Capacités thermique dynamique des transformateurs de puissance : Modélisation, Concepts et cas d'Application

Abstract

This thesis investigates a promising and mature technology: Dynamic Thermal Ratings (DTR) of mineral-oil-filled transformers. In short, DTR represents a thermal limit that varies in time as a function of external (ambient) and internal (winding, oil) temperatures of transformers. Considerations of the transformer’s thermal state may allow operating the transformers above their nameplate ratings and thus better utilizing their capacities.The thesis describes a global context, identifies the incentives appearing worldwide, and explains why transformers were chosen as a research object. Next, the reader may find the state of the art on the thermal performance of power transformers, answering the questions:•What are the current and temperature limits of the transformer’s winding and oil?•Why is it necessary to operate the transformers below these limits?•Which factors may affect the permissible loading of power transformers?Furthermore, the reader may find a review explaining how the vision of the transformer’s thermal limits was evaluated historically from the early XX century and up to nowadays.As an output of this discussion, we formulate the main hypothesis stating thattransformer capacity is still underutilized per IEC and IEEE loading guides despite recent advances. Therefore, three main tasks were set to enhance the utilization of transformer capacities. First, it was decided to reassess DTR using current and temperature limitations per IEC standard. This implies using the intermittent limit of winding temperature (120 or 140 °C) instead of its continuous limit (98 or 110 °C) as done in similar studies. Second, it was decided to investigate how much load can be connected to power transformers if using DTR alone and with flexibilities (on the example of Demand Response). The latter allows modifying the load profile of the transformer and thus optimizing its utilization from the thermal state perspective. Third, it was decided to find a maximal energy transfer through a transformer, i.e. energy limit. Also, we investigate optimal ageing considering the remaining time of the transformer’s operation and the remaining life of winding insulation.As the main methods, we rely on the thermal modelling of transformers through IEC 60076-7 standard (a difference method), widely used in industry and academia. Also, we use heuristic and optimization techniques from MATLAB to optimize the utilization of transformer capacities. Statistics methods were applied for processing the data and results.Our main results demonstrate that power transformers may have around 30-35% more capacity (compared to continuous limits) if using DTR based on intermittent temperature limits. It was also shown that the reserve capacity of the power transformer has significant headroom for load connections (compared to a business-as-usual approach). Furthermore, a small amount of demand response may boost this headroom even far more. Finally, we introduced a new concept – the energy limit of the power transformer. Moreover, we suggested using the variable optimal ageing limit, depending on the remaining insulation life of the transformer and its expected calendar life.MATLAB code and the initial data used in this thesis is available in open access on GitHub.Cette thèse porte sur une technologie Dynamic Thermal Ratings (DTR) des transformateurs à huile minérale. En bref, DTR représente une limite thermique qui varie dans le temps en fonction des températures externes (ambiantes) et internes (enroulement, huile) des transformateurs. La prise en compte de l'état thermique du transformateur permet de faire fonctionner les transformateurs au-delà de leur puissance nominale et donc de mieux utiliser leurs capacités.La thèse décrit un contexte global, identifie les incitations à une meilleure utilisation des capacités des réseaux, et explique pourquoi les transformateurs ont été choisis comme objet de recherche. Ensuite, le lecteur pourra trouver l'état de l'art sur la performance thermique des transformateurs de puissance, répondant aux questions :- Quelles sont les limites de courant et de température de l'enroulement et de l'huile du transformateur?- Pourquoi est-il nécessaire de faire fonctionner les transformateurs en dessous de ces limites?- Quels facteurs peuvent affecter la charge admissible des transformateurs de puissance?De plus, le lecteur trouvera une revue expliquant comment la vision des limites thermiques des transformateurs a été évaluée historiquement depuis le début du XXème siècle jusqu'à nos jours.A l'issue de cette discussion, nous formulons l'hypothèse principale selon laquelle la capacité des transformateurs est toujours sous-utilisée selon les guides de chargement de la CEI et de l'IEEE. Par conséquent, trois tâches principales ont été définies pour améliorer l'utilisation des capacités des transformateurs. Premièrement, il a été décidé de réévaluer le DTR en utilisant les limites de courant et de température selon la norme CEI. Cela implique d'utiliser la limite intermittente de la température des enroulements (120 ou 140 °C) au lieu de sa limite continue (98 ou 110 °C) comme cela a été fait dans des études similaires. Deuxièmement, il a été décidé d'étudier la quantité de charge pouvant être connectée aux transformateurs de puissance si l'on utilise le DTR seul et avec des flexibilités (sur l'exemple de la réponse à la demande). Cette dernière permet de modifier le profil de charge du transformateur et donc d'optimiser son utilisation du point de vue de l'état thermique. Troisièmement, il a été décidé de trouver un transfert d'énergie maximal à travers un transformateur, c'est-à-dire une limite d'énergie. Enfin, nous étudions le vieillissement optimal en tenant compte du temps de fonctionnement restant du transformateur et de la durée de vie restante de l'isolation des enroulements.Comme principales méthodes, nous nous appuyons sur la modélisation thermique des transformateurs par la norme IEC 60076-7 (une méthode par différence), largement utilisée dans l'industrie et le monde universitaire. Nous utilisons également des techniques heuristiques et d'optimisation de MATLAB pour optimiser l'utilisation des capacités des transformateurs. Des méthodes statistiques ont été appliquées pour le traitement des données et des résultats.Nos principaux résultats démontrent que les transformateurs de puissance peuvent avoir environ 30-35% de capacité en plus (par rapport aux limites continues) si on utilise le DTR basé sur des limites de température intermittentes. Il a également été démontré que la capacité de réserve du transformateur de puissance a une marge importante pour les connexions de charge (par rapport à une approche habituelle). En outre, une petite quantité de réponse à la demande peut augmenter encore plus cette marge de manœuvre. Enfin, nous avons introduit un nouveau concept - la limite énergétique du transformateur de puissance. En outre, nous avons suggéré d'utiliser la limite de vieillissement optimal variable, en fonction de la durée de vie restante de l'isolation du transformateur et de sa durée de vie calendaire prévue.Le code MATLAB et les données initiales utilisées dans cette thèse sont disponibles en accès libre sur GitHub