выхода из строя он может стать одним из самых затратных компонентов.
Незапланированный простой может негативно повлиять на эксплуатационную готовность станции, соответствие требованиям энергосети и доходность проекта. По этой причине мы предпочитаем рассматривать трансформатор как оборудование длительного пользования, которое должно быть адаптировано к местным условиям, а не просто поставляться в соответствии со стандартным каталожным решением.
От выбора марки электротехнической стали и контроля свойств изоляционного масла до устойчивости внешнего покрытия к ультрафиолетовому излучению — каждая деталь конструкции должна быть пересмотрена с учетом условий эксплуатации в Саудовской Аравии. Избыточные запасы прочности могут быть исключены, в то время как слабые места, выявленные под воздействием местных условий, требуют усиления.
Компания Zisheng Electric готова оказать поддержку в выборе трансформаторов, анализе технических отклонений, подготовке производственной документации, проведении заводских приемочных испытаний (FAT) и координации экспортных поставок на основе технических спецификаций проекта, однолинейных схем (SLD) и фактических условий на объекте.
Наш ассортимент продукции включает масляных трансформаторов, Трансформаторы в пневматических установках, полевые трансформаторы ， сухие трансформаторы,и сопутствующее оборудование для распределения электроэнергии.
Если вы работаете над конкретным проектом в Саудовской Аравии и не уверены в выборе трансформатора или технических требованиях, отправьте нам параметры проекта, и мы проведем их непосредственный анализ. Некоторые инженерные вопросы решаются гораздо быстрее в ходе целенаправленной технической дискуссии, чем через очередной цикл пересмотра документации.
Наша инженерная команда отвечает на запросы по проектам в течение 24 часов.
О компании ZISHENG ELECTRICAL
Жишэнг является профессиональным производителем с более чем 19-летним опытом масляных трансформаторов, Компактная подстанция, Трансформаторы в пневматических установках, полевые трансформаторы и Сухие трансформаторы. У нас есть сертификаты ISO/CE/IEC 60076 и TUV Rheinland.
Трансформаторы проходят строгие испытания FAT и аттестацию типа, поддерживают настройку напряжения/емкости. Добро пожаловать на консультацию по Каталог и Продукт. вы можете связаться с нами по электронной почте [email protected].
