Straty jałowe transformatora w systemach solarnych pozamacierzowych: dlaczego są istotne

W projektach fotowoltaicznych i magazynowania energii pozamacierzowych wiele osób koncentruje się na doborze modułów fotowoltaicznych i akumulatorów do magazynowania energii, lecz pomija “ukrytą czarną dziurę ”pochłaniającą moc przez 24 godziny na dobę —przekształtnica ’– straty jałowe. W projektach przyłączonych do sieci transformator zwykle pracuje jedynie w godzinach dziennej świateł, więc wpływ strat jałowych jest ograniczony. Natomiast w projektach pozamacierzowych transformator musi być cały czas podłączony do szyny rozdzielczej, a “kumulacyjny efekt całodobowy ”strat jałowych wyraźnie się nasila. Jest to koszt, który każdy developer projektu pozamacierzowego powinien dokładnie obliczyć.

1. Dlaczego straty jałowe są bardziej “Śmiertelne ”w systemach pozamacierzowych niż w systemach przyłączonych do sieci?

1.1 Podstawowa różnica w warunkach eksploatacji

Fotowoltaika podłączona do sieci: Transformator uruchamia się i wyłącza się razem ze światłem słonecznym, pracując około 10 –12 godzin dziennie. W nocy można go odłączyć od szyny rozdzielczej.

Fotowoltaika off-grid/z magazynowaniem energii: Transformator pozostaje cały czas podłączony do systemu przez 24 godziny na dobę, realizując transformację napięcia oraz izolację. Nie można go wyłączyć. Nadmiarowe straty przy małym obciążeniu i w stanie jałowym w systemach off-grid stały się kluczowym wąskim gardłem ograniczającym opłacalność systemu.

1.2 “Wzmocniacz czasu ”Wpływ strat jałowych

Wzór na straty jałowe jest bardzo prosty: Roczne zużycie energii na straty jałowe = P ₀ (straty w stanie jałowym w kW) ×8760 godzin .

W scenariuszach połączonych z siecią przemysłową straty w stanie jałowym stanowią jedynie niewielką część całkowitych strat. Jednak w scenariuszach pozamacierzowych współczynniki obciążenia zmieniają się znacznie szerzej, a czas pracy w stanie jałowym jest dłuższy, dlatego straty w stanie jałowym stanowią znacznie większą część całkowitych strat. Dane branżowe wskazują, że straty w stanie jałowym transformatora stanowią około 20% –30% całkowitych strat znamionowych. Gdy moc znamionowa transformatora jest nadmiernie duża i pracuje on przy niskim obciążeniu przez długie okresy, straty w stanie jałowym mogą przekroczyć 60% całkowitych strat.

1.3 “Niedobór źródeł energii ”w scenariuszach pozamacierzowych

W projektach pozamacierzowych każdy kilowatogodzina pochodzi z paneli fotowoltaicznych lub generatorów spalinowych zasilanych olejem napędowym. Koszt jednej kilowatogodziny generowanej za pomocą oleju napędowego w odległych obszarach może łatwo przekroczyć 3 RMB, a całkowity koszt jednej kilowatogodziny może wzrosnąć do 4,1 RMB. W odległych zagranicznych kopalniach koszty generowania energii za pomocą oleju napędowego mogą osiągnąć 0,4 –1,0 USD/kWh, czyli 4 –5 razy więcej niż koszt energii z sieci. Straty w stanie jałowym zużywają “cenna energia elektryczna, ”nie, nie “tania energia elektryczna, ”dlatego jej koszt ekonomiczny jest jeszcze bardziej zwiększony.

2. Z czego składa się straty przy zerowym obciążeniu —Jak to działa “Jedz ”Energia elektryczna?

2.1 Charakter strat przy zerowym obciążeniu

Straty przy zerowym obciążeniu (straty w rdzeniu) zależą głównie od materiału rdzenia. Nie są związane z obciążeniem roboczym i występują od chwili włączenia transformatora do sieci. Obejmują one straty histerezy i straty prądów wirowych. Można je porównać do transformatora ’s“metabolizm podstawowy „ podobnie jak telefon zużywa energię nawet wtedy, gdy nie prowadzisz rozmowy, transformator generuje straty przy zerowym obciążeniu, o ile jest podłączony do zasilania.

2.2 Materiał rdzenia jest decydującym czynnikiem

Tradycyjne transformatory wykorzystują zwykłe blachy ze stali krzemowej, dlatego straty przy zerowym obciążeniu pozostają wysokie. Straty w rdzeniu transformatorów z amorficznego stopu są o 70% niższe –o 80 % niższe niż w przypadku tradycyjnych transformatorów z rdzeniami ze stali krzemowej. W porównaniu z najnowszą generacją suchych transformatorów klasy 1 ze stali krzemowej najnowsze ultra-wysokosprawne transformatory z amorficznego stopu zmniejszają straty jałowe o 65,2 %.

2.3 Specjalne wyzwania w scenariuszach pozamacierzowych

Systemy pozamacierzowe często napotykają częste cykle obciążenia wysokiego i niskiego, co stawia wyższe wymagania względem stabilności obwodu magnetycznego transformatora. Straty jałowe nadal zużywają energię w okresach małego obciążenia i braku obciążenia, a właśnie w tych momentach magazynowanie energii w systemach pozamacierzowych jest najbardziej “obciążone. ”W skrajnych scenariuszach straty jałowe w systemach pozamacierzowych mogą zmusić do zwiększenia mocy paneli fotowoltaicznych i pojemności magazynowania energii w celu rekompensaty utraconej zdolności dostarczania energii “zużytej ”przez straty.

3. Obliczenie ekonomiczne, którego nie można zignorować

3.1 Model obliczania rocznego zużycia energii elektrycznej

Weźmy jako przykład transformator o mocy znamionowej 1000 kVA. Stratы jałowe różnią się znacznie w zależności od klasy efektywności energetycznej:

Uwaga: Roczne zużycie energii w stanie jałowym = straty w stanie jałowym ×8760 godzin. Rzeczywiste dane zależą od modelu produktu oraz stopnia obciążenia.

Modernizacja z klasy 3 do klasy 1 pozwala zaoszczędzić około 15 000 RMB rocznie na kosztach oleju napędowego w trybie rezerwowym wyłącznie ze strat w stanie jałowym.

3.2 Perspektywa kosztu cyklu życia (LCOE)

Chociaż transformatory klasy 1 mają wyższy początkowy koszt, ich straty w stanie jałowym są o 30% –o 50% niższe, co pozwala zaoszczędzić znaczną ilość kosztów energii elektrycznej w okresie eksploatacji trwającym 25 lat. Na przykład porównanie transformatora typu SCB14 (klasa 1) z transformatorami typu SCB11 (klasa 2) daje roczne oszczędności energii elektrycznej na poziomie 20 000 kWh. Początkowe inwestycje w stację transformatorową typu skrzynkowego klasy 1 są wyższe, jednak w scenariuszach pozamacierzowych oszczędności na kosztach energii elektrycznej znacznie przewyższają różnicę w cenie zakupu.

3.3 Współczynnik “Wzmocnienia ”w scenariuszach pozamacierzowych

Ceny energii elektrycznej (lub koszty rezerwowych agregatów spalinowych) w projektach pozamacierzowych są znacznie wyższe niż ceny energii elektrycznej w systemach przyłączonych do sieci. Przy koszcie rezerwowego zasilania dieslem wynoszącym 3 RMB/kWh transformator klasy 1 o mocy 1000 kVA pozwala zaoszczędzić około 75 000 RMB na kosztach energii elektrycznej związanych ze stratami w stanie jałowym w ciągu 5 lat w porównaniu z transformatorem klasy 3. Po uwzględnieniu strat transformatora oraz kabli wydajność energetyczna systemu pozamacierzowego może zostać zmniejszona o 2,3%. –4,6%. Te straty wymagają ostatecznie dodatkowej mocy fotowoltaicznej lub diesla w celu ich rekompensaty.

4. Jiangsu Unita ’rozwiązania optymalizacyjne strat przy braku obciążenia w systemach pozamacierzowych

4.1 Ulepszenie materiału rdzenia

Jiangsu Unita Electric ’specjalistyczne stacje transformatorowe typu skrzynkowego firmy Jiangsu Unita Electric wykorzystujące energię PV są wyposażone w uzwojenia całkowicie miedziane i spełniają standardy efektywności energetycznej klasy 1. Seria SCB13/S20 redukuje straty przy braku obciążenia o ponad 25% w porównaniu ze standardem krajowym; model o mocy 2500 kVA oszczędza rocznie ponad 30 000 kWh. W przypadku stacji transformatorowych typu skrzynkowego o dużej mocy opcjonalnie stosowane są rdzenie z amorficznych stopów żelaza, co pozwala na dalsze obniżenie strat przy braku obciążenia o kolejne 50%. Seria S20 wykorzystuje rdzenie z zimnowalcowanego stali krzemowej o wysokiej przepuszczalności oraz uzwojenia miedziane beztlowe o wysokiej czystości, co redukuje straty przy braku obciążenia o 15% –o 20% w porównaniu z serią S13, przy sprawności przekraczającej 99% w typowych zakresach obciążenia.

4.2 Optymalizacja procesu uzwojenia

Jiangsu Unita Electric stosuje wyłącznie projekt uzwojeń całkowicie miedzianych. Straty obciążeniowe wynoszą 25% –o 30% niższe niż uzwojenia z aluminium, lepsze odprowadzanie ciepła i dłuższy okres eksploatacji. Seria SCB13 wykorzystuje uzwojenia z miedzi beztlenowej oraz folii poliimidowej o odporności termicznej do 220 °°C, co pozwala na wytrzymanie wysokiego temperaturowego obciążenia przez kolejne 10 lat dłużej niż zwykłe przewodniki. W procesie produkcji stosowana jest jednolita metoda nachodzenia w 5 lub 7 krokach, poprawiająca strukturę ziarnistą materiału i skutecznie zmniejszająca straty histerezowe. Straty w stanie jałowym są niższe o 30%, a straty pod obciążeniem – o ponad 10%. “jednolita metoda nachodzenia w 5 lub 7 krokach ”straty w stanie jałowym są niższe o 30%, a straty pod obciążeniem – o ponad 10%.

4.3 Dostosowanie do konkretnych scenariuszy oraz adaptacja do ekstremalnych warunków środowiskowych

Projekty pozasieciowe są często wdrażane w odległych obszarach o surowych warunkach środowiskowych. Zhongmeng Electric oferuje dostosowane rozwiązania ochrony IP54/IP65 oraz ochrony przed korozją klasy C5-M dla złożonych warunków, takich jak tereny górskie, mgiełka solna przy wybrzeżu oraz burze piaskowe w pustyni, zapewniając stabilną pracę w zakresie temperatur od −40 °C do +55 °C. Dla obszarów wysokogórskich Zhongmeng dostosowuje wzmocnioną izolację + dwuwarstwową strukturę zapobiegającą kondensacji + inteligentny system kontroli temperatury. W projekcie fotowoltaicznym o mocy 200 MW na wysokości ponad 3800 m n.p.m. w Qinghai nie odnotowano żadnych awarii urządzeń w ciągu dwóch lat eksploatacji.

4.4 Dane potwierdzone w warunkach terenowych

Stacja transformatorowa typu „box” Jiangsu Unita, wprowadzona do eksploatacji w 2013 r. na elektrowni w północno-zachodnich Chinach, nadal charakteryzuje się utrzymującą się na poziomie 95 % pierwotnej wartości stratą mocy w rdzeniu żelaznym, podczas gdy inne marki na tej samej elektrowni wymieniły swoje rdzenie żelazne dwukrotnie. W elektrowni położonej na wyżynie tybetańskiej na wysokości 4500 m n.p.m. sprzęt Jiangsu Unita działa bezawaryjnie przez 8 lat, podczas gdy pobliska elektrownia ’marki s wymieniła swoją obudowę typu „box” trzykrotnie z powodu pęknięć spowodowanych niskimi temperaturami. Te przypadki potwierdzają długotrwałą niezawodność sprzętu Zhongmeng w ekstremalnych warunkach środowiskowych. ’długotrwałą niezawodność sprzętu Zhongmeng w ekstremalnych warunkach środowiskowych.

5. Kluczowe kwestie do rozważenia przy doborze transformatora podwyższającego dla systemów fotowoltaicznych off-grid

5.1 Najpierw klasa efektywności energetycznej

Wprowadzić w pierwszej kolejności produkty o klasie efektywności energetycznej 1 lub 2 zgodne ze standardem GB 20052-2024. Straty w stanie jałowym można zmniejszyć o 30% –50%. Weryfikacja za pomocą obu metod “etykiet efektywności energetycznej oraz pomiarowych danych rzeczywistych ”aby uniknąć “fałszywie wysoka efektywność ”produkty z fałszywymi ocenami.

5.2 Dobra dopasowanie mocy —Unikaj “Duży koń ciągnie mały wóz ”

Zbyt duża moc powoduje długotrwałą pracę przy niskim obciążeniu, przez co udział strat w stanie jałowym gwałtownie rośnie. Zbyt mała moc powoduje pracę przy przeciążeniu w szczytowym obciążeniu, a koszty napraw awaryjnych wynoszą 3–5 razy oszczędności początkowe na wyposażeniu . Standardową praktyką branżową jest doboru mocy stacji transformatorowej typu skrzynkowego na poziomie 1.1–1,3 raza mocy zainstalowanej fotowoltaiki . Pozwala to zaoszczędzić miejsce na degradację modułów, unikając przy tym skoków strat w stanie jałowym spowodowanych niskim obciążeniem. Na przykład projekt fotowoltaiczny o mocy 10 MW może wykorzystać stację transformatorową typu „box” o pojemności 11 –13 MVA.

5.3 Drzewo decyzyjne do wyboru materiału rdzenia

5.4 Zalecenia dotyczące doboru w oparciu o scenariusz

Stacje bazowe komunikacji zdalnej: Skup się na stratach w stanie jałowym i stopniu ochrony. Stacje bazowe pozamacierzowe zwykle wiążą się z wysokimi kosztami energii elektrycznej, a optymalizacja strat w stanie jałowym ma bezpośredni wpływ na opłacalność eksploatacji.

Mikrosieci pozamacierzowe: Muszą obsługiwać dwukierunkową konwersję oraz interfejsy magazynowania. Zaleca się uwzględnienie strat w stanie jałowym transformatora w obliczeniach pojemności magazynowania na etapie projektowania systemu, aby uniknąć niedostatecznej pojemności magazynowania spowodowanej stratami.

Wysokość nad poziomem morza / klimat skrajny: Skup się na dopasowaniu do temperatury oraz stopniu ochrony przed korozją. Urządzenia Zhongmeng mogą działać stabilnie w zakresie od −40 °C do +55 °°C, z opcjonalnymi stopniami ochrony IP54/IP65.

Wniosek

W systemach pozamacierzowych straty jałowe transformatora nie są “małą zmianą „ są to stałe koszty działające przez 24 godziny na dobę. Weźmy jako przykład transformator o mocy znamionowej 1000 kVA. W scenariuszu pozamacierzowym przy koszcie rezerwy diesla wynoszącym 3 RMB/kWh transformator klasy 1 w porównaniu z transformatorem klasy 3 pozwala zaoszczędzić ponad 75 000 RMB tylko w zakresie strat jałowych w ciągu 5 lat —co wystarcza na pokrycie różnicy w cenie zakupu produktu klasy 1 i jeszcze coś więcej.

Deweloperzy projektów pozamacierzowych powinni uwzględnić straty jałowe w ocenie całkowitych kosztów cyklu życia już na etapie doboru, a nie ograniczać się wyłącznie do ceny zakupu. Dla projektów pozamacierzowych już eksploatowanych warto również ocenić opłacalność wymiany transformatorów —szczególnie w przypadkach wysokich kosztów rezerwy diesla, gdzie okres zwrotu inwestycji w niskooporowe transformatory może być krótszy niż się spodziewa.