Evaluation of the controllable flexibility reserve of the power transformers for short-term planning and real-time operation of power system

Abstract

A power transformer is a large capital asset and a critical element of a power system. A failure of a transformer leads to costly grid congestion measures, which can be avoided by increasing grid flexibility.The main aim of this work is to implement a cooling system into the existing top-oil temperature model to analyse the available loading reserve and flexibility of the powertransformers. For this purpose the IEC 60076-7 loading guide model is complemented by model suggested by M.Djamali. load, winter and summer ambient temperatures are used as inputs. The reference transformer is a 58/45/40 MVA power transformer with ONAF/ONAF/ONAN cooling system.The comparison of the different cooling control system strategies is conducted for the following scenarios: Wind Farm Collector Transformer (two load profiles), Solar Farm Collector Transformer (one load profile), interconnecting transformer (one load profile) and pre-cooling with different fan activation time, prior to grid emergency. Additionally, the time that the pre-cooled system required to achieve full temperature reserve is estimated together with linear temperature gain.The results show that for both wind load profiles, the system controlled by load and the system controlled by hottest-spot temperature, are the optimal cooling control strategies,for winter and summer ambient temperature. For the solar load profile, by summer ambient temperature, the system controlled by top-oil temperature is sufficient or all three governing variables can be applied and by winter ambient temperature no additional cooling is required. For the interconnecting transformer, operating in normal conditions, by summer ambient temperature, the systems controlled by top-oil and by hottest-spot temperature are optimal and no additional cooling is required during the winter at (n-1)-designcriterion for normal grid operation.Time that the pre-cooled system required to achieve the full temperature reserve ranges between 94-96 minutes irrespective of the ambient temperature and fan activation start,with a rated oil time constant of 150 min for the specified transformer. Overall, it can be concluded that pre-cooling is effective only by short-term peaks. Maximum achievable linear temperature gain is 0.03C/min by mean duration of 125 minutes. Pre-cooling by winter is not required.

Ein Leistungstransformator ist ein maßgebliches Element eines Stromversorgungssystems und gleichzeitig eine große Investition. Ein Transformatorausfall führt zu kostspieligem Engpassmanagement-Maßnahmen, die man durch erhöhte Flexibilität des Netzes vermeiden kann. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Integration eines Kühlsystems in das existierende Temperatur der obersten Ölschichten Modell, um die Auslastungsreserve und Flexibilität von Öl gefüllten Transformatoren zu analysieren. Hierfür wird das Modell aus dem Leitfaden für die Belastung von mineralöl gefüllten Leistungstransformatoren (IEC 60076-7) herangezogen und um das Modell von M.Djamali erweitert. Last und Umgebungstemperatur (für Winter und Sommer) werden als Eingangsgröße verwendet. Der Referenztransformator ist ein 58/45/40 MVA-Leistungstransformator mit ONAF/ONAF/ONAN Kühlsystem. Verschiedene Kühlungssystems-Steuerungsstrategien, werden, in folgenden Szenarien, miteinander verglichen: Windkraftwerks-Sammeltransformator (zwei Lastprofile),Solarkraftwerks-Sammeltransformator (ein Lastprofil), Umspannwerkstransformator (ein Lastprofil), sowie Ventilator-Vorkühlung mit unterschiedlichen Aktivierungszeiten,vor einem Netzengpass. Zusätzlich wurde die Zeit, welche das System benötigt, um die vollständig verfügbare, thermische Reserve zu erreichen, sowie das Verbrauch der Reserve nach dem Ereignis im Netz, berechnet. Die Ergebnisse der beiden Windlast-Szenarien zeigen, dass die mit Auslastung, beziehungsweise Heißpunkttemperatur, gesteuerten Kühlanlage, eine optimale Kühlungssystems-Steuerungsstrategie, für Sommer- und Winterumgebungstemperaturen aufweisen. Im PVlast-Szenario zeigt sich, dass alle Steuergrößen eine ausreichend gute Kühlung im Sommer aufweisen, im Winter ist keine Kühlung notwendig. Im Falle des Umspannwerkstransformators ist, für Sommerumgebungstemperaturen, das Heißpunkttemperatur gesteuerte System, sowie jenes mit Temperatur der obersten Ölschichten-Steuerung, optimal. Im Winter ist auch hier keine Kühlung notwendig. Das System mit Ventilator-Vorkühlung benötig zwischen 94 und 96 Minuten bei Bemessungsölzeitkonstante von 150 min des untersuchten Transformators, um die volle thermische Reserve zu erreichen, unabhängig von der Umgebungstemperatur und der Einschaltzeitpunkt der Ventilatoren. Ventilator-Vorkühlung ist nur bei kurzfristiger Spitzenlast effektiv. Der maximale lineare Temperaturanstieg beträgt 0,03 °C/Minute bei mittlerer Dauer von 125 Minuten. Allgemein ist eine Vorkühlung im Winter nicht notwendig.