Transformador elevador de planta solar (inverter duty)

Respuesta corta

El transformador elevador de una planta solar, llamado en inglés inverter duty transformer, recibe la baja tensión de los inversores y la eleva a la media tensión de la red colectora. Se diferencia de un transformador de distribución en que suele tener dos devanados de baja tensión, uno por inversor o por mitad del cuadro, trabaja con corrientes de inversor que traen armónicos, puede llevar pantalla electrostática entre devanados y pasa cada noche energizado y sin carga. La guía de referencia es IEEE C57.159-2016; en IEC se especifica con la serie IEC 60076.

Qué es y dónde está

En cada estación de transformación de una planta solar hay un transformador que recibe la energía de los inversores en baja tensión, del orden de 600 a 800 V según la arquitectura, y la eleva a la media tensión de la red colectora, que en las fichas de los fabricantes va de 10 a 35 kV. Ese transformador es distinto del que la subestación elevadora usa para pasar de media a alta tensión: este último es un transformador de potencia convencional que recibe la red colectora completa.

En inglés se le llama inverter duty transformer o PV transformer. El nombre resume la diferencia: no alimenta cargas, sino que recibe corriente de inversores y la exporta a la red.

Qué lo distingue de un transformador de distribución

Devanados de baja tensión múltiples. Muchas estaciones usan un transformador de tres devanados: un primario de media tensión y dos secundarios de baja tensión. Las fichas de la Smart Transformer Station de Huawei, la MVS6400-LV de Sungrow y la Proteus PV Station de Gamesa declaran el grupo Dy11y11. Cada secundario alimenta un inversor central o una mitad del cuadro donde llegan los inversores string; las arquitecturas se describen en inversor central o string en plantas solares. Las estaciones de un solo inversor usan un transformador de dos devanados, por ejemplo Dy11.

Grupo de conexión. Con el triángulo del lado de media tensión, el transformador no aporta neutro a la red colectora: la referencia a tierra de esa red la da la subestación, con la estrella aterrizada del transformador elevador principal o un transformador de puesta a tierra. La ficha de la MV Power Station de SMA ofrece, además de Dy11, los grupos YNd11 e YNy0; cada opción cambia cómo se comporta la red colectora ante una falla a tierra, y se decide en la ingeniería, no en la compra. Corrientes con armónicos. El inversor entrega una corriente casi senoidal, pero con armónicos de conmutación. Las fichas declaran distorsión de corriente menor de 3 % (SMA) o menor de 1 % (Gamesa) a potencia nominal. El transformador se especifica para esa forma de onda, porque los armónicos aumentan las pérdidas adicionales y el calentamiento. El método para evaluar la capacidad de un transformador con corriente no senoidal está en IEEE C57.110.

Pantalla electrostática. Entre los devanados de baja y de media tensión puede ir una pantalla metálica conectada a tierra, cuya función es limitar el acople capacitivo entre los dos devanados, por donde pasarían hacia la red los transitorios rápidos de la conmutación del inversor. SMA la ofrece como opción en su estación («shield winding»). Si se especifica, la conexión a tierra de la pantalla se verifica en la recepción.

Ciclo diario. El transformador pasa de la potencia nominal a mediodía a vacío por la noche, cuando suele quedar energizado desde la red colectora para alimentar los auxiliares o para que el inversor entregue potencia reactiva nocturna si el proyecto lo pide. Por eso pesan tanto las pérdidas en vacío: las fichas europeas citan EN 50588-1 y SMA ofrece versiones de menores pérdidas en espera.

Refrigeración y líquido. Las fichas revisadas muestran aceite mineral con conservador y refrigeración ONAN (Huawei, Sungrow) o éster con refrigeración KNAN (SMA, Gamesa). Los transformadores secos existen para este servicio y la IEEE C57.159 cubre los dos tipos.

Tomas e impedancia. Las fichas declaran tomas sin carga de ±2 × 2,5 % y, en el caso de Sungrow, una impedancia de 8 %. La impedancia fija la corriente de cortocircuito que llega al cuadro de baja tensión y la caída de tensión del bloque; es un dato de la ingeniería, no un valor para copiar de otro proyecto.

Normas

IEEE C57.159-2016, IEEE Guide on Transformers for Application in Distributed Photovoltaic (DPV) Power Generation Systems. Recomendaciones generales y específicas para especificar, diseñar y aplicar transformadores en aceite y secos en sistemas fotovoltaicos comerciales, industriales y de servicio público. IEEE la lista como norma activa y tiene un proyecto de revisión en curso.
IEC 60076 (serie), que es la que declaran las fichas de las estaciones para el transformador.
IEC/IEEE 60076-16:2018 no aplica: es la de transformadores de aerogeneradores, hasta 72,5 kV, y excluye incluso los transformadores que reúnen varias turbinas.
EN 50588-1, eficiencia de transformadores de media potencia, en las versiones para Europa.

Protecciones propias del transformador

Las fichas de Huawei y Sungrow incluyen supervisión de nivel, temperatura y presión del aceite y relé Buchholz, propio de los transformadores con conservador. Un transformador hermético, sin conservador, usa en su lugar un relé de presión o de gas propio de ese diseño. Los contactos de disparo de estos dispositivos van al interruptor de la celda del transformador, junto con el relé 50/51, 50N/51N, que se describe en relé de la celda de transformador; vea también protecciones mecánicas del transformador.

Pruebas en la puesta en servicio

Las pruebas son las de cualquier transformador de distribución o de potencia mediana, con atención especial a lo que es propio de este servicio:

Relación, polaridad y grupo de conexión de cada devanado de baja tensión frente al de media tensión; con dos secundarios, se prueban los dos.- Resistencia de devanados de todos los devanados y en la toma de servicio.
Resistencia de aislamiento entre cada par de devanados y a tierra, incluida la pantalla si existe.
Aceite o éster: rigidez dieléctrica y análisis según el plan del proyecto.
Protecciones propias: disparo real de Buchholz, presión y temperatura sobre el interruptor de la celda.
Energización en vacío desde la red colectora antes de conectar los inversores.

El conjunto de pruebas y sus criterios están en comisionamiento de un transformador de potencia; la secuencia completa de la estación está en puesta en servicio de un skid solar.

Le ayudamos con sus transformadores

Nuestro equipo hace las pruebas a transformadores elevadores de estaciones solares en fábrica, en la recepción y en la puesta en servicio: relación y grupo de cada devanado, resistencia de devanados, aislamiento, aceite y disparos de sus protecciones propias. Vea el servicio de pruebas a transformadores de potencia o escríbanos con los datos de placa de sus transformadores.

Guías relacionadas

Referencias

IEEE C57.159-2016, IEEE Guide on Transformers for Application in Distributed Photovoltaic (DPV) Power Generation Systems.
IEEE C57.110, práctica recomendada para establecer la capacidad de transformadores con corrientes de carga no senoidales.
IEC/IEEE 60076-16:2018, Power transformers – Part 16: Transformers for wind turbine applications.
IEC 60076 (serie): transformadores de potencia.
EN 50588-1: transformadores de media potencia de 50 Hz, requisitos generales.
SMA, ficha técnica MV Power Station 2660-S2 / 2800-S2 / 2930-S2 / 3060-S2.
Huawei, especificaciones técnicas JUPITER-9000K-H0 / STS-6000K/3000K-H1 Smart Transformer Station.
Sungrow, ficha técnica MVS6400-LV.
Gamesa Electric, ficha técnica Proteus PV Stations.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un inverter duty transformer?

Es el nombre que se da en inglés al transformador diseñado para trabajar conectado a inversores: recibe su corriente, con armónicos y transitorios de conmutación, y la eleva a media tensión. IEEE C57.159-2016 reúne las recomendaciones para especificarlo, diseñarlo y aplicarlo en sistemas fotovoltaicos, tanto en aceite como seco.

¿Por qué el transformador de una estación solar tiene dos devanados de baja tensión?

Porque cada devanado de baja tensión se dedica a un inversor o a una mitad del cuadro de baja tensión. Los grupos que publican Huawei, Sungrow y Gamesa, como Dy11y11, muestran un primario en triángulo de media tensión y dos secundarios en estrella. Así cada inversor tiene su propio devanado.

¿Sirve la IEC 60076-16 para el transformador de una planta solar?

No. La IEC/IEEE 60076-16:2018 es la parte de la serie IEC 60076 para transformadores de aerogeneradores, que conectan la turbina a la red colectora del parque eólico. Para plantas fotovoltaicas no hay una parte IEC específica; se usan la serie IEC 60076 y, como guía de aplicación, IEEE C57.159-2016.