まずは状況設定から始めましょう。先月、私はアイオワ州の風力発電プロジェクト マネージャーの向かいに座って、設備コストのスプレッドシートを見つめていました。その行の 1 行には「変圧器」と表示され、「250 KVA 乾式降圧型」の横に赤い疑問符が付いていました。彼は、計画した 2.3 MW の小型風力タービンのセットアップが 250 KVA のユニットに対応できるかどうか確信が持てませんでした。私は、乾式変圧器のサプライヤーとして、これが少なくとも週に 12 回は受ける質問であることに気づきました。これは電力定格だけではありません。風力発電システムには特有のストレスがあり、標準変圧器の仕様が単なるチェックボックスではなく、交渉の余地のない詳細になっています。今日は、250 KVA 乾式降圧変圧器が風力発電に適しているかどうか、購入前に確認する必要があること、およびこのサイズが特定の中小規模の風力発電用途で優れていると当社チームが判断した理由について詳しく説明したいと思います。
まず、風力発電システムが実際に変圧器に要求するものに基づいて考えてみましょう。変動する再生可能エネルギーを扱う場合、一般的な「降圧」ラベルは何の意味も持たないからです。ほとんどの中小規模の風力タービン (米国の陸上分散型風力プロジェクトの大部分を占める 5 MW 未満の風力タービン) は中電圧 (通常はタービンの発電機とパワー エレクトロニクスから直接供給される 480 V、600 V、または 13.8 kV) で動作します。ここでの変圧器の仕事は 2 つあります。1 つは、電圧を安全で、農場の収集システム、送電網接続点、またはオンサイト負荷 (蓄電池バンク、タービン動作用の補助電源、近くのコミュニティ施設など) と互換性のあるレベルまで下げることです。企業、農場、または小規模コミュニティに電力を供給する分散型風力プロジェクトの場合、このステップダウンは非常に重要です。
さて、250 KVA という数字です。電力の計算から始めましょう。風力システムのピーク出力が変圧器の定格容量を超えると、過熱、寿命の短縮、頻繁なトリップが発生する可能性があるからです。プロジェクト チームが犯すよくある間違いは、タービンの定格出力を変圧器の KVA に一致させることですが、風力発電は変動します。タービンは 24 時間年中無休でフル稼働しているわけではありません。 2 MW のタービンは、1 年間で平均して定格出力の 30 ～ 40% を発揮しますが、強風時には 100% にまで急増する可能性があります。では、ここで 250 KVA が意味を持つのはいつでしょうか?マイクログリッドまたはローカル負荷に電力を供給する 300 kW の小型風力タービン (力率 1 で 0.3 MW、または 300 KVA) があるとします。時折起こる小さなスパイクを考慮し、後から容量を追加しない限り、突然 250 KVA の変圧器がほぼ完璧に適合します。しかし、待ってください、私は常にチームに、変動する負荷とグリッド間の許容値のために10〜15％のバッファーを残すように言います。より大型のタービン、たとえば 1 MW ユニットの場合は、より大きな出力スパイクや変動する風荷重に対応できるように設計された 1000 KVA 乾式変圧器のような、より大きなユニットが必要になります。これは、250 KVA が大規模プロジェクトに役に立たないということではなく、通常現場で最大容量の変圧器であるタービンの主電力降圧に適していないというだけです。
250KVA乾式降圧変圧器を設置する場合しますShine in Wind システムは補助用途や収集用途に使用されます。小規模な風力発電所であっても、ほとんどの風力発電所では、ナセル内のタービン制御システム、照明、加熱、冷却用の補助電源に加えて、発電所の接続を維持する通信装置用の電力も必要とします。通常、その補助負荷はタービンあたりわずか数 KVA ですが、5 ～ 6 台の小型タービンを連ねている場合、補助負荷の合計は 100 ～ 150 KVA に達する可能性があり、250 KVA の変圧器はこれを容易に処理でき、さらに将来の拡張の余地もあります。もう 1 つの点: 風力システムがバッテリー エネルギー貯蔵と組み合わせられている場合、バッテリー インバーターとサイトの負荷またはインタータイとの間の降圧は、より低い KVA 単位になる可能性があり、そこでは 250 が一般的なスイート スポットになります。また、私は住宅用および農業用の風力発電プロジェクトにも携わったことがあります。その目的は、大規模な送電網に電力を供給することではなく、家庭や農場の運営に電力を供給することです。ここでは、風力タービンのピーク出力があっても、オンサイトの総負荷が 200 KVA を超えることはほとんどないため、250 KVA のユニットが適切なサイズであることがよくあります。
しかし、ここに特に乾式変圧器の落とし穴があります。これが、乾式変圧器が風力発電で非常に人気がある理由です (可燃性の油を使用していないため、密閉されたナセル、農場の庭、または住宅地の近くでより安全です) だけでなく、250 KVA のユニットを単純に選択できない理由でもあります。風力変圧器は、現代の風力タービンの可変周波数ドライブと電力インバーターの副産物である高調波歪みに対処する必要があります。風力に合わせて可変速度で電力が生成されると、インバータがそれを系統互換のACに変換します。そのプロセスで高調波（主周波数と一致しない余分な電流波）が生成され、高調波に対応するように設計されていない場合、変圧器が過熱する可能性があります。標準的な乾式変圧器には「高調波係数」定格がある場合がありますが、耐風圧定格のものは、これを軽減するために追加の絶縁体とより大きな導体が組み込まれています。当社の 250 KVA 乾式降圧ユニットは、クラス 200 絶縁と 1.5 の高調波負荷係数で設計されており、過熱することなく高調波による 50% 多い負荷を処理できることを意味します。これについては、昨年、地域の風力タービン メーカーと広範囲にテストしました。高調波に対して定格されていない、より安価な汎用の 250 KVA ユニットを購入した場合、風力環境では寿命が 10 ～ 15% 短くなることがわかります。風力発電所の変圧器が 25 ～ 30 年の寿命を必要とする場合、これは大きな問題です。
もう一つの要因は、設置場所です。乾式変圧器は屋内または屋外に設置できますが、風力発電の用途では、屋外ユニットは極端な温度、湿度、ほこり、さらに沿岸風力発電所の場合は時折の塩気にも耐える必要があります。当社の 250 KVA ユニットには、オプションの耐候性エンクロージャと耐腐食性コーティングが付属しており、これは山岳地帯や海岸沿いの風力発電所には必須です。たとえば、当社が供給したミネソタ州北部の風力発電所では、当社の 250 KVA 屋外ユニットを使用して、1.5 MW タービンからの 13.8 kV を敷地内の農場の建物用の 480 V に降圧しています。-20°F の冬でも、18 か月間完璧に稼働しました。同じプロジェクトでは、メインの降圧にさらに大型のユニットを使用します。当社の 1600 KVA 乾式変圧器は、1.5 MW のタービン出力をすべて処理できるように設計されており、同様の高調波および環境定格を備えています。
皆さんの中には、補助負荷用に 80 KVA 乾式電源変圧器のような小型のものを採用したらどうだろうか、と考えている人もいると思います。家庭のみに電力を供給する小型の単一タービン システムの場合は、これでも機能するかもしれませんが、敷地に小型の給湯器、作業場、またはソーラー パネル アレイを追加すると、すぐに 80 KVA を超えてしまいます。 250 KVA は、容量 10 MW 以上の実用規模の風力発電所向けに設計された当社の 2500 KVA 乾式変圧器のように過剰になることなく、基本的な補助電力と小さな主電力の降圧の両方を処理するのに十分な多用途性を備えています。ユーティリティ規模のプロジェクトには、大規模で一貫した負荷と系統連係要件を処理できるユニットが必要です。そのため、そこでは 250 KVA ではなく 2500 KVA が適切な判断となります。
待ってください。系統間接続要件について話しましょう。それは人々が見落としている風力発電の大きな部分だからです。風力発電システムが電力網に接続されている場合、変圧器は電力会社の相互接続基準を満たす必要があります。この基準には、多くの場合、電圧調整、故障電流の処理、ノイズ制限などが含まれます。乾式変圧器は油入変圧器よりも静かで、住宅地の近くの風力発電プロジェクトにとっては有利です。騒音制限は厳しく、当社の 250 KVA ユニットは 1 メートルで 55 dB 未満で動作するように設計されており、小規模風力発電所の地域騒音条例のほとんどを満たしています。故障電流の処理も問題です。風力タービンは系統障害時に高い故障電流を生成する可能性があり、変圧器は故障することなくそれに耐えることができなければなりません。当社の 250 KVA ユニットは 25 kA の短絡耐性定格を備えており、これはほとんどの分散型風力発電網の接続点には十分以上です。
スペックは優れていますが、実際のパフォーマンスはさらに優れているため、これを実際の例とともにまとめてみましょう。昨年、オハイオ州のプロジェクト開発者から、地元の小学校向けに 400 kW の小型風力タービンについて問い合わせがあり、変圧器を 200 KVA と 250 KVA のどちらにするかを検討していました。オンサイトの合計負荷は 180 KVA でしたが、後で小型蓄電池システムを追加できる余地を残しておきたいと考えていました。これにより、さらに 50 KVA が追加されることになります。私たちは 250 KVA の乾式降圧ユニットを推奨しました。その理由は次のとおりです。このユニットはタービンのピーク出力 400 KVA に対応します (いや、訂正、タービンの定格出力は 400 kW なので、力率 0.8 では 500 KVA になります? いや、ちょっと待ってください。わかりやすくするために力率の計算を明確にしましょう。実電力 (kW) = 皮相電力 (KVA) x 力率です。ほとんどの風力発電ではタービンは力率 0.95 で動作するため、400 kW のタービンは約 421 KVA になります。その場合、主な降圧は少なくとも 450 KVA である必要があります。しかし、待ってください。その小学校では、タービン出力を直接供給するのではなく、学校の基本負荷を相殺するために風力タービンを使用していました。そのため、風が強く吹いているときは、余剰電力を電力網に供給します。そうではありません。彼らは送電網から電力を供給しており、変圧器は 12.47kV の送電網から学校で使用されている 480V に降圧され、風力タービンはその変圧器の低圧側に接続されていました。そのため、変圧器の負荷は学校の基本負荷 (150 KVA) と風力タービンの出力 (最大 421 KVA) の混合となり、余剰分は送電網に送られることになりました。 500 KVA ユニットですが、ちょっと待ってください。小規模な補助変電所があったため、風力タービンのナセル制御用に別の変圧器が必要でした。そこで 250 KVA が登場しました。この補助変圧器は、ナセルからの 5 KVA と通信機器用の 10 KVA を処理し、学校職員用の電気自動車の充電器などの将来の補助負荷用に 235 KVA を残します。これがまさに 250 KVA 乾式ユニットの使用例です。は完璧です。負荷が小さく、対象を絞ったもので、成長の余地があり、風力特有の要件に準拠しています。
別の例: 3 台の 1.2 MW タービンを備えたテキサス州の風力発電所では、各タービンの制御システムと通信装置に補助変圧器が必要でした。各タービンの補助負荷は 15 KVA であるため、3 つでは 45 KVA、さらに農場のメンテナンス ショップおよびオフィス用の中央補助負荷として 80 KVA が追加されます。その合計は 125 KVA なので、やはり 250 KVA ユニットであれば、センサー、気象観測所、または制御室のバックアップ電源を追加するための十分な余裕が得られます。このプロジェクトでは、主要な降圧に当社の大型ユニットを使用しています。各タービンに 1000 KVA 乾式変圧器があり、34.5kV から 480V に降圧され、中央の 2000 KVA 乾式変圧器は、3 つのタービンすべてからの電力を結合してから系統に供給します。各タービンの最大出力は 1200 kW (0.95 PF で 1263 KVA) であるため、これは理にかなっています。したがって、タービンの連続出力には 1000 KVA のユニットで十分であり、スパイクに対する余裕があり、中央ユニットのサイズは合計約 3.6 MW の出力に対応します。
では、250 KVA 乾式降圧変圧器はいつ登場しますかない風力発電の正しい選択は？ 2 MW を超えるタービンを備えた実用規模の風力発電所を建設する場合、メインの降圧変圧器はさらに大きくなります。当社では 3 MW タービンを備えたプロジェクトに 2500 KVA ユニットを供給しました。これらのタービンの出力は最大容量で約 3150 KVA であるため、それに対応できるユニットが必要です。 1 MW タービンの全出力を降圧変圧器 (系統連系なし、オンサイト負荷のみ) に接続するプロジェクトがある場合、250 KVA では小さすぎます。追加のバッファーが必要な場合は、少なくとも 1250 KVA ユニット、または当社の 1600 KVA ユニットが必要です。変圧器を年中無休、またはそれに近いフル容量で稼働させることを計画している場合、250 KVA は風力発電の長期変動負荷には十分な耐久性がない可能性がありますが、当社の特殊な設計により、定格容量の 90% でも 25 年間持続することが確認されています。
ちょっと待って、よくある俗説に対処しましょう。乾式変圧器は油入変圧器よりも効率が低いと考える人もいますが、250 KVA のような小型の KVA サイズの場合、効率の差は無視できます。当社の 250 KVA 乾式変圧器の効率評価は 99.2% で、これは油入式ユニットと同等であり、メンテナンスの削減 (オイル検査や流体漏れがない) による節約により、遠隔地で困難なことが多い風力発電所にとって、より良い長期投資になります。オイル交換のためにアクセスします。これは、設置場所が最寄りの道路から数マイル離れた場所にある可能性がある分散型風力発電にとっては大きな利点です。そのため、メンテナンスの必要性をできる限り少なくする機器が必要です。
ここで、風力プロジェクト用の 250 KVA 乾式降圧変圧器を選択する前に実行する必要がある重要なチェックを行います。まず、風力タービンの出力、補助負荷、将来の追加分を含む見かけの負荷の合計を計算します。10 ～ 15% のバッファを追加します。したがって、必要な合計が 200 KVA の場合、250 KVA が最適です。次に、高調波定格を確認します。変圧器が風力インバータからの非線形負荷向けに設計されていることを確認してください。そのため、当社のユニットのように少なくとも 1.3、できれば 1.5 の高調波係数を探してください。 3 番目に、環境評価を確認します。屋外に使用する場合は、NEMA 3R または 4 のエンクロージャ、海岸または工業用地向けの耐食性、および地域の気候向けの温度評価を探します。 4 番目に、グリッド相互接続またはローカル コードの要件を確認します。一部の電力会社では特定の短絡定格またはノイズ レベルが必要なため、ユニットがそれらを満たしていることを確認してください。
結局のところ、250 KVA 乾式降圧変圧器は風力発電システムで間違いなく使用できます。必要なのは、適切なアプリケーションを選択することだけです。これは、大型タービンの全出力を主に低下させるためのものではありませんが、補助負荷、家庭や中小企業に電力を供給する小規模分散型風力プロジェクト、および大規模な風力システムのバックアップとして最適です。当社はこれらのユニットを全米の風力プロジェクトに数十台供給してきましたが、再生可能エネルギー システム特有の需要に合わせて特別に設計されているため、安価な非専用変圧器よりも常に優れた性能を発揮します。
風力発電プロジェクトを計画していて、250 KVA 乾式降圧変圧器がニーズに適しているかどうかについて話し合いたい場合、または当社の風力定格変圧器の全製品ライン (小規模住宅用のコンパクトな 80 KVA ユニットから事業規模の農場用の堅牢な 2500 KVA ユニットまで) を検討したい場合は、お気軽にご相談ください。当社は全国のプロジェクト開発者、エンジニア、設置業者と協力して、規模に関係なく、特定の風力システムのニーズに適切な変圧器を適合させます。
参考文献
- 米国エネルギー省。 （2022年）。分散型風力発電市場レポート: 2022 年版。エネルギー効率・再生可能エネルギー局。
- 電気電子学会。 （2019年）。乾式配電および電源変圧器に関する IEEE 規格。 IEEE 標準 C57.12.00-2019。
- 風ヨーロッパ。 （2021年）。風力発電のグリッド統合のための技術要件。風のヨーロッパ出版物。
- 全国電気製造者協会。 （2020年）。再生可能エネルギー システム向け乾式変圧器アプリケーション ガイド。 NEMA 出版物 TP 1-2020。
