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編者按：針對長期低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，介紹了空載損耗性就地升壓非晶合金鐵心變壓器。結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特征，對繞組分裂形式、聯(lián)接組標(biāo)號進(jìn)行分析，提出鐵心設(shè)計、溫升和絕緣水平修正、繞組繞制工藝、引線工藝等技術(shù)要點(diǎn)，對該變壓器的工程設(shè)計具有較好的指導(dǎo)作用。

光伏逆變用非晶合金鐵心升壓變壓器

工藝與分析

張志立、張興旺

（南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇南京211000；

上海置信電氣股份有限公司，上海200336）

 

摘 要：針對長期低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，介紹了空載損耗性就地升壓非晶合金鐵心變壓器。結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特征，對繞組分裂形式、聯(lián)接組標(biāo)號進(jìn)行分析，提出鐵心設(shè)計、溫升和絕緣水平修正、繞組繞制工藝、引線工藝等技術(shù)要點(diǎn)，對該變壓器的工程設(shè)計具有較好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：光伏逆變；非晶合金；變壓器；軸向雙分裂

引言

太陽能是最具開發(fā)價值的可再生能源之一，光伏發(fā)電逐漸成為世界能源供應(yīng)的主體。太陽能受天氣狀況、季節(jié)變化、晝夜交替等因素影響，日照強(qiáng)度及時長的不確定性，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，長期低負(fù)荷運(yùn)行成為常態(tài)，參考文獻(xiàn)[1] 指出宜選用低損耗電力變壓器。非晶合金鐵心變壓器（簡稱非晶變) 具有極低的空載損耗特性，適合長期性低負(fù)荷運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)用于光伏發(fā)電有利于減少能耗，提高太陽能對電能的轉(zhuǎn)化率。

1、光伏發(fā)電單元模塊

目前市場上技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、規(guī)模應(yīng)用的逆變器單機(jī)容量為500 ～ 630kW。受制于逆變器容量的限制，光伏電站中一般將光伏組件與逆變器連接成一個最小發(fā)電單元，并采用雙分裂升壓變壓器組成一個發(fā)電單元模塊，即一臺升壓變壓器并聯(lián)兩套逆變器最小發(fā)電單元，如圖1 所示，有效減少變壓器的臺數(shù)以及限制并聯(lián)的兩臺逆變器交流輸出側(cè)的環(huán)流。

 

圖1 光伏發(fā)電單元模塊示意圖

因此升壓變壓器容量為1000 ～ 1300kVA，而逆變器輸出電壓主要有270、315、400V 三種規(guī)格，通過光伏升壓變壓器就地升壓到10kV 或35kV，最后送入輸配電系統(tǒng)完成并網(wǎng)工作。光伏升壓變壓器一般是以組合式變壓器（美變) 或預(yù)裝式變電站（歐變) 的成套裝置進(jìn)行供貨，本文僅對變壓器本體進(jìn)行分析。

2、光伏用升壓變壓器

2.1 繞組分裂形式分析

雙分裂變壓器由1 個高壓繞組和2 個低壓繞組構(gòu)成，它的電磁工作原理類似于三繞組變壓器。變壓器分裂形式可以幅向分裂和軸向分裂，在制造工藝上有一定差異，如圖2 所示。

 

圖2 變壓器分裂形式示意圖

圖2a) 所示的幅向分裂一：兩個低壓繞組位于高壓繞組的兩側(cè)，擁有兩個主空道，制造成本較高，絕緣事故隱患增大，且難以保證兩個分裂繞組的半穿越阻抗一致。

圖2b) 所示的幅向分裂二：兩個低壓繞組位于高壓繞組的內(nèi)側(cè)。這種分裂方式，為了確保兩組低壓繞組的阻抗相同，可以采用交錯繞制方式；實際上相當(dāng)于兩組低壓繞組做成雙層箔繞的形式，但銅箔與銅箔間必須設(shè)置絕緣，從而成為兩組獨(dú)立的繞組。如圖3 所示。

 

圖3 交錯繞制示意圖

如果為線繞繞組，則可制成多層圓筒式，但需把線匝分成兩股獨(dú)立的引線引出，使之成為兩組低壓繞組。缺點(diǎn)是分裂阻抗小，兩路低壓繞組磁耦合強(qiáng)，運(yùn)行時相互影響較大。

圖2c) 所示的軸向分裂：高低壓繞組分別軸向分裂，如同上下對稱。這就從結(jié)構(gòu)上和制造上可以保證參數(shù)基本一致，分裂阻抗較大，半穿越阻抗幾乎相等。因此光伏升壓變壓器建議采用圖2c) 所示的軸向分裂形式。其阻抗計算可參考文中參考文獻(xiàn)[2]。

2.2 聯(lián)接組標(biāo)號

三次諧波可以在D 接繞組中流通，可以有效減少諧波對電網(wǎng)影響。對于10kV 光伏升壓變壓器，可用Dy11y11 形式，符合普通配變的習(xí)慣。對于35kV 光伏升壓變壓器，更建議采用Yd11d11 形式。高壓為Y 接，相電壓為線電壓1/3，繞組局放易控制，質(zhì)量更有保障。

2.3 鐵心設(shè)計

2.3.1 磁密

光伏逆變器在實際運(yùn)行時，波形通常處于不對稱狀況，也就是產(chǎn)生了直流偏磁，通常要求并網(wǎng)時直流電流分量不得超過其交流額定值的1％。發(fā)生直流偏磁時，直流分量被升壓變壓器隔離，雖不會流入電網(wǎng)，但會引起變壓器鐵心磁密發(fā)生疊加而增大，勵磁電流和噪聲也隨之增大，嚴(yán)重時可引起鐵心飽和和勵磁電流畸變。因此在磁密選取上建議相比較常規(guī)產(chǎn)品降低0.05 ～ 0.1T。如用戶對噪聲要求較高時，參考文中參考文獻(xiàn)[3] 磁密和噪聲的關(guān)系（磁密每升高0.05T，鐵心空載噪聲增加約2dB，變壓器成品則可增加5dB 左右)，適當(dāng)降低磁密設(shè)計。

2.3.2 鐵心工藝系數(shù)

采用軸向分裂的非晶變，鐵心窗高相對較高，其非晶鐵心工藝系數(shù)比同容量常規(guī)非晶鐵心工藝系數(shù)降低3％～ 5％，可簡單按下式計算：

 

式中：KFe1、HW1 表示同容量常規(guī)非晶變鐵心工藝經(jīng)驗系數(shù)和窗高；KFe2、HW2 表示軸向分裂非晶變鐵心工藝系數(shù)和窗高。

鐵心的斷口應(yīng)分布式搭接，搭接長度8 ～ 10mm，不得錯層錯搭，最外層用硅鋼片做成鋼扣收緊，以保證鐵心性能最佳。

2.3.3 鐵心處理

作為鐵心制作中最關(guān)鍵的退火處理，目的是消除鐵心成型過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，恢復(fù)磁特性。根據(jù)經(jīng)驗，除了掌握適應(yīng)各廠家非晶帶材的升溫、保溫、降溫工藝曲線，退火爐內(nèi)的爐溫均勻性也是提高鐵心品質(zhì)的重要因素，爐溫與鐵心溫度關(guān)系如圖4 所示。通過改善退火爐加熱環(huán)境，合理布置熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，使各點(diǎn)爐溫最大偏差為2.5℃以內(nèi)，同時在嚴(yán)密的氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下可獲得較好的熱處理效果[4]。

 

圖4 爐溫與鐵心溫度關(guān)系圖

鐵心表面涂覆有利于抑制鐵心振動，降低噪音和減少碎片的產(chǎn)生。如光伏非晶變?yōu)橛徒阶儔浩鳎雷?，鐵心側(cè)面可用膠水涂覆，鐵心收攏搭接口后整體包裹處理，可有效防止變壓器運(yùn)行時非晶碎片散落到油當(dāng)中引起質(zhì)量隱患；干式變壓器（歐變)，則可采用樹脂涂覆，涂覆厚度1.0 ～ 1.5mm 為佳。

2.4 溫升和絕緣水平

考慮逆變器輸出電流諧波的影響，溫升設(shè)計應(yīng)將繞組直流損耗、電磁線渦流損耗、諧波影響損耗累計計算。精細(xì)的計算有利于控制成本，同時保證變壓器最熱點(diǎn)溫度不超過絕緣材料允許溫度。特別提出的是，對于干式變壓器，因為軸向分裂繞組較高，在散熱空氣由繞組底部對流到頂部時，往往造成上部繞組出現(xiàn)10K 以上相對于下部繞組的溫差，這就需要降低溫升設(shè)計或上部繞組的絕緣材料選用更高的耐熱等級。

光伏發(fā)電往往安裝在氣候環(huán)境惡劣場所，對于高海拔運(yùn)行地區(qū)，絕緣水平和溫升限值都要按照GB1094.2和GB1094.11 的規(guī)定進(jìn)行修正。環(huán)境溫度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常條件時，溫升限值也要注意按超過部分進(jìn)行減小修正。

2.5 其他工藝要求

軸向雙分裂升壓變壓器的兩組低壓輸入源，通常運(yùn)行狀況都是上下一致的。而當(dāng)其中一路發(fā)生接地故障時，變壓器上下將不再對稱，此時鐵心中失去磁平衡，導(dǎo)致在軸向上產(chǎn)生巨大的短路機(jī)械應(yīng)力，產(chǎn)生巨大隱患。非晶合金鐵心截面通常為矩形，繞組的截面形成圓角矩形，這種繞組的幅向受力具有先天缺陷；同時非晶帶材不能受力，任何機(jī)械應(yīng)力都可能影響其磁性能和噪聲[5]。

 

圖5 干變軸向分裂繞組示意圖

在光伏發(fā)電無人值班或少人看守的要求下，以上問題在各環(huán)節(jié)的設(shè)計和工藝上都要認(rèn)真采取必要措施，提高變壓器質(zhì)量可靠性。

2.5.1 低壓繞組

低壓繞組采用銅箔繞制，上下分裂繞組對稱布置，用雙層箔繞機(jī)一體化同步繞制而成，端部平整度好，尺寸易控制。油浸式變壓器的低壓繞組內(nèi)側(cè)必須設(shè)置硬質(zhì)環(huán)氧骨架，強(qiáng)度足以承受幅向短路電動力，避免繞組變形和鐵心受力；分裂繞組中間的間隙用環(huán)氧板填充緊實。干式變壓器用樹脂澆注成整體，抗突發(fā)短路能力大幅提升。

2.5.2 高壓繞組

高壓繞組同樣以中間呈對稱布置，合理布置線匝，盡量實現(xiàn)安匝平衡。油浸式變壓器的高低壓繞組進(jìn)行套繞，整體進(jìn)行浸漆處理能進(jìn)一步提升機(jī)械性能。干式變壓器將兩組分裂繞組整體樹脂澆注，形成一體，如圖5所示。

2.5.3 引線

軸向雙分裂變壓器的引線從上部和下部對稱的引出。干式變壓器的引線相對簡單，主要考慮足夠的安全距離和引線的固定。

油浸式變壓器的引線相對復(fù)雜的多。由于引線根數(shù)增多，空間布置范圍大，尤其注意預(yù)留引線布置的油箱空間，增加足夠的引線夾來固定引線，以及保證低壓引線的電阻平衡。一般要求出廠成品的電阻不平衡率為1％，在產(chǎn)品設(shè)計時就應(yīng)推算準(zhǔn)確，選用合適截面的銅排或銅絞線。

2.5.4 接地屏蔽

高低壓繞組之間設(shè)置接地屏蔽的作用有限。因為諧波含量相比整流變壓器的運(yùn)行環(huán)境要低的多，接地屏如處理不好易增加故障隱患，制造成本也提高。

3、結(jié)語

針對光伏發(fā)電長期低負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)，具有極低空載損耗（設(shè)計水平代號15 型以上) 的非晶合金鐵心升壓變壓器對提高太陽能轉(zhuǎn)換率無疑是最佳選擇。該產(chǎn)品宜采用軸向分裂，結(jié)合逆變電路直流偏磁、諧波含量、分裂運(yùn)行故障的影響，在鐵心設(shè)計、阻抗計算、溫升設(shè)計上要進(jìn)行科學(xué)修正，同時在繞組繞制工藝、引線工藝等方面需加強(qiáng)機(jī)械性能。通過對這些細(xì)節(jié)的充分掌握，才能真正設(shè)計和制造出安全可靠、性能穩(wěn)定的新能源產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范：GB50797—2012[S]. 北京：中國計劃出版社，2012：31-37.

[2] 賈賀強(qiáng)，譚黎軍. 軸向雙分裂結(jié)構(gòu)變壓器阻抗計算的修正系數(shù)和分裂系數(shù)分析[J]. 變壓器，2005，42（11)：1-4.

[3] 趙小瑩. 非晶合金干變兩種結(jié)構(gòu)形式及噪聲控制[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（3)：100-102.

[4] 張志立，凌健，李然，等. 大容量干式非晶合金鐵變壓器的研制[J]. 變壓器，2018，55（3)：6-8.

[5] 崔立君. 特種變壓器理論與設(shè)計[M]. 北京：科技文獻(xiàn)出版社，1996.