การวางแผนสถานีแปลงไฟฟ้าไมโครกริดพลังงานแสงอาทิตย์: จากเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์สู่พลังงานที่พร้อมเชื่อมต่อกับระบบสายส่ง

ไมโครกริดพลังงานแสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีหรือล้มเหลวขึ้นอยู่กับจุดเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่อ่อนแอที่สุด สถานีหม้อแปลงเพิ่มแรงดันมักไม่ใช่ส่วนประกอบที่มองเห็นได้ชัดเจนที่สุด แต่กลับเป็นตัวกำหนดว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะสามารถจ่ายพลังงานที่มีเสถียรภาพไปยังจุดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายได้หรือไม่ — และระบบนั้นจะยังคงทำงานต่อได้ในโหมดเกาะ (islanded operation) แม้เมื่อระบบจำหน่ายหลักหยุดให้บริการ

ลำดับขั้นตอนของการรวบรวมและเพิ่มแรงดัน

อินเวอร์เตอร์ส่งออกกระแสสลับที่แรงดัน 480 โวลต์ หรือ 600 โวลต์ ซึ่งพลังงานแรงดันต่ำนี้จำเป็นต้องถูกเพิ่มขึ้นเป็นระดับแรงดันกลาง (medium-voltage) เพื่อการรวบรวม — โดยทั่วไปคือ 13.8 กิโลโวลต์, 24.9 กิโลโวลต์ หรือ 34.5 กิโลโวลต์ — ก่อนที่จะเข้าสู่สถานีไฟฟ้าย่อยหรือจุดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่าย (PCC) แต่ละบล็อกหรือกลุ่มของอินเวอร์เตอร์จะจ่ายพลังงานไปยังหม้อแปลงเพิ่มแรงดันเฉพาะตัว ซึ่งมักบรรจุอยู่ในสถานีไฟฟ้าย่อยแบบตู้ (box-type substation) การออกแบบลำดับขั้นตอนนี้ให้เหมาะสมจึงหมายถึงการพิจารณาหม้อแปลงเป็นองค์ประกอบหนึ่งของการออกแบบอย่างแข้งขัน ไม่ใช่เพียงรายการสินค้าที่เลือกจากแคตตาล็อกแบบพาสซีฟ

การคำนวณขนาดและการเลือกหม้อแปลง

ข้อผิดพลาดทั่วไปคือการรวมกำลังไฟฟ้าตามป้ายชื่อของอินเวอร์เตอร์แล้วสั่งซื้อหม้อแปลงที่มีขนาดกิโลโวลต์-แอมแปร์มาตรฐานที่ใกล้เคียงที่สุด ตามแนวปฏิบัติในอุตสาหกรรม ควรเลือกขนาดหม้อแปลงให้ใหญ่กว่าผลรวมของกำลังไฟฟ้ากระแสสลับของอินเวอร์เตอร์ 10–20% เพื่อรับมือกับจุดสูงสุดของความเข้มแสงแดดและผลกระทบจากขอบเมฆ สำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมัน ควรใช้งานที่โหลดไม่เกิน 80% เพื่อควบคุมการเสื่อมสภาพของฉนวนภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิรายวัน หม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมันยังคงเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับโครงการโซลาร์ฟาร์มขนาดใหญ่ที่ติดตั้งบนพื้นดิน เนื่องจากมีต้นทุนเริ่มต้นต่ำกว่าและระบายความร้อนได้ดีกว่าหม้อแปลงแบบแห้ง อย่างสำคัญ หน้าที่ของหม้อแปลงแบบเพิ่มแรงดัน (step-up) ไม่ใช่การใช้งานแบบย้อนกลับของหม้อแปลงแบบลดแรงดัน (step-down): ต้องตรวจสอบการจ่ายไฟให้ขดลวด การจัดเรียงแท็ป และระบบกราวด์ให้สอดคล้องกับเงื่อนไขการส่งออกอย่างเคร่งครัด ไม่ใช่สมมุติเอา ดังนั้นสถานีหม้อแปลงสำหรับไมโครกริดพลังงานแสงอาทิตย์จึงจำเป็นต้องใช้หม้อแปลงที่ระบุว่าออกแบบมาสำหรับการรับโหลดเกินช่วงเวลาสั้นๆ ซ้ำๆ (cyclic overload) ไม่ใช่การออกแบบสำหรับโหลดพื้นฐานแบบต่อเนื่อง

ระบบป้องกันและระบบกราวด์

มาตรฐาน IEEE 1547 กำหนดให้หม้อแปลงเพิ่มแรงดันสำหรับ DER ต้องรักษาการต่อสายดินแบบมีจุดศูนย์กลางไว้ที่ฝั่ง EPS และการต่อสายดินอย่างมีประสิทธิภาพนี้ต้องคงอยู่แม้ในโหมดเกาะ (islanded mode) รีเลย์ตรวจจับกระแสเกินและรีเลย์ตรวจจับกระแสลัดวงจรลงดิน (50/51, 50N/51N) ต้องสอดคล้องกับฟังก์ชันป้องกันการเกาะของอินเวอร์เตอร์ ทั้งนี้ หม้อแปลงต้องสามารถทนต่อเหตุขัดข้องได้นานพอที่ระบบป้องกันระดับล่างจะตัดวงจรออกได้โดยไม่เกิดการตัดโดยไม่จำเป็น

โครงสร้างตู้ภายนอก การออกแบบด้านความร้อน และการป้องกันการแทรกซึมของสิ่งสกปรก

สถานีไฟฟ้าย่อยแบบตู้ (box-type substation) ที่ตั้งอยู่กลางแจ้ง ต้องรับมือกับแสงแดด ฝุ่น และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังนั้น ระดับการป้องกัน IP54 สำหรับช่องแรงดันสูงและช่องแรงดันต่ำจึงถือเป็นค่าพื้นฐานที่เหมาะสม ในขณะที่ถังน้ำมันและซีลสำคัญอาจต้องใช้ระดับ IP68 ด้านการออกแบบความร้อนมีความสำคัญไม่แพ้ค่า IP: การระบายความร้อนแบบ ONAN พร้อมแผงระบายความร้อนที่ออกแบบให้มีประสิทธิภาพ การระบายอากาศระดับต่ำ และการบังแสงบริเวณช่องแรงดันต่ำ จะช่วยควบคุมอุณหภูมิของน้ำมันส่วนบนไม่ให้เพิ่มสูงเกินขีดจำกัดแม้ในช่วงพีคของฤดูร้อน สำหรับสถานที่ริมชายฝั่งหรือพื้นที่ที่มีฝุ่นมาก การใช้ตู้ที่มีค่า IP65 ร่วมกับวัสดุเคลือบป้องกันการกัดกร่อนมักเป็นสิ่งจำเป็น

จากเอกสารข้อมูลจำเพาะ (datasheet) ไปจนถึงคำสั่งซื้อ (purchase order)

กระบวนการจัดซื้อที่เชื่อถือได้เริ่มต้นด้วยข้อกำหนดทางเทคนิคที่ระบุค่า kVA อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้า ความต้านทานย่อย (impedance) กลุ่มเวกเตอร์ (vector group) ช่วงการปรับแต่ง (tap range) การสูญเสียพลังงาน ฟังก์ชันการป้องกัน และระดับการป้องกันของเปลือกหุ้ม (enclosure rating) อย่างชัดเจน — ไม่ใช่เพียงแค่ราคาต่อหน่วยเท่านั้น การประเมินใบเสนอราคาควรให้น้ำหนักกับความสอดคล้องทางเทคนิคอย่างเท่าเทียมกับเงื่อนไขเชิงพาณิชย์ และการทดสอบรับรองที่โรงงาน (factory acceptance tests) ซึ่งรวมถึงการทดสอบทั่วไป การตรวจสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ (temperature-rise verification) และการปรับค่ารีเลย์ป้องกัน (protection relay calibration) ควรได้รับการสังเกตการณ์หรือบันทึกไว้อย่างเป็นทางการก่อนจัดส่ง สิ่งนี้คือจุดที่ผู้จัดจำหน่ายที่มีความสามารถแบบบูรณาการทั้งหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมันและอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ (switchgear) เช่น แพลตฟอร์มหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมันประสิทธิภาพสูงรุ่น S20/S22 และสถานีจ่ายไฟฟ้าแบบกล่องสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (photovoltaic box substations) ของบริษัท Zhongmeng สามารถลดช่องว่างระหว่างตารางพารามิเตอร์กับสถานีหม้อแปลงสำหรับไมโครกริดพลังงานแสงอาทิตย์ที่พร้อมใช้งานจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ สถานีเพิ่มแรงดัน (step-up station) ไม่ใช่สินค้าทั่วไป แต่เป็นจุดเชื่อมต่อที่ควบคุมได้ระหว่างแหล่งกำเนิดพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ (intermittent source) กับโครงข่ายไฟฟ้าที่คาดหวังความแน่นอน

ชั้นของอุปกรณ์และการยืนยันก่อนการซื้อ

ห่วงโซ่การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบ่งออกเป็นสามชั้นของอุปกรณ์ โดยแต่ละชั้นต้องกำหนดค่าข้อกำหนดทางเทคนิคให้แน่นอนก่อนที่จะออกใบสั่งซื้อ

ชั้นที่ 1 — อินเวอร์เตอร์และฝั่งแรงดันต่ำ

อินเวอร์เตอร์จ่ายกระแสสลับที่แรงดัน 480 โวลต์ หรือ 600 โวลต์ โดยแต่ละบล็อกหรือกลุ่มอินเวอร์เตอร์จ่ายพลังงานไปยังหม้อแปลงแบบเพิ่มแรงดันเฉพาะที่บรรจุอยู่ในชั้นนี้

ชั้นที่ 2 — การรวมพลังงานที่แรงดันกลาง

พลังงานฝั่งแรงดันต่ำถูกเพิ่มแรงดันขึ้นเป็น 13.8 กิโลโวลต์ 24.9 กิโลโวลต์ หรือ 34.5 กิโลโวลต์ มักทำภายในสถานีไฟฟ้าย่อยแบบกล่อง ก่อนส่งต่อไปยังสถานีไฟฟ้าย่อยหรือจุดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่าย

ชั้นที่ 3 — สถานีไฟฟ้าย่อยและจุดเชื่อมต่อกับระบบ

ชั้นนี้ประกอบด้วยการต่อสายดินตามรูปแบบที่ระบุไว้ด้าน EPS ตามมาตรฐาน IEEE 1547 รีเลย์ชนิด 50/51 และ 50N/51N รวมทั้งอินเทอร์เฟซที่แหล่งกำเนิดพลังงานแบบไม่ต่อเนื่องต้องแสดงพฤติกรรมที่คาดการณ์ได้ต่อระบบไฟฟ้า

รายการตรวจสอบข้อที่ 1 — แผ่นป้ายชื่อและพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า

ค่ากำลังวัตต์-แอมแปร์ (kVA) ที่ระบุบนแผ่นป้ายควรตั้งไว้สูงกว่าผลรวมของค่ากำลัง AC ของอินเวอร์เตอร์ทั้งหมด 10–20% พร้อมระบุอัตราส่วนแรงดัน ค่าความต้านทานแม่เหล็ก (impedance) และกลุ่มเวกเตอร์

รายการตรวจสอบข้อที่ 2 — ช่วงการปรับแต่งแทป (tap range) และการรับประกันค่าสูญเสีย

ตรวจสอบช่วงการแตะ (tap range) ตามเงื่อนไขการส่งออกจริง ไม่ใช่ค่าที่สมมุติจากภาระแบบลดขั้น (step-down duty) โดยระบุค่าการสูญเสียที่รับประกันไว้ในข้อกำหนดอย่างชัดเจน

รายการตรวจสอบข้อที่ 3 — ฟังก์ชันการป้องกันและการประสานงาน

รีเลย์ป้องกันกระแสเกินและกระแสลัดวงจรลงดิน (50/51, 50N/51N) ถูกปรับให้สอดคล้องกับระบบป้องกันการเกาะตัว (anti-islanding) ของอินเวอร์เตอร์ โดยมีความสามารถในการคงสถานะทำงานผ่านเหตุขัดข้อง (fault ride-through) นานพอที่จะให้อุปกรณ์ด้านปลายน้ำสามารถตัดวงจรได้

รายการตรวจสอบข้อที่ 4 — ตู้ครอบหุ้ม การระบายความร้อน และหลักฐานจากการทดสอบ

ระดับการป้องกัน IP54 สำหรับช่องแรงสูงและแรงต่ำเป็นค่าพื้นฐาน, IP68 สำหรับถังน้ำมันและซีลสำคัญ, IP65 สำหรับพื้นที่ชายฝั่งหรือพื้นที่ที่มีฝุ่นมาก, การระบายความร้อนแบบ ONAN พร้อมการทดสอบประจำที่มีผู้สังเกตการณ์, การยืนยันการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ และการปรับเทียบค่ารีเลย์

สถานการณ์การใช้งานจริงและการจับคู่อุปกรณ์

หมายเหตุ: ข้อกำหนดและรูปแบบการติดตั้งข้างต้นอ้างอิงจากประเด็นเชิงเทคนิคในบทความนี้เท่านั้น รุ่นของผู้ขายที่ระบุไว้สอดคล้องกับแพลตฟอร์มหม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมัน S20/S22 ที่กล่าวถึงในบทความ

คำถามที่พบบ่อย.

เหตุใดจึงต้องเลือกขนาดหม้อแปลงไฟฟ้าให้ใหญ่กว่าผลรวมของกำลังไฟฟ้าที่ระบุบนแผ่นชื่อของอินเวอร์เตอร์

การรวมกำลังไฟฟ้าที่ระบุบนแผ่นชื่อทั้งหมดแล้วสั่งซื้อหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีค่า kVA ใกล้เคียงที่สุดนั้นเป็นความเข้าใจผิดที่พบบ่อย แนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมคือการเลือกขนาดหม้อแปลงไฟฟ้าให้ใหญ่กว่าผลรวมของกำลังไฟฟ้า AC ที่ระบุบนแผ่นชื่อของอินเวอร์เตอร์ 10–20% เพื่อรองรับยอดสูงสุดของความเข้มแสงอาทิตย์ (irradiance peaks) และผลกระทบจากขอบเมฆ (cloud-edge effects)

เหตุใดจึงจำกัดการโหลดหม้อแปลงไฟฟ้าแบบจุ่มน้ำมันไม่ให้เกิน 80%

เพื่อจัดการกับการเสื่อมสภาพของฉนวนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแต่ละวัน ภาระงานแบบเพิ่มแรงดันเป็นภาระเกินแบบเป็นคาบ ไม่ใช่ภาระพื้นฐานแบบต่อเนื่อง ดังนั้นภาระงานควรอยู่ที่ร้อยละ ๘๐ หรือต่ำกว่าสำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมัน

สามารถนำหม้อแปลงแบบลดแรงดันมาใช้งานย้อนกลับเพื่อเพิ่มแรงดันได้หรือไม่

ไม่ได้ ต้องตรวจสอบการจ่ายไฟให้ขดลวด การจัดเรียงแท็ป และระบบกราวด์ให้สอดคล้องกับเงื่อนไขการส่งออก แทนที่จะสมมุติจากกรณีการใช้งานย้อนกลับของหม้อแปลงแบบลดแรงดัน

มาตรฐาน IEEE 1547 กำหนดข้อกำหนดเกี่ยวกับระบบกราวด์และระบบป้องกันอย่างไร

ต้องใช้การต่อกราวด์แบบมีจุดเชื่อมต่อที่ฝั่ง EPS ซึ่งยังคงมีผลแม้ในโหมดเกาะ (islanded mode) รีเลย์ตรวจจับกระแสเกินและกระแสลัดวงจรลงดิน (50/51, 50N/51N) ต้องประสานงานกับฟังก์ชันป้องกันการเกาะตัวของอินเวอร์เตอร์ (anti-islanding) และหม้อแปลงต้องสามารถทนต่อเหตุขัดข้องได้นานพอที่ระบบป้องกันด้านโหลดจะตัดวงจรได้โดยไม่เกิดการตัดโดยไม่จำเป็น (nuisance tripping)

สถานีย่อยแบบกล่องติดตั้งกลางแจ้งควรระบุค่าการป้องกันการแทรกซึม (ingress protection) และค่าการระบายความร้อนอย่างไร

ระดับการป้องกัน IP54 สำหรับช่องแบตเตอรี่แรงสูง (HV) และช่องระบบไฟฟ้าแรงต่ำ (LV) เป็นมาตรฐานพื้นฐานที่ใช้งานได้จริง โดยมีระดับการป้องกัน IP68 สำหรับถังน้ำมันและซีลที่สำคัญ ระบบระบายความร้อนแบบ ONAN พร้อมหม้อน้ำที่ออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูง การระบายอากาศระดับต่ำ และการบังแสงสำหรับช่องระบบไฟฟ้าแรงต่ำ (LV) ช่วยควบคุมอุณหภูมิของน้ำมันส่วนบนไม่ให้เพิ่มสูงเกินขีดจำกัดในช่วงฤดูร้อนที่มีภาระสูงสุด สำหรับสถานที่ตั้งใกล้ชายฝั่งหรือบริเวณที่มีฝุ่นมาก มักจำเป็นต้องใช้ตู้ครอบระดับ IP65 พร้อมเคลือบผิวที่ทนต่อการกัดกร่อน