Máy biến áp phân phối trong lưới điện hai chiều: Nhu cầu mới về sạc EV và bố trí quang điện phân tán trên một thiết bị được xây dựng theo một hướng

Một máy biến áp phân phối được chế tạo cho một công việc: giảm điện áp và ngắt điện. Việc sạc xe điện và năng lượng mặt trời trên mái nhà hiện yêu cầu nó làm điều ngược lại hai lần một ngày. Việc đáp ứng nhu cầu đó là vấn đề về thông số kỹ thuật chứ không phải vấn đề tiếp thị - và nó làm thay đổi những gì bạn nên đặt hàng.

Tại sao máy biến áp phân phối đột nhiên có hình dạng sai cho mạng

Trong suốt một thế kỷ, giả định về thiết kế rất đơn giản: điện đi vào cuộn dây điện áp cao, đi qua cuộn dây điện áp thấp và không bao giờ quay trở lại. Xếp hạng, vòi, làm mát, bảo vệ - mỗi thứ trong số đó đều có kích thước theo một hướng dòng chảy duy nhất và đường cong hàng ngày nhẹ nhàng, hình con người. Giả định đó hiện nay là sai đối với hàng triệu người cho ăn.

Hai công nghệ xuất hiện giống nhau máy biến áp từ hai đầu đối diện trong ngày. Xe điện cắm vào nơi người dân sinh sống, chủ yếu vào buổi tối, kéo mạnh. Quang điện trên mái nhà đặt trên cùng một mái nhà và đẩy điện trở lại nguồn cấp điện vào giữa trưa, khi không có ai ở nhà để sử dụng. Một thiết bị được thiết kế cho độ dốc một chiều yên tĩnh giờ đây phải chịu đựng được đợt tăng đột biến về phía trước sau khi mặt trời lặn và đợt tăng đột biến ngược vào buổi trưa - và cả hai ứng suất này tác động lên cùng một cuộn dây cách nhau hàng giờ.

Đây không phải là một kịch bản trong tương lai. Tập dữ liệu theo dõi mở của Phòng thí nghiệm Berkeley đã thống kê được khoảng 5,3 triệu hệ thống lưu trữ và năng lượng mặt trời phân tán được lắp đặt ở Hoa Kỳ cho đến cuối năm 2025. Việc áp dụng xe điện đang gia tăng trên cùng các nguồn cung cấp điện cho khu dân cư. Máy biến áp trong hộp gắn trên miếng đệm màu xanh lá cây ở cuối đường là nơi cả hai xu hướng va chạm.

Cú sốc sạc EV: đường cong tải đạt đỉnh thứ hai

Phương pháp lập kế hoạch cũ thoải mái - tận dụng mức đỉnh điểm của năm ngoái, tăng thêm 2–3%, mua bằng tiền ký quỹ - phá vỡ thời điểm xe điện xuất hiện. Một máy biến áp phân phối dân dụng thường chạy qua hầu hết thời gian trong ngày ở mức định mức khoảng 35%. Thêm ba bộ sạc gia đình và hình ảnh sẽ thay đổi.

Trong một nghiên cứu về tải được trích dẫn rộng rãi, một máy biến áp 25 kVA phục vụ ba ngôi nhà chạy ở mức tải thông thường khoảng 8 kW, đạt đỉnh gần 22 kW trước xe điện. Với ba chiếc xe sạc nhanh ở công suất khoảng 3,8 kW mỗi chiếc và cắm điện vào khoảng 6 giờ chiều, cùng một máy biến áp đã vượt quá 130% định mức trong khoảng một giờ. Thiết kế tản nhiệt có thể chấp nhận được tình trạng quá tải ngắn hạn như vậy - nhưng đó là loại sự kiện lặp đi lặp lại hàng đêm trên toàn khu vực lân cận, âm thầm tiêu tốn tuổi thọ cách nhiệt.

Mở rộng quy mô thâm nhập và con số ngày càng tệ hơn chứ không tốt hơn. Mô phỏng dòng điện ở mức sử dụng 50% EV trên mạng điện áp thấp hướng tâm cho thấy điện áp giảm vượt quá −8,2% và tải cáp vượt quá 120% giới hạn nhiệt trong giờ cao điểm buổi tối, với tải máy biến áp trên 1,2 trên mỗi thiết bị trong các túi dày đặc. Một nghiên cứu riêng biệt về lưới điện của Đức cho thấy các chiến lược sạc 'tham lam' không kiểm soát hoặc chạy theo giá thuần túy đã khiến máy biến áp ở nông thôn bị quá tải trên 250% vào các buổi tối cao điểm, trong khi chiến lược cân bằng chuyển việc sạc vào khung giờ ban đêm có tải thấp đã loại bỏ hầu hết vi phạm.

Cơ chế này rất đơn giản và khó thực hiện: các trạm sạc tại nhà không được kiểm soát sẽ xếp chồng trực tiếp lên đỉnh điểm buổi tối của khu dân cư hiện có. Giờ tồi tệ nhất trong ngày của máy biến áp vừa có một người thứ hai lớn hơn.

Nghịch lý PV: cùng một đơn vị bây giờ phải tăng cường năng lượng

Năng lượng mặt trời trên mái nhà đảo ngược lý do tồn tại của máy biến áp. Trong nhiều giờ vào khoảng giữa trưa, việc phát điện phân tán đằng sau một thiết bị gắn trên tấm đệm có thể vượt quá tải cục bộ. Dòng điện đi vào cuộn dây điện áp thấp và rời khỏi cuộn dây điện áp cao - thiết bị trở thành nguồn tăng áp nơi bộ cấp nguồn dự kiến ​​sẽ chìm.

Đồng không quan tâm đến phương hướng. Tổn thất tải vẫn tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện cho dù dòng điện đi vào phía điện áp cao hay điện áp thấp và tổn thất lõi không thay đổi. Đó là một nửa yên tâm, và đó cũng là lý do tại sao dòng chảy ngược lại ẩn giấu rất tốt: một máy biến áp ở chế độ ngược lại có thể vượt qua bài kiểm tra tỷ lệ, bài kiểm tra điện trở cuộn dây và thậm chí cả phân tích khí hòa tan mà không có gì để báo cáo.

Mọi thứ được xây dựng dựa trên giả định sụt áp đều được quan tâm rất nhiều. Trên máy xuất tuyến hướng tâm, điện áp giảm khi dòng điện di chuyển ra khỏi trạm biến áp và vòi được đặt để bù cho sự sụt giảm đó. Ngược lại dòng điện và trở kháng tương tự tạo ra sự tăng điện áp thay thế. Một vòi đang chống lại mức giảm 3% về phía trước sẽ bắt đầu bổ sung thêm điện áp vào mạng vốn đã có quá nhiều điện áp. Trong một trường hợp được ghi chép lại, 500 kVA thiết bị gắn trên miếng đệm với vòi của nó ở mức +2,5% so với danh nghĩa - được thiết lập nhiều năm trước đó để chống lại hiện tượng sụt giảm về phía trước trên mạch dài hơn - đã đẩy điện áp thứ cấp lên trên dải điện áp tiện ích vào một buổi chiều tháng Tư trong lành, khi thiết bị hầu như không được tải. Việc sửa chữa không tốn đồng nào: thay vòi nước và cấp lại bảng tên.

Quá điện áp không phải là biên. Mô hình hóa các bộ cấp nguồn PV có độ xuyên thấu cao cho thấy điện áp thứ cấp tăng lên 1,095 trên mỗi đơn vị ở đầu cấp nguồn trong trường hợp xấu nhất, vượt quá dải ±6% mà nhiều tiện ích cho phép. Ở mức thâm nhập 30–50%, bộ biến tần thông minh bắt đầu thay thế hoàn toàn các tụ điện hỗ trợ điện áp thông thường — các công cụ cũ của mạng sẽ ngừng áp dụng theo cách cũ.

Hai vấn đề đấu tranh với nhau trên cùng một cuộn dây

Đây là phần khiến vấn đề này trở thành vấn đề về thông số máy biến áp chứ không phải là hai vấn đề riêng biệt. Tải EV và xuất khẩu PV không đến cùng nhau - chúng đến vào hai thời điểm khác nhau trong ngày và mỗi cái đều gây căng thẳng cho đơn vị còn cái kia thì không.

Một máy biến áp có kích thước dành cho đỉnh buổi tối một chiều cũ hiện đang chạy cửa sổ xuất dòng điện gần định mức vào giữa trưa và đỉnh chuyển tiếp sau khi mặt trời lặn. Lớp cách nhiệt già đi theo sự kết hợp của nhiệt độ và thời gian tại điểm nóng nhất, và hai đỉnh cao hàng ngày mang lại cho nó gấp đôi cửa sổ hấp nhiệt. Tệ hơn nữa, cần điều chỉnh điện áp lại lật biển báo giữa các cửa sổ đó: vòi cứu hạ điện áp buổi tối lại là vòi gây quá điện áp vào buổi trưa. Một vòi cố định không thể phục vụ cả hai. Nếu không có bộ lưu trữ hoặc sạc được kiểm soát để làm phẳng đường cong, thiết bị sẽ bị kẹt giữa dải điện áp mà nó không thể đáp ứng ở cả hai hướng.

Đây là sự sụp đổ 'đường cong con vịt' xảy ra bên trong một hộp màu xanh lá cây duy nhất: một rãnh đảo chiều sâu vào giữa trưa và một đoạn dốc dốc về phía trước vào buổi tối, cách nhau 12 giờ, trên cùng một bàn ủi.

Máy biến áp phân phối sẵn sàng cho tương lai phải làm gì bây giờ

Câu trả lời không phải là 'mua một máy biến áp lớn hơn.' Kích thước quá lớn sẽ lãng phí vốn và, trên bộ cấp nguồn dòng ngược, một máy lớn hơn thực sự có thể làm tình trạng tăng điện áp trở nên trầm trọng hơn. Câu trả lời thực sự là một thông số kỹ thuật khác - năm khả năng mà một đơn vị một hướng không bao giờ được yêu cầu chứng minh.

1. Điều chỉnh điện áp thích ứng, không cố định. Một thiết bị trên bộ cấp nguồn hai chiều cần có bộ chuyển đổi vòi khi tải (OLTC) hoặc sơ đồ điều chỉnh điện áp được điều khiển tích cực, được thiết lập với nhận thức về cả hai hướng dòng chảy. OLTC cơ học phản ứng chậm và có thể theo dõi sai sự chuyển tiếp nhanh chóng của các đám mây bay qua trên nguồn cấp năng lượng mặt trời; các phiên bản trạng thái rắn được xây dựng trên IGBT hoặc thyristor phản hồi trong một phần nghìn giây và loại bỏ hiện tượng hao mòn hồ quang. Phạm vi phân áp và logic điều khiển phải được chỉ định cho cả trường hợp quá điện áp thuận và quá điện áp ngược, không chỉ trường hợp điện áp thuận.

2. Dung sai dòng điện hai chiều như trường hợp thiết kế đã công bố. Luồng ngược không còn là điều kiện biên để tồn tại nữa - đó là chế độ vận hành theo lịch trình. Thông số kỹ thuật phải nêu rõ cường độ và thời lượng công suất ngược dự kiến ​​và yêu cầu thiết bị mang nó trong giới hạn nhiệt và quy định. Sự phối hợp bảo vệ (quá dòng định hướng, cảm biến sự cố chạm đất) phải được xem xét để phát hiện dòng điện có thể chạy theo một trong hai chiều.

3. Nhiệm vụ điều hòa và công suất điện tử. Cả bộ sạc EV và bộ biến tần PV đều là giao diện điện-điện tử. Chúng tạo ra các sóng hài và chuyển đổi ở tần số cao, đồng thời một bộ cấp nguồn dày đặc với chúng tạo ra quang phổ biến dạng mà một máy biến áp truyền thống hiếm thấy. Thiết bị cần có biên độ chịu đựng hài hòa trong mức tổn hao của nó và khi áp dụng tiêu chuẩn, thiết kế phù hợp với giới hạn IEEE 519 tại điểm ghép nối chung. Việc lựa chọn lõi và dây dẫn giúp giảm thiểu hiện tượng gia nhiệt xoáy và tổn thất tản nhiệt dưới tải không hình sin sẽ mang lại hiệu quả ở đây.

4. Giao diện dữ liệu, không chỉ là bảng tên. Một thiết bị sẵn sàng cho tương lai vừa là một cảm biến vừa là một bộ chuyển đổi. Việc giám sát nhiệt độ cuộn dây, mức dầu và áp suất trên các thiết kế chứa chất lỏng và hoạt động phóng điện một phần (được đo theo IEC 60270, với bộ phận được chế tạo tốt thường hiển thị dưới 10 pC ở điện áp định mức) biến tài sản thụ động thành thiết bị cảnh báo sớm. Tiêu chuẩn liên lạc quan trọng là IEC 61850 — MMS để báo cáo dọc vào SCADA hoặc ADMS, GOOSE để nhắn tin bảo vệ chu kỳ phụ và phần mở rộng 7-420 cho các nút logic tài nguyên năng lượng phân tán — được hỗ trợ bởi IEC 62351 cho an ninh mạng. Một đơn vị không thể báo cáo tải của chính mình thì không thể quản lý được trong lưới hai chiều.

5. Biên độ nhiệt cho đỉnh kép. Bởi vì thiết bị hiện nhìn thấy hai cửa sổ ứng suất hàng ngày, nên chỉ định dựa trên năng lượng tổng hợp hàng ngày và nhiệt độ điểm nóng nhất trên cả hai, chứ không phải dựa trên đỉnh kế thừa duy nhất. Vật liệu cách nhiệt loại F có nhiệt độ cuộn dây trung bình tăng lên 65 °C là lựa chọn phổ biến phổ biến để mua lợi nhuận; thông số kỹ thuật phải nêu rõ chu kỳ làm việc dự kiến ​​để thiết kế tản nhiệt được xác minh dựa trên chu kỳ đó.

Sơ lược về thông thường và sẵn sàng cho tương lai

Kích thước	Đơn vị thông thường (một chiều)	Đơn vị sẵn sàng cho tương lai (hai chiều)
Điều chỉnh điện áp	Đã sửa lỗi chạm, bù thả về phía trước	OLTC/điều khiển, cả hai hướng
Hướng dòng chảy giả định	Một chiều (trạm biến áp → phụ tải)	Hai chiều, khai báo ngược là trường hợp thiết kế
Nhiệm vụ điều hòa	Tải hình sin giả định	Lề công suất-điện tử (ngữ cảnh IEEE 519)
Giám sát	Chỉ có bảng tên	Nhiệt độ cuộn dây, PD, dầu, đầu ra IEC 61850
Sự bảo vệ	Không định hướng	Quá dòng định hướng/lỗi chạm đất
Cơ sở nhiệt	Cao điểm buổi tối duy nhất	Đỉnh gấp đôi hàng ngày, điểm nóng nhất cả hai

Những gì cần đưa vào đặc tả mua sắm

1. Nêu các hướng dòng chảy. Khai báo phụ tải cao điểm dự kiến ​​phía trước và xuất khẩu ngược dự kiến ​​(cường độ, số giờ mỗi ngày). Một đơn vị chỉ được chỉ định cho luồng chuyển tiếp sẽ làm bạn ngạc nhiên vào buổi trưa.

2. Yêu cầu OLTC hoặc quy định hoạt động có kích thước cho cả hai dấu hiệu lỗi điện áp và yêu cầu nhà sản xuất hiển thị phạm vi vòi so với cấu hình điện áp đo được của bộ cấp nguồn của bạn trong cả hai cửa sổ.

3. Chỉ định môi trường hài hòa - số lượng và loại bộ sạc/bộ biến tần, THD dự kiến ​​tại điểm ghép nối chung - và yêu cầu lượng tổn thất phải phù hợp với nó.

4. Yêu cầu gói giám sát và liên lạc : IEC 61850 MMS/GOOSE, cảm biến nhiệt độ và phóng điện một phần, bảo mật IEC 62351. Yêu cầu sự phù hợp trong giao tiếp như một phần của sự chấp nhận của nhà máy, không phải là một suy nghĩ sau đó tại hiện trường.

5. Xác định chu kỳ làm việc cho định mức nhiệt là hai ngày cao điểm kết hợp và yêu cầu tính toán nhiệt độ điểm nóng nhất dựa trên đó.

6. Xác nhận căn chỉnh kết nối : khả năng bảo vệ và nối đất của thiết bị phải tuân theo các quy tắc kết nối DER của tiện ích (trong thị trường IEC, dòng IEEE 1547 là tham chiếu cho hành vi DER; nối đất và bảo vệ của máy biến áp phù hợp với nó).

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Việc lắp thêm năng lượng mặt trời trên mái nhà có làm hỏng máy biến áp phân phối hiện tại của tôi không? Trả lời: Không trực tiếp - tổn thất đồng không phụ thuộc vào hướng và tổn thất lõi không thay đổi, do đó chỉ riêng dòng chảy ngược sẽ không làm cuộn dây quá nóng. Rủi ro thực sự là điện áp: một vòi được thiết lập để chống sụt áp về phía trước sẽ đẩy dải thứ cấp lên trên trong quá trình xuất vào giữa trưa và tình trạng quá điện áp lặp đi lặp lại gây căng thẳng cho lớp cách điện và ngắt bộ biến tần. Cách khắc phục thường là thay đổi vòi và bảng tên, được xác minh dựa trên cấu hình điện áp hai chiều.

Hỏi: Tại sao tôi không thể mua một máy biến áp lớn hơn để giải quyết tải EV và PV? Đáp: Kích thước quá lớn sẽ gây lãng phí vốn và trên bộ cấp nguồn dòng ngược, bộ phận lớn hơn có thể làm tình trạng tăng điện áp vào giữa trưa trở nên trầm trọng hơn. Hạn chế thường là điều chỉnh điện áp và nhiệm vụ hài hòa, không phải kVA thô. Phản hồi chính xác là điều khiển điện áp thích ứng, bảo vệ định mức hai chiều và giám sát - chứ không phải công suất quá mức.

Câu hỏi: Máy biến áp sẵn sàng nối lưới cần tiêu chuẩn truyền thông nào? Trả lời: IEC 61850 là đường cơ sở tự động hóa trạm biến áp — MMS để báo cáo vào SCADA/ADMS, GOOSE để nhắn tin bảo vệ nhanh và tiện ích mở rộng 7-420 cho các nút tài nguyên năng lượng phân tán — với IEC 62351 để bảo mật. Các trạm biến áp thứ cấp di động hoặc từ xa cũng có thể cần IEC 60870-5-104.

Câu hỏi: Bộ sạc xe điện và bộ biến tần năng lượng mặt trời có làm tổn thương máy biến áp do sóng hài không? Đáp: Cả hai đều là công suất điện tử, vì vậy chúng tạo ra sóng hài mà thiết kế tải hình sin truyền thống không có đủ ngân sách. Thiết bị này cần có giới hạn chịu được hài hòa trong thiết kế tổn thất và, nếu có, hiệu suất phù hợp với IEEE 519 tại điểm ghép nối chung. Đó là một sự mất mát thực sự và sự cân nhắc về sưởi ấm, không phải là một vấn đề giấy tờ.

Hỏi: IEEE 1547 có liên quan gì đến thông số kỹ thuật của máy biến áp? Đáp: IEEE 1547 quản lý cách các nguồn năng lượng được phân phối kết nối với nhau — các điều kiện bất thường, chất lượng điện năng và hành vi chống đảo mà máy biến áp phải tuân theo. Sự phối hợp nối đất và bảo vệ của máy biến áp phải phù hợp với các quy tắc kết nối dựa trên 1547 của tiện ích để thiết bị hoạt động chính xác theo cả hai hướng dòng chảy.

Đồ ăn mang về

các máy biến áp phân phối không thay đổi. Mạng xung quanh nó đã làm được điều đó - nó trở thành hai chiều và đạt đỉnh hai lần. Một thiết bị được chỉ định cho một hướng sẽ vượt qua mọi bài kiểm tra định kỳ và vẫn không đạt yêu cầu về bộ cấp nguồn: quá điện áp vào buổi trưa do xuất khẩu trên mái nhà, quá tải sau khi mặt trời lặn do sạc xe điện và không có đường dẫn dữ liệu nào để biết điều đó sắp xảy ra. Bản sửa lỗi là một thông số kỹ thuật tuyên bố dòng ngược là một trường hợp thiết kế, điều chỉnh điện áp theo cả hai hướng, ngân sách cho sóng hài điện-điện tử và báo cáo tình trạng của chính nó theo tiêu chuẩn IEC 61850. Hãy hiểu đúng thông số kỹ thuật đó và cùng một hộp màu xanh lá cây ở cuối đường sẽ phục vụ tải trong thập kỷ tiếp theo thay vì đấu tranh với nó.