Ölgefüllte Transformatoren für Photovoltaik-Kraftwerke

Ein Solarparkentwickler erlebte einmal, dass eine neue Anlage mehrere Wochen Produktionszeit verlor, weil der Transformator, der die Netzanbindung speist, den Abnahmetest nicht bestand. Das Gerät war für eine gleichmäßige industrielle Last ausgelegt, aber ein Solarkraftwerk verhält sich nicht wie eine Fabrik, und die Diskrepanz trat erst zutage, als das Projekt bereits im Zeitdruck stand.

Solarparks stellen ungewöhnliche Anforderungen an ihre Transformatoren, und Geräte, die anderswo einwandfrei funktionieren, können früh ausfallen, wenn diese Anforderungen ignoriert werden. Die gute Nachricht ist, dass diese Anforderungen gut verstanden sind und die richtige Transformatorwahl weitgehend eine Frage des Wissens ist, wonach man fragen muss.

Dieser Leitfaden erklärt, warum Solarkraftwerke Transformatoren benötigen, was ihren Lastzyklus ungewöhnlich macht und wie man einen ölgefüllten Transformator spezifiziert, der über die Lebensdauer des Projekts zuverlässig läuft.

1. Warum Solarkraftwerke überhaupt Transformatoren benötigen

Solarpaneele erzeugen Gleichstrom bei niedriger Spannung, aber das Netz arbeitet mit Wechselstrom bei viel höherer Spannung. Die Umwandlung und Lieferung dieser Leistung erfordert eine Kette von Geräten, und Transformatoren sind das Bindeglied, das die Spannung auf jeder Stufe an die Spannung der nächsten Stufe anpasst.

In einer großtechnischen Anlage wandelt der Wechselrichter Gleichstrom in Wechselstrom bei einigen hundert Volt um, und dann erhöhen ein oder mehrere Transformatoren diese Spannung auf die Mittelspannungsebene des Sammelnetzes, oft 11 kV, 20 kV oder 33 kV. Von dort aus erhöht ein weiterer Aufwärtstransformator die Spannung auf die Übertragungsspannung für den Export.

Jede dieser Spannungsänderungen erfolgt in einem Transformator, was bedeutet, dass eine einzige Solaranlage Dutzende von Einheiten enthalten kann, von kleinen Wechselrichtertransformatoren bis hin zu großen Netzanschlusseinheiten. Diese richtig zu dimensionieren ist kein nebensächliches Detail; es ist entscheidend dafür, wie viel Energie die Anlage tatsächlich liefert.

Die Solarenergie im Versorgungsmaßstab ist von Projekten im einstelligen Megawattbereich auf Anlagen in der Größenordnung von Hunderten von Megawatt angewachsen, und die elektrische Infrastruktur hat sich entsprechend vergrößert. Eine 100-MW-Anlage kann Dutzende von Transformatoreinheiten enthalten, die über Hunderte von Hektar verteilt sind und alle in ein gemeinsames Sammelnetz einspeisen.

2. Die Rolle des Wechselrichtertransformators

Der Wechselrichtertransformator sitzt direkt zwischen dem Wechselrichter und dem Sammelnetz. Seine Aufgabe ist es, die Niederspannungs-Wechselstromausgabe des Wechselrichters auf die Mittelspannungsebene zu erhöhen, die die Verkabelung der Anlage effizient über Entfernungen transportieren kann.

Diese Einheiten werden oft als kompakte Umspannwerke gebaut, manchmal auch als bodenmontierte Transformatoren oder Kastenstationen bezeichnet, die den Transformator, die Mittelspannungsschaltanlage und die Niederspannungsanschlüsse in einem einzigen wetterfesten Gehäuse vereinen. Dieses integrierte Design hält den Platzbedarf gering und beschleunigt die Installation vor Ort.

Wechselrichtertransformatoren sind für Freiluftanlagen in der Regel ölgefüllt, da die Ölkühlung die hohen Umgebungstemperaturen und die schwankende Last verträgt, die für die solare Stromerzeugung charakteristisch sind. Das ölgefüllte Design hält auch die Anschaffungskosten niedrig, was wichtig ist, wenn ein Standort viele Einheiten benötigt.

Ein typischer Kastenstation für Solaranlagen könnte eine Nennleistung zwischen 2,5 MVA und 5 MVA haben und einen oder mehrere Wechselrichter mit einer Einheit verbinden. Im Inneren des Gehäuses umfasst die Mittelspannungsseite in der Regel einen Lasttrennschalter und einen Sicherungsschutz, sodass die Einheit ohne ein separates Schaltanlagengebäude isoliert und geschützt werden kann.

3. Aufwärtstransformatoren in Solarparks

4. Ölgefüllt vs. Trockentyp für Solar

Bei netzgroßen Solaranlagen im Freien sind ölgefüllte Transformatoren die Standardwahl, und die Gründe sind praktischer Natur und nicht historisch. Freiluftanlagen haben selten die Brandempfindlichkeitsbeschränkungen eines bewohnten Gebäudes, daher hat der Sicherheitsvorteil von Trockentransformatoren wenig Gewicht.

Die Ölkühlung bewältigt auch die beiden schwierigsten Teile des Solarbetriebszyklus besser als Luft. Wenn die Anlage um die Mittagszeit mit voller Leistung läuft, führt das Öl die Wärme effizient ab, und wenn die Last nachts auf nahezu Null fällt, gleicht die thermische Masse des Öls die Temperaturschwankungen aus.

Trockentransformatoren kommen durchaus bei Dach- und gebäudeintegrierten Solaranlagen vor, wo die Ausrüstung nahe an bewohnten Räumen steht und die Brandsicherheit dominiert. Für Freifeldprojekte im Megawatt-Maßstab, die den Großteil des Marktes ausmachen, bleibt der ölgefüllte Transformator die wirtschaftliche und langlebige Wahl.

Ein weiterer Punkt zugunsten von Öl für Solaranlagen ist die Überlasttoleranz. Eine Solaranlage erlebt gelegentlich kurze Spitzen über der Nennleistung, z. B. bei Wolkenrandaufhellung, und ein ölgefülltes Gerät absorbiert diese kurzzeitigen Spitzen geschmeidiger als ein Trockentypgerät derselben Leistungsklasse.

5. Hauptspezifikationen für Solartransformatoren

Die Spezifikation eines Solartransformators unterscheidet sich von der eines allgemeinen Industrietransformators. Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Parameter auf und was ein Solarprojekt typischerweise bestätigen muss.

Die Umgebungstemperaturlinie wird oft unterschätzt. Ein Transformator, der für eine Umgebungstemperatur von 40°C ausgelegt ist, wird an einem 50°C heißen Wüstennachmittag heißer laufen, und die Anlage muss entweder die Einheit herabstufen oder von Anfang an eine höhere Temperaturklasse festlegen.

Die Vektorgruppe ist ein weiteres Detail, das frühzeitig bestätigt werden sollte. Viele Solarwechselrichter benötigen eine Dyn11 oder ähnliche Verbindung, und eine Diskrepanz zwischen der Vektorgruppe des Transformators's und den Steuerungsannahmen des Wechselrichters's kann verhindern, dass die Anlage korrekt synchronisiert.

6. Umwelt- und thermische Herausforderungen

Solaranlagen werden dort gebaut, wo die Sonne am stärksten ist, was normalerweise Hitze, Staub und oft große Höhe bedeutet. Alle drei belasten einen Transformator auf eine Weise, die ein gemäßigter Industriestandort nie tut.

Hohe Umgebungstemperatur verringert die Wärmemenge, die das Gerät abführen kann, sodass eine Kühlkonstruktion, die in einem milden Klima funktioniert, in einer Wüste unzureichend sein kann. Staub verstopft Kühler und verringert deren Wirksamkeit, während große Höhe die Luft verdünnt und sowohl die Kühlung als auch die dielektrische Festigkeit von Luftspalten beeinträchtigt.

Ein gut spezifizierter Solar-Trafo berücksichtigt diese Faktoren bereits in der Angebotsphase. Das kann größere Kühlflächen, versiegelte Gehäuse gegen Staubeintritt und höhenkorrigierte Abstände bedeuten, die alle günstiger einzubauen als nach der Inbetriebnahme nachzurüsten sind.

Der Gehäuseschutz ist Teil derselben Diskussion. Ein Wüstentrafo profitiert von einem versiegelten Gehäuse mit hohem Schutzgrad gegen Eindringen von Fremdkörpern, um Sand von den Anschlüssen und Kühlern fernzuhalten, während ein feuchter Küstenstandort stattdessen Aufmerksamkeit auf Korrosionsbeständigkeit erfordert.

Überwachung ist der letzte Bestandteil. Viele Solar-Trafos werden jetzt mit Temperatursensoren und, bei Öleinheiten, mit Gasdetektionsrelais ausgeliefert, die an das SCADA-System der Anlage angeschlossen sind, sodass ein Bediener ein sich entwickelndes Problem lange vor einem Ausfall erkennt.

7. Transformatorverluste und Solar-ROI

Verluste sind bei Solaranlagen wichtiger als bei fast jeder anderen Anwendung, denn jedes Watt, das in einem Transformator verloren geht, ist ein Watt, das die Anlage zur Erzeugung bezahlt hat, aber nie verkauft. Über eine Projektlaufzeit von 25 Jahren summiert sich selbst ein Bruchteil eines Prozents zusätzlicher Verluste zu echtem Geld.

Die Leerlaufverluste sind bei Solaranlagen besonders wichtig, da die Transformatoren über Nacht unter Spannung bleiben, obwohl sie fast keine Leistung abgeben. Ein Transformator mit hohen Leerlaufverlusten verbraucht jährlich tausende von Stunden im Leerlauf Energie, weshalb Solarspezifikationen die Leerlaufverluste oft viel strenger begrenzen als ein industrieller Käufer es tun würde.

Aus diesem Grund sollte die Kaufentscheidung auf den Gesamtbetriebskosten basieren, nicht auf dem Listenpreis. Ein etwas teurerer Transformator mit geringeren Verlusten kann sich während der Betriebszeit einer Anlage mehrfach bezahlt machen.

In nivellierten Kosten ausgedrückt, kann der Unterschied zwischen einem Transformator mit 98% und einem mit 99% Wirkungsgrad in einer Multi-Megawatt-Anlage über die Projektlaufzeit zu Zehntausenden von Dollar an entgangenen Einnahmen führen. Deshalb behandeln ernsthafte Solar-Projektentwickler den Transformator als eine zu optimierende Anlage und nicht als eine Ware, die man nur nach dem Preis kauft.

8. Die Sicht eines Herstellers auf Solarprojekte

Die meisten Probleme mit Solartransformatoren, die wir sehen, sind Spezifikationsprobleme, keine Herstellungsfehler. Ein Gerät, das korrekt für die Temperatur, Höhe und den Arbeitszyklus des Standorts spezifiziert ist, bereitet selten Probleme, während eines, das nach einer allgemeinen Vorlage bestellt wurde, dies oft tut.

Jinhua Dika Electrical Equipment Co., Ltd. stellt ölgefüllte Transformatoren und komplette Umspannwerke für Solar- und andere Energieprojekte in seinem Werk in Jinhua, Provinz Zhejiang, her. Dika Electrical arbeitet vor der Angebotserstellung mit jedem Käufer den Arbeitszyklus durch und bestätigt die Wechselrichterspannung, die Sammelspannung und die ungünstigsten Umgebungsbedingungen des Standorts.

Ein von uns geliefertes Projekt betraf einen Wüstenstandort mit Nachmittagstemperaturen über 45°C. Die Transformatoren wurden mit vergrößerten Kühlflächen und einer höheren Temperaturklasse gebaut und haben mehrere Sommer ohne thermische Abschaltung überstanden. Eine zweite, kleinere Dachinstallation verwendete Trockentransformatoren, bei denen die Ausrüstung in der Nähe eines bewohnten Gebäudes stand, und das brandsichere Design war dort der entscheidende Faktor.

9.2 Wie sieht das Arbeitsverhältnis eines Solartransformators aus?

Ein Solartransformator folgt der Sonne und nicht einem Fabrikplan. Er läuft während der Mittagszeit nahe oder bei Volllast, fällt am späten Nachmittag ab und bleibt über Nacht unter Spannung, aber nahezu unbelastet. Dieses Muster macht die Leerlaufverluste ungewöhnlich wichtig, da das Gerät jedes Jahr tausende von Leerlaufstunden verbringt und dabei weiterhin eine geringe Menge Strom durch seinen Kern verbraucht.

9.3 Wie wirkt sich die Höhe auf einen Solartransformator aus?

In großen Höhen ist die Luft dünner, was sowohl die Kühlung als auch die dielektrische Festigkeit von Luftspalten verringert. Ein für Meereshöhe ausgelegter Transformator kann oberhalb von etwa 1.000 Metern überhitzen oder die Isolationskoordination versagen, wenn er nicht herabgestuft oder mit höhenkorrigierten Abständen spezifiziert wird. Die Bestätigung der Standorthöhe in der Angebotsphase ist für Anlagen in Gebirgs- oder Hochplateauregionen unerlässlich.

9.4 Warum sind Leerlaufverluste für Solarprojekte so wichtig?

Leerlaufverluste treten im Transformator auf, sobald er unter Spannung steht, unabhängig davon, ob er Leistung liefert. Da Solartransformatoren über Nacht unter Spannung bleiben und nahezu keine Last tragen, summieren sich diese ständigen Verluste über die 25-jährige Projektlaufzeit auf tausende von Stunden pro Jahr. Strenge Grenzen für Leerlaufverluste schützen daher die Einnahmen der Anlage weit mehr als eine entsprechende Einsparung bei einem Industrietransformator, der unter konstanter Last läuft.