ハイブリッド発電所の変圧器の選択: 3 巻線ユニット 1 つ、それとも 2 つ?

開発者は、1 つの 230 kV 相互接続を共有する 90 MWac の PV と 60 MW / 240 MWh のバッテリーの単線図を送ってきました。その図には、相互接続点にある単一の 150 MVA ユニットが示されています。 1 か月後、EPC は代わりに 2 台の 100 MVA ユニットを備えた同じプラントを送ります。どちらの図面も構築できます。ディスパッチの 1 年後も正しく見えるのはそのうちの 1 つだけです。ハイブリッド発電所の変圧器2 つの異なる任務を想定した 2 つの異なるチームによって指定された 2 つの情報源の背後にあります。

相互接続点の負荷プロファイル、2 つの低電圧巻線間のインピーダンス、ゼロシーケンス パス、および停止戦略の 4 つの数値によって、どの構成が運用に影響されても存続するかが決まります。価格、タンクサイズ、スケジュールはこれら 4 つに従います。太陽光発電と蓄電機能を備えた単線が私たちのデスクに到着したときに、それらを処理する順序は次のとおりです。

ハイブリッドプラントが変圧器の通常の想定を打ち破る理由

太陽光発電のみのプラントは変圧器が簡単です。出力は日射量に追従し、正午頃にピークに達し、夜にはゼロに低下するため、ユニットは毎日長いクールダウンを必要とします。の分散型太陽光発電変圧器に関する IEEE ガイドインバータ変圧器は 1 日あたり最大 14 時間負荷がかかる可能性がありますが、100% 状態に留まるのはその時間帯の一部だけであり、一晩の長い無負荷期間があることに注意してください。設計者は、ほとんどマージンなしで銘板の評価を受け入れるとき、そのパターンに頼ります。

バッテリーは一日の形を変えます。充電はPVが強いときや夜間価格が安いときに行われ、放電は夕方のピークに達します。両方の電源を 1 つの相互接続制限の内側に置くと、変圧器は太陽の追跡を停止します。天候ではなく、トレーダーまたは最適化アルゴリズムによって作成された発送指示に従います。

プラントの例を見てみましょう。相互接続の上限は 120 MW です。正午には、アレイは 90 MWac を生成し、バッテリーは 30 MW で充電するため、60 MW が変圧器を通過します。 19:00 にアレイはゼロになり、バッテリーは 60 MW を放電するため、60 MW が再び変圧器を逆方向に通過します。このユニットは 80% ～ 95% の負荷を 1 日 16 時間維持でき、PV のみの設計で発生するような一晩の深いクールダウンは発生しません。

オプション A: 2 つの昇圧トランス (ソースごとに 1 つ)

太陽光発電と蓄電プラントの従来の構成では、各電源に独自の 2 巻線昇圧変圧器が提供されます。つまり、PV コレクターに約 8.5% インピーダンスの 100 MVA 230/34.5 kV ユニット、およびバッテリー コレクターに整合する 100 MVA ユニットがあります。それぞれが独自のハイサイド ブレーカー、独自のディファレンシャル ゾーン、独自のオイル システムを搭載しています。 230 kV バス以外には、この 2 つを電気的に接続するものはありません。

この取り決めが当てはまるのは、障害の封じ込めとアカウンティングです。 PV フィールドのコレクタ障害により 1 つの 87T ゾーンがトリップし、バッテリーが数秒以内に自由にグリッドに放電できる状態になります。税の公平性構造では、テクノロジーごとに個別の計量が必要になることがよくありますが、2 つの変圧器を使用することでそれが簡単になります。建設も順調に進められます。PV ユニットは、バッテリー エンクロージャが完成する 9 ～ 12 か月前に、PV の商業運転時に通電されます。

コストはアイアンとベイで支払われます。 2 つのコアは、発電所が発電しているかどうかに関係なく、2 つの無負荷損失数値を 24 時間伝送し、さらに 2 番目の 230 kV ブレーカー、2 番目の避雷器セット、2 番目の制御キャビネット、および約 2 倍のコンクリートを備えています。予備のベイがあるサイトでは、そのペナルティは許容できるものです。制約のある変電所では、そうでないことがよくあります。

オプション B: 3 巻線ハイブリッド発電所用変圧器 1 台

代替案は、150/90/60 MVA で定格 230/34.5/34.5 kV の 1 つの 3 巻線変圧器で、両方のコレクタが別々の低電圧巻線に接続されています。ベクトル グループは、ほとんどの購入者が期待するよりも重要です。 YNyn0 ではなく、YNyn0d11 を指定してください。デルタ三次は、低電圧地絡時に零相電流が循環する経路を与え、第 3 高調波磁束がタンク鋼を通過する代わりにどこかに流れるようにします。これがなければ、34.5 kV コレクタの地絡電流は変圧器を通る戻り経路がなく、下流に設定されているすべての接地リレーが推定値となります。

インピーダンスは、150 MVA ベースで通常 10.5% の高対 PV と 10.5% の高対バッテリで、PV 対バッテリの数値は 19% 近くになります。この結合は、単一ユニットの隠れたコストです。PV コレクタの障害によりバッテリ バスも低下し、バッテリ インバータは、自身が引き起こしたわけではない電圧低下を乗り越えなければなりません。それができるかどうかは、変圧器サプライヤーの問題ではなく、インバーターのデータシートと相互接続の検討の問題です。

得られるものは、ハイサイド ベイ 1 つ、オイル保存システム 1 つ、コア 1 つです。一般的な 150 MVA の 3 巻線設計では、同じ合計定格の 2 台の 100 MVA ユニットの無負荷損失が約 120 ～ 130 kW であるのに対し、無負荷損失は 90 ～ 100 kW 近くになります。 8 セントのレートで 20 年以上かかると、その差額は実質的なお金となり、通常は入札審査に勝ちます。別のプロジェクトのデータシートではなく、メーカーの損失計算と照らし合わせて確認してください。

諦めるものは可用性です。ブッシングの故障、タップ チェンジャーの故障、またはオイル ポンプの故障により、両方の収益源が同時にオフラインになり、150 MVA の 3 巻線ユニットは在庫品ではありません。修理または交換の期間は、数週間ではなく、数か月単位で測定されます。プラントに確固たる生産能力義務がある場合、そのエクスポージャーはビジネスケースに属するものであり、事後の運用マニュアルに含まれるものではありません。

後から修正できないインピーダンスの数値

3 巻線トランスのインピーダンスはコアの巻線形状によって設定され、ユニットが一度構築されると、再構築以外の調整は必要ありません。後の短絡調査により、34.5 kV の故障デューティが開閉装置の定格を超えていると結論付けられた場合、唯一の救済策は直列リアクトルまたは新しい変圧器です。 2 ユニット方式では、発注前に 1 つの 100 MVA 仕様を変更することで同じ問題が解決されます。

受賞後ではなく、仕様が決定される前に調査を実行します。最新のインバータでは定格電流の 1.1 ～ 1.5 倍が適用される電流制限を含め、各インバータ ファミリの故障電流の寄与を尋ね、コレクタ スイッチギヤの定格を尋ねます。 150 MVA ユニット (10.5%) は、34.5 kV で 2 台の 100 MVA ユニット (8.5%) とは大きく異なる障害レベルを発生し、その差によって開閉装置クラスが 25 kA から 31.5 kA に移行する可能性があります。

ローディング、ホットスポット、そして決して来ないクールダウン

周期的負荷許容値は、変圧器の見積もりで最も悪用される部分です。のIEEE ローディング ガイド、2025 年改訂定義されたピークの後に定義された冷却期間が続く場合に、ユニットを銘板の上にどのように搭載できるかを説明し、取引を管理する温度基準を定めています。それらの方法は健全です。問題は、通常、以前のプロジェクトから借用した PV のみの日次曲線が適用されることです。

代わりにガイドにハイブリッド プロファイルをフィードします。 110 度のホットスポット制限を持つ 65 度上昇のユニットは、周囲温度 40 度で 95% の負荷で 18 時間動作し、正午に一時的に制限に達するのではなく、1 日のほとんどの時間その制限に近い状態で動作します。絶縁劣化は、基準ホットスポット温度を 6 K 上回るごとに約 2 倍になるため、2 時間のピークと 18 時間のプラトーの差は、寿命損失に関する四捨五入誤差ではありません。

2 つの実際的な結果。まず、相互接続点での 24 時間の正味交換曲線を求め、30 度ではなく、サイト設計の周囲温度でのホット スポットの計算を要求します。次に、冷却ステージを正直に指定します。ファンの連続稼働に依存する ONAF 定格は、ファンをブーストとして使用する ONAN 定格とは異なります。また、補助電源とファン障害アラームの哲学により、どちらを購入したかがわかるはずです。

保護、接地、逆電源

インバータベースの電源は、障害時には同期マシンのように動作しません。電流は制限され、角度は制御され、逆相特性は発電機とは異なります。 3 巻線ユニットでは、差動リレーは 90/60 MVA 分割と一致しない比率で 3 つの抑制電流を処理する必要があり、ローサイドの接地要素はデルタ 3 次を含むゼロシーケンス ネットワークに対して設定する必要があります。これは解決可能な問題ですが、リレーのエンジニアの問題であり、試運転時に発見されるのではなく、最初から範囲内にある必要があります。

逆電力については、仕様内で独自の行を記述する必要があります。バッテリーは一晩で送電網から充電されるため、実際の電力は 230 kV 巻線から変圧器を介して 34.5 kV バッテリー巻線に流れ込み、そのタップはおそらく輸出方向に選択されています。ハイサイドの負荷時タップ切換器は、実際の動作帯域 (通常、相互接続でユニットあたり 0.95 ～ 1.05) をカバーする必要があり、計画された充電と意図しないバックフィードを区別するために方向性要素を設定する必要があります。IEEE 1547-2018電圧と周波数のライドスルーを含むそのインターフェイスのインバータ側を制御しますが、そもそもプラントがそれらの制限内に収まるかどうかは、変圧器のインピーダンスとタップ範囲によって決まります。

接地は、2 つの配置のコストが最も大きく異なる部分です。 2 つの別個のユニットとは、2 つの独立した 34.5 kV 接地設計を意味し、それぞれが独自のジグザグ ユニットまたは中性抵抗器を備えた接地 Y を備え、それぞれが独自に検討されました。デルタ三次を備えた 1 つの 3 巻線ユニットにより、両方のコレクターがゼロシーケンス基準を共有できるため、研究が簡素化されますが、リスクが集中します。ミスは両方のソースに同時に影響します。

どちらを選ぶか、そして引用する前に尋ねること

2 つの昇圧変圧器と 1 つのハイブリッド発電所用変圧器のどちらを選択するかが、技術的な決着に至ることはほとんどありません。 10 年にわたって両方を引用してきた私たちの経験則は、プラントにしっかりとした容量義務がある場合、または相互接続に個別の計量要件がある場合は、2 つのユニットを採用し、追加のベイを受け入れることです。変電所の不動産が固定され、ベイが存在せず、資本損失に基づいて入札が決定された場合、3 巻線ユニットが勝ち、可用性の問題は予備戦略に移ります。

開発者から見積もりを依頼された場合、ハイブリッド発電所の変圧器では、設計ファイルを開く前に、相互接続制限を含む単線、典型的な春と夏の日の 24 時間の正味融通曲線、インバータの故障電流寄与レター、接地の検討または少なくともコレクタ接地の考え方、および輸送ルートの 5 つの文書の提出を求めます。最後のは書類手続きではありません。オイルを備えた 150 MVA の 3 巻線ユニットは 200 トンを超える場合があり、橋を通過できるルートとそうでないルートの違いは、鋼材が切断される数か月前に決定されることがよくあります。

Ryan Electric は、2007 年以来、江蘇省の 120,000 m2 の施設で変圧器を製造しており、37 件の特許と 180 セットを超える生産および試験装置を備えています。また、2023 年からはイートンとの合弁パートナーでもあります。この提携により、当社が発行するハイブリッド見積書には、データシートのコピーではなく完全なインピーダンスと損失の調査が記載されています。レビュー チェーンでは、背後にある負荷曲線のない定格は受け入れられません。

今後 12 か月間のプロジェクトの 2 つの取り決めを比較検討している場合は、単線とディスパッチ曲線を送信してください。同じベースに基づいて損失とインピーダンスを比較して、両方の構成の価格を返します。そのため、誰かが継承した図面ではなく、数値に基づいて決定が行われます。

著者について

この記事は、中国の江蘇省に本拠を置く変圧器メーカーである Ryan Electric (Ryan Transformers) のアプリケーション エンジニアリング チームによって作成されました。同社は、2007 年以来、北米、中東、東南アジアに乾式、油浸式、パッド取り付け式、およびコンパクトな変電所機器を供給しています。チームは、実用規模の太陽光発電、ストレージ、およびデータセンター プロジェクトに関する単線図、インピーダンスと損失の研究、および認証文書 (UL、cULus、CSA、IEEE、IEC) をレビューしています。 Ryan Electric は、2023 年から Eaton との合弁パートナーです。ここで説明する仕様に関する質問は、ryan-transformers.com の問い合わせフォームから送信できます。最終レビュー日: 2026 年 10 月。

開示: Ryan Electric は、この記事で説明されている変圧器を製造および販売しています。損失、インピーダンス、および原価計算の数値は、記載されている定格の典型的な設計段階の値であり、購入前にプロジェクト固有の損失計算および短絡調査に対して確認する必要があります。