Zacznę od nakreślenia sytuacji — w zeszłym miesiącu siedziałem naprzeciwko kierownika projektu farmy wiatrowej w Iowa, który wpatrywał się w arkusz kalkulacyjny kosztów sprzętu, w którym w jednym wierszu oznaczono „transformator” z czerwonym znakiem zapytania obok „obniżenie napięcia typu suchego o 250 KVA”. Nie był pewien, czy planowana przez niego mała turbina wiatrowa o mocy 2,3 MW poradzi sobie z jednostką o mocy 250 KVA, i zdałem sobie sprawę, że to pytanie zadaję sobie co najmniej kilkanaście razy w tygodniu jako dostawca transformatorów suchych. Nie chodzi tylko o moc znamionową — systemy elektrowni wiatrowych charakteryzują się wyjątkowymi naprężeniami, które sprawiają, że standardowe specyfikacje transformatorów są szczegółem niepodlegającym negocjacjom, a nie tylko polem do sprawdzenia. Dzisiaj chcę omówić, czy transformator obniżający napięcie typu suchego o mocy 250 KVA sprawdza się w przypadku energii wiatrowej, co należy sprawdzić przed zakupem i dlaczego nasz zespół stwierdził, że ten rozmiar doskonale sprawdza się w określonych małych i średnich zastosowaniach wiatrowych.
Najpierw oprzyjmy to na tym, czego faktycznie wymaga system energetyki wiatrowej od transformatora, ponieważ ogólne etykiety „obniżające” nic nie znaczą, gdy mamy do czynienia ze zmienną energią odnawialną. Większość małych i średnich turbin wiatrowych (poniżej 5 MW, które stanowią większość rozproszonych projektów wiatrowych na lądzie w USA) działa przy średnim napięciu — zwykle 480 V, 600 V lub 13,8 kV, pochodzącym bezpośrednio z generatora turbiny i energoelektroniki. Zadanie transformatora jest tutaj dwojakie: obniżyć napięcie do poziomu, który jest bezpieczny i zgodny z systemem zbierania w gospodarstwie, punktem połączenia z siecią lub obciążeniem na miejscu (takim jak akumulatory, zasilanie pomocnicze do pracy turbin lub pobliskie obiekty komunalne). W przypadku rozproszonego projektu wiatrowego zasilającego firmę, farmę lub małą społeczność to zmniejszenie mocy ma kluczowe znaczenie.
Teraz liczba 250 KVA. Zacznijmy od obliczenia mocy — ponieważ jeśli szczytowa moc wyjściowa systemu wiatrowego przekracza moc znamionową transformatora, grozi to przegrzaniem, skróconą żywotnością i częstymi wyłączeniami. Częstym błędem, jaki widzę wśród zespołów projektowych, jest po prostu dopasowywanie mocy znamionowej turbiny do mocy KVA transformatora, choć energia wiatrowa jest zmienna. Turbiny nie pracują z pełną wydajnością 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu; turbina o mocy 2 MW może w ciągu roku osiągać średnio 30–40% swojej mocy znamionowej, ale podczas silnych wiatrów może ona wzrosnąć do 100%. Kiedy więc 250 KVA miałoby tutaj sens? Załóżmy, że masz małą turbinę wiatrową o mocy 300 kW (czyli 0,3 MW lub 300 KVA przy współczynniku mocy jedności) zasilającą mikrosieć lub obciążenie lokalne — nagle transformator o mocy 250 KVA jest prawie idealnym rozwiązaniem, pod warunkiem, że uwzględnisz sporadyczne niewielkie skoki mocy i nie dodasz później większej mocy. Ale czekaj, zawsze mówię zespołom, aby pozostawiły 10-15% bufora dla zmiennych obciążeń i tolerancji między połączeniami siatki. W przypadku większej turbiny, powiedzmy jednostki o mocy 1 MW, potrzebujesz większej jednostki — takiej jak nasz transformator suchy o mocy 1000 KVA, który jest zbudowany tak, aby wytrzymać wyższe skoki mocy i zmienne obciążenie wiatrem. Nie oznacza to, że moc 250 KVA jest bezużyteczna w przypadku większych projektów, po prostu nie jest odpowiednia do głównego układu obniżania mocy turbiny, którym zwykle jest transformator o największej mocy na miejscu.
Gdzie transformator obniżający napięcie typu suchego o mocy 250 KVArobipołysk w systemach wiatrowych ma zastosowanie pomocnicze i zbierające. Większość farm wiatrowych – nawet tych małych – potrzebuje dodatkowego zasilania do systemów sterowania turbiną, oświetlenia, ogrzewania i chłodzenia w gondoli, a także zasilania urządzeń komunikacyjnych zapewniających połączenie farmy. To obciążenie pomocnicze wynosi zwykle tylko kilka KVA na turbinę, ale jeśli masz ciąg 5-6 małych turbin, łączne obciążenie pomocnicze może osiągnąć 100-150 KVA, a transformator 250 KVA z łatwością sobie z tym poradzi, plus będzie miejsce na przyszłą rozbudowę. Inne miejsce: jeśli twój system wiatrowy jest połączony z magazynowaniem energii w akumulatorze, obniżenie napięcia pomiędzy falownikiem akumulatorowym a obciążeniem obiektu lub połączeniem pośrednim może być niższą jednostką KVA, a 250 jest tam powszechnym optymalnym punktem. Pracowałem także przy projektach wiatrowych w budynkach mieszkalnych i rolniczych, gdzie celem było zasilanie domu lub farmy, a nie zasilanie ogromnej sieci — w tym przypadku jednostka o mocy 250 KVA jest często odpowiedniej wielkości, ponieważ całkowite obciążenie na miejscu rzadko przekracza 200 KVA, nawet przy szczytowej mocy turbiny wiatrowej.
Ale tutaj jest pewien haczyk, zwłaszcza w przypadku transformatorów suchych, dlatego są one tak popularne w przypadku elektrowni wiatrowych (nie używają palnego oleju, więc są bezpieczniejsze w zamkniętych gondolach, na podwórkach rolniczych lub w pobliżu obszarów mieszkalnych), ale także dlatego, że nie można po prostu wybrać dowolnej jednostki o mocy 250 KVA. Transformatory wiatrowe muszą radzić sobie ze zniekształceniami harmonicznymi, które są produktem ubocznym napędów o zmiennej częstotliwości i przetwornic mocy w nowoczesnych turbinach wiatrowych. Kiedy energia jest generowana ze zmienną prędkością dostosowaną do wiatru, falowniki przekształcają ją w prąd przemienny zgodny z siecią, a proces ten powoduje powstawanie harmonicznych – dodatkowych fal prądu, które nie są zgodne z częstotliwością główną, co może przegrzać transformatory, jeśli nie są one przeznaczone do ich obsługi. Standardowe transformatory suche mogą mieć współczynnik „harmonicznych”, ale transformatory wiatrowe są zbudowane z dodatkową izolacją i większymi przewodnikami, aby to złagodzić. Nasze jednostki obniżające typu suchego o mocy 250 KVA są zaprojektowane z izolacją klasy 200 i współczynnikiem obciążenia harmonicznymi 1,5, co oznacza, że mogą wytrzymać o 50% większe obciążenie od harmonicznych bez przegrzania – coś, co szczegółowo przetestowaliśmy w zeszłym roku z regionalnym producentem turbin wiatrowych. Jeśli zdecydowałbyś się na tańszą, standardową jednostkę o mocy 250 KVA, która nie jest przystosowana do harmonicznych, będziesz mieć o 10–15% krótszą żywotność w środowisku wiatrowym, co jest dużą sprawą, gdy transformatory dla elektrowni wiatrowych muszą wytrzymać 25–30 lat.
Kolejny czynnik: miejsce instalacji. Transformatory suche można instalować wewnątrz lub na zewnątrz, ale w zastosowaniach wiatrowych jednostki zewnętrzne muszą wytrzymywać ekstremalne temperatury, wilgoć, kurz, a nawet okazjonalnie słone powietrze, jeśli znajduje się na przybrzeżnej farmie wiatrowej. Nasze jednostki o mocy 250 KVA są wyposażone w opcjonalne obudowy odporne na warunki atmosferyczne i powłoki odporne na korozję, co jest koniecznością w przypadku górskich i przybrzeżnych lokalizacji wiatrowych. Na przykład farma wiatrowa w północnej Minnesocie, którą dostarczyliśmy, wykorzystuje nasze jednostki zewnętrzne o mocy 250 KVA do obniżenia napięcia 13,8 kV z turbiny o mocy 1,5 MW do napięcia 480 V dla lokalnego budynku farmy — działają one bez zarzutu przez 18 miesięcy, nawet podczas zim o temperaturze -20°F. W tym samym projekcie do głównego obniżenia zastosowano większą jednostkę: nasz transformator suchy o mocy 1600 KVA, który jest zbudowany tak, aby obsłużyć pełną moc wyjściową turbiny o mocy 1,5 MW, przy podobnych parametrach harmonicznych i środowiskowych.
Wiem, co niektórzy z Was myślą: dlaczego nie zastosować mniejszych rozmiarów, jak transformator suchy o mocy 80 KVA, do obciążeń pomocniczych? W przypadku małych systemów z jedną turbiną zasilających tylko dom może to działać, ale jeśli dodasz do obiektu mały podgrzewacz wody, warsztat lub zestaw paneli słonecznych, szybko przerośniesz 80 KVA. Zasilacz o mocy 250 KVA jest wystarczająco wszechstronny, aby obsłużyć zarówno podstawowe zasilanie pomocnicze, jak i niewielkie zmniejszenie mocy głównej, nie będąc przy tym przesadą, jak nasz transformator suchy o mocy 2500 KVA, który jest przeznaczony dla farm wiatrowych o mocy ponad 10 MW na skalę przemysłową. Projekty na skalę użyteczności publicznej wymagają jednostek, które poradzą sobie z ogromnymi, stałymi obciążeniami i wymaganiami dotyczącymi połączeń sieciowych, dlatego właściwym wyborem będzie 2500 KVA, a nie 250 KVA.
Poczekaj, porozmawiajmy o wymaganiach dotyczących połączeń międzysieciowych, ponieważ to duża część energii wiatrowej, którą ludzie przeoczają. Jeśli system wiatrowy jest podłączony do sieci elektroenergetycznej, transformator musi spełniać standardy połączeń wzajemnych zakładu, które często obejmują takie elementy, jak regulacja napięcia, obsługa prądu zwarciowego i limity hałasu. Transformatory suche są cichsze niż transformatory olejowe, co jest zaletą w przypadku projektów wiatrowych w pobliżu obszarów mieszkalnych — dopuszczalne poziomy hałasu są duże, a nasze jednostki o mocy 250 KVA są zaprojektowane tak, aby pracować przy poziomie mniejszym niż 55 dB w odległości 1 metra, co spełnia większość lokalnych przepisów dotyczących hałasu dla małych elektrowni wiatrowych. Inną sprawą jest obsługa prądu zwarciowego: turbiny wiatrowe mogą generować wysokie prądy zwarciowe podczas zakłóceń w sieci, a transformator musi być w stanie to wytrzymać bez awarii. Nasze jednostki o mocy 250 KVA mają wytrzymałość zwarciową 25 kA, co jest więcej niż wystarczające dla większości rozproszonych punktów połączeń sieci wiatrowej.
Zestawmy to wszystko z przykładami z życia wziętymi, ponieważ specyfikacje są świetne, ale rzeczywista wydajność jest lepsza. W zeszłym roku deweloper z Ohio skontaktował się z nami w sprawie małej turbiny wiatrowej o mocy 400 kW dla lokalnej szkoły podstawowej i próbował wybrać między transformatorem o mocy 200 KVA a 250 KVA. Całkowite obciążenie na miejscu wynosiło 180 KVA, ale chcieli zostawić miejsce na późniejsze dodanie małego systemu magazynowania akumulatorów, który dodałby kolejne 50 KVA. Poleciliśmy naszą jednostkę obniżającą typu suchego o mocy 250 KVA i oto dlaczego: poradzi sobie ona ze szczytową mocą wyjściową turbiny wynoszącą 400 KVA (czekaj, bez korekty, moc znamionowa turbiny wynosi 400 kW, więc przy współczynniku mocy 0,8 to 500 KVA? Nie, poczekajmy, wyjaśnijmy obliczenia współczynnika mocy dla przejrzystości: moc rzeczywista (kW) = moc pozorna (KVA) x współczynnik mocy. Większość wiatrów turbiny działają przy współczynniku mocy 0,95, więc turbina o mocy 400 kW ma około 421 KVA Och, zgadza się, więc w tym przypadku główne obniżenie mocy musiałoby wynosić co najmniej 450 KVA, ale czekaj – nie, ta szkoła podstawowa używała turbiny wiatrowej do kompensowania podstawowego obciążenia szkoły, a nie bezpośrednio zasilała całą moc turbiny. Miała system podłączony do sieci, więc kiedy wieje silny wiatr, dostarczają nadwyżkę mocy do sieci i kiedy tak nie jest, pobierają energię z sieci, więc ich transformator obniżał napięcie z międzysieci 12,47 kV na napięcie 480 V używane przez szkołę, a turbina wiatrowa była podłączona do strony niskiego napięcia tego transformatora, więc obciążenie transformatora stanowiło połączenie podstawowego obciążenia szkoły (150 kVA) i mocy wyjściowej turbiny wiatrowej (do 421 kVA), a nadwyżka trafiała do sieci Jednostka KVA, ale poczekaj — mieli małą pomocniczą podstację, więc potrzebowali oddzielnego transformatora do sterowania gondoli turbiny wiatrowej i tam właśnie pojawił się 250 KVA. Ten pomocniczy transformator obsługuje 5 KVA z gondoli plus 10 KVA na sprzęt komunikacyjny i pozostawia 235 KVA na przyszłe obciążenia pomocnicze, takie jak ładowarki pojazdów elektrycznych dla personelu szkolnego. To jest dokładnie ten przypadek użycia, w którym jednostka sucha o mocy 250 KVA jest idealna – mała, ukierunkowane obciążenia, przestrzeń do wzrostu i zgodność z unikalnymi wymaganiami wiatru.
Inny przykład: farma wiatrowa w Teksasie z trzema turbinami o mocy 1,2 MW, która potrzebowała transformatorów pomocniczych do układów sterowania i urządzeń komunikacyjnych każdej turbiny. Obciążenie pomocnicze każdej turbiny wynosi 15 KVA, więc trzy turbiny to 45 KVA, plus centralne obciążenie pomocnicze 80 KVA dla warsztatu konserwacyjnego i biura gospodarstwa. Łączna moc wynosi 125 KVA, zatem jednostka o mocy 250 KVA zapewnia im mnóstwo miejsca na dodanie czujników, stacji pogodowych lub zasilanie rezerwowe sterowni. W ramach tego projektu do głównego obniżenia napięcia wykorzystywane są nasze większe jednostki: transformator suchy o mocy 1000 KVA dla każdej turbiny, obniżający napięcie z 34,5 kV do 480 V oraz centralny transformator suchy o mocy 2000 KVA do łączenia mocy ze wszystkich trzech turbin przed wprowadzeniem jej do sieci. Ma to sens, ponieważ pełna moc wyjściowa każdej turbiny wynosi 1200 kW (1263 KVA przy 0,95 PF), zatem jednostka o mocy 1000 KVA wystarczy do zapewnienia ciągłej mocy turbiny, z miejscem na skoki, a jednostka centralna jest dobrana na łączną moc wyjściową ~3,6 MW.
Kiedy więc stosuje się transformator obniżający napięcie typu suchego o mocy 250 KVAniewłaściwy wybór dla energetyki wiatrowej? Jeśli budujesz farmę wiatrową na skalę przemysłową z turbinami o mocy powyżej 2 MW, główny transformator obniżający będzie znacznie większy — dostarczyliśmy jednostki o mocy 2500 KVA do projektów z turbinami o mocy 3 MW, ponieważ turbiny te wytwarzają około 3150 KVA przy pełnej mocy, więc potrzebujesz jednostki, która sobie z tym poradzi. Jeśli masz projekt, w którym zamierzasz podłączyć całą moc wyjściową turbiny o mocy 1 MW do transformatora obniżającego napięcie (bez połączenia z siecią, tylko obciążenie na miejscu), moc 250 KVA jest zdecydowanie za mała — potrzebujesz co najmniej jednostki 1250 KVA lub naszej jednostki 1600 KVA, jeśli potrzebujesz dodatkowego bufora. Jeśli planujesz używać transformatora z pełną lub niemal pełną wydajnością przez całą dobę, 7 dni w tygodniu, transformator o mocy 250 KVA może nie być wystarczająco trwały do długoterminowego, zmiennego obciążenia energii wiatrowej, chociaż dzięki naszemu specjalistycznemu projektowi widzieliśmy, że wytrzymują one 25 lat nawet przy 90% mocy znamionowej.
Poczekaj, rozwiążmy powszechny mit: niektórzy uważają, że transformatory suche są mniej wydajne niż olejowe, ale w przypadku mniejszych mocy KVA, takich jak 250 KVA, różnica w wydajności jest znikoma — nasze jednostki suche o mocy 250 KVA mają sprawność na poziomie 99,2%, co jest porównywalne z jednostkami wypełnionymi olejem, a oszczędności wynikające z ograniczonej konserwacji (brak testów oleju, brak wycieków płynów) sprawiają, że są one lepszą długoterminową inwestycją dla elektrowni wiatrowych, które często są odległe i trudne do znalezienia dostęp do wymiany oleju. To duży plus w przypadku rozproszonej energetyki wiatrowej, gdzie lokalizacja może znajdować się kilka mil od najbliższej drogi, dlatego potrzebny jest sprzęt wymagający jak najmniejszej konserwacji.
A teraz najważniejsze kontrole, które powinieneś wykonać przed wyborem suchego transformatora obniżającego napięcie o mocy 250 KVA do swojego projektu wiatrowego: Najpierw oblicz całkowite obciążenie pozorne, w tym moc wyjściową turbiny wiatrowej, obciążenia pomocnicze i wszelkie przyszłe dodatki — dodaj 10–15% bufora, więc jeśli całkowite zapotrzebowanie wynosi 200 KVA, 250 KVA będzie idealne. Po drugie, sprawdź wartość harmonicznych: upewnij się, że transformator jest zaprojektowany do obciążeń nieliniowych z falowników wiatrowych, więc szukaj współczynnika harmonicznych co najmniej 1,3, najlepiej 1,5, jak nasze jednostki. Po trzecie, sprawdź parametry środowiskowe: jeśli używasz urządzenia na zewnątrz, poszukaj obudowy NEMA 3R lub 4, odporności na korozję w przypadku obiektów przybrzeżnych lub przemysłowych oraz parametrów temperaturowych dostosowanych do lokalnego klimatu. Po czwarte, sprawdź wymagania dotyczące połączeń sieciowych lub przepisów lokalnych: niektóre media wymagają określonych parametrów zwarciowych lub poziomów hałasu, więc upewnij się, że Twoje urządzenie je spełnia.
Ostatecznie transformator obniżający napięcie typu suchego o mocy 250 KVA może być całkowicie zastosowany w systemie energetyki wiatrowej – wystarczy wybrać dla niego odpowiednie zastosowanie. Nie jest przeznaczony do głównego obniżania pełnej mocy wyjściowej dużej turbiny, ale idealnie nadaje się do obciążeń pomocniczych, małych rozproszonych projektów wiatrowych zasilających domy lub małe firmy oraz jako rezerwa dla większych systemów wiatrowych. Dostarczyliśmy dziesiątki tych jednostek do projektów wiatrowych w całych Stanach Zjednoczonych i stale przewyższają one tańsze, niewyspecjalizowane transformatory, ponieważ projektujemy je specjalnie pod kątem unikalnych wymagań systemów energii odnawialnej.
Jeśli planujesz projekt dotyczący energetyki wiatrowej i chcesz omówić, czy suchy transformator obniżający napięcie o mocy 250 KVA jest odpowiedni dla Twoich potrzeb, lub chcesz poznać pełną gamę naszych transformatorów wiatrowych (od naszych kompaktowych jednostek 80 KVA do małych instalacji mieszkalnych po nasze solidne jednostki 2500 KVA do gospodarstw użyteczności publicznej), nie wahaj się i skontaktuj się z nami, aby uzyskać konsultację. Współpracujemy z wykonawcami projektów, inżynierami i instalatorami w całym kraju, aby dopasować odpowiedni transformator do ich specyficznych potrzeb w zakresie systemów wiatrowych, niezależnie od wielkości.
Referencje
- Departament Energii USA. (2022). Raport o rozproszonym rynku energii wiatrowej: edycja 2022. Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej.
- Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników. (2019). Standard IEEE dla transformatorów dystrybucyjnych i mocy typu suchego. Standard IEEE C57.12.00-2019.
- Europa Wiatru. (2021). Wymagania techniczne dotyczące integracji sieciowej energetyki wiatrowej. Publikacja Wiatr Europa.
- Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych. (2020). Przewodnik stosowania transformatorów suchych w systemach energii odnawialnej. Publikacja NEMA TP 1-2020.
