四分裂變壓器在大型并網(wǎng)光伏電站中的應(yīng)用

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 張曉峰 戴曉亮 呂丹

0 引言

分裂變壓器原先主要用于火力發(fā)電廠及地鐵等，但是隨著光伏電站的發(fā)展，分裂變壓器被用作光伏電站陣列升壓變。由于市場上大多數(shù)逆變器生產(chǎn)廠商制造的500 kW并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能適應(yīng)雙繞組變壓器，如果采用雙繞組變壓器作為升壓變必須為逆變器的交流出口配置隔離變壓器，而分裂變壓器既具有升壓變的功能，又可起到隔離變的作用，所以分裂變壓器在光伏發(fā)電中得到廣泛使用。

雙分裂變壓器被大型光伏并網(wǎng)電站選為升壓變，而其低壓線圈采用軸向分裂方式，在半穿越工作方式時(shí)抗短路能力差。大型并網(wǎng)光伏電站近年來的發(fā)展速度迅猛，在設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，通常根據(jù)市場上已成熟定型的雙分裂變壓器，將1 MW定為1個(gè)發(fā)電單元，并設(shè)置2臺500 kW的逆變器共用1臺雙分裂變壓器升壓構(gòu)成1個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其系統(tǒng)接線圖如圖1所示。隨著近年來國內(nèi)光伏電站建設(shè)容量逐漸增大，如果繼續(xù)采用雙分裂變壓器，則系統(tǒng)中變壓器、開關(guān)柜及線纜的數(shù)量增多，對于百兆瓦級以上的電站造成系統(tǒng)接線形式十分繁瑣，同時(shí)也增加故障點(diǎn)、土建工程量，延長了施工周期。而如果有雙分裂以上多分裂變壓器可供選擇時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)就可得到進(jìn)一步優(yōu)化，簡化系統(tǒng)、減少發(fā)電系統(tǒng)回路，可降低系統(tǒng)損耗，增加發(fā)電量，同時(shí)大幅減少高壓電纜的用量，高壓線路、變壓器等各種相關(guān)配套設(shè)備和保護(hù)設(shè)備也隨之得到減少和簡化，節(jié)省投資、提高效率。

圖1 1MW系統(tǒng)接線圖

面對這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的技術(shù)問題，我們提出一種容量為2000 kVA的四分裂變壓器。將其應(yīng)用在光伏電站中，可減少升壓變的數(shù)量，減少匯線的回路數(shù)，從而簡化系統(tǒng)接線形式，最終提出一個(gè)新的大型光伏電站的設(shè)計(jì)方案。

1 四分裂變壓器發(fā)電系統(tǒng)方案介紹

將1 MW子方陣單元提升至2 MW，就地升壓變壓器的容量相應(yīng)選擇2000 kVA。由于逆變器不能適應(yīng)雙繞組變壓器，因此變壓器需采用分裂形式，對應(yīng)連接4臺500 kW的并網(wǎng)逆變器，其接線系統(tǒng)如圖2所示。該設(shè)計(jì)方案提高了方陣的容量，但未增加就地升壓變壓器的數(shù)量，而是增加其容量，這樣減少了設(shè)備數(shù)量。因此，需要設(shè)計(jì)一種四分裂變壓器來滿足這種設(shè)計(jì)方案。

圖2 2MW系統(tǒng)接線圖

2 四分裂變壓器的結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)有的雙分裂變壓器中普遍采用輻向分裂或軸向分裂兩種技術(shù)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 分裂變壓器的結(jié)構(gòu)圖

采用軸向方式的分裂變壓器的結(jié)構(gòu)為：低壓繞組和高壓繞組內(nèi)外層嵌套設(shè)置，高壓繞組在外層(上下兩段采用并列連接形成一個(gè)整體)，低壓繞組在內(nèi)層，兩個(gè)低壓繞組的線圈直徑相同，并沿軸向依次疊加布置。采用輻向方式的分裂變壓器的結(jié)構(gòu)為：高壓繞組和兩個(gè)低壓繞組按照從外至內(nèi)的順序內(nèi)外層嵌套設(shè)置，高壓繞組在最外層，內(nèi)層兩個(gè)低壓繞組也是嵌套設(shè)置的。

對于采用軸向方式的分裂變壓器，由于多個(gè)低壓繞組沿軸向依次疊加布置，使得整個(gè)分裂變壓器的高度增大，不方便運(yùn)輸和使用。另外，低壓繞組軸向分裂后，大幅增加高壓繞組與低壓各分裂繞組之間的短路阻抗，阻抗的增大使整個(gè)變壓器的效率降低。

對于采用輻向方式的分裂變壓器，隨著分裂繞組的增多，使高壓繞組離鐵芯的距離越來越遠(yuǎn)，因此勵(lì)磁效率大幅度降低；另外，低壓繞組之間的電容電流增大，并且阻抗很難保證均衡，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；多個(gè)低壓繞組按照內(nèi)外嵌套的方式設(shè)置，各個(gè)低壓繞組的直徑不同，因此很難保證兩組或兩組以上的低壓繞組參數(shù)一致，并滿足高低壓繞組線圈的絕緣要求，也使得分裂變壓器在超載甚至短路時(shí)易被大短路電流破壞其熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性；同時(shí)，對于多分裂變壓器，由于內(nèi)外嵌套的層數(shù)較多，所述內(nèi)層線圈維修難度也很大。

因此，目前光伏電站使用的分裂變壓器結(jié)構(gòu)形式方面這兩種形式都有使用，但是由于這兩種形式自身的缺點(diǎn)，目前也只做到雙分裂，即低壓兩個(gè)繞組，對應(yīng)連接2臺500 kW的并網(wǎng)逆變器。

綜上所述，如果要采用2 MW的子單元方陣設(shè)計(jì)方案，就必須設(shè)計(jì)出一種四分裂變壓器。根據(jù)兩種不同分裂形式的優(yōu)缺點(diǎn)，通過深度的計(jì)算和分析后，可在變壓器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上采用軸向分裂和輻向分裂相結(jié)合的形式[1](如圖4所示，高壓線圈上下兩段采用并列連接形成一個(gè)整體)來設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)形式既避免了多個(gè)低壓繞組軸向分裂所產(chǎn)生高度增大、效率低的缺點(diǎn)；也避免了多個(gè)低壓繞組輻向分裂所產(chǎn)生勵(lì)磁效率大幅度降低、低壓繞組之間的電容電流將增大、阻抗很難保證均衡的問題。

圖4 軸向輻向結(jié)合分裂結(jié)構(gòu)圖

3 四分裂變壓器外形設(shè)計(jì)及主要參數(shù)

通過對上述四分裂變壓器結(jié)構(gòu)的分析，低壓線圈為軸向分裂與幅向分裂相結(jié)合的方式，上、中、下分別出線，且各設(shè)一散熱氣道，低壓線圈利用同一內(nèi)模分開繞制，使得線圈內(nèi)外徑盡量相同，氣道內(nèi)外尺寸相同，確保單組阻抗的平衡及散熱要求。高壓線圈采用多層分段圓筒式，降低了變壓器匝間、層間及段間的場強(qiáng)，使線圈中各部位的場強(qiáng)分布均勻，無局部場強(qiáng)過強(qiáng)情況。

利用軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行電氣的設(shè)計(jì)計(jì)算[2]，根據(jù)光伏電站對分裂變壓器的電壓、變比、阻抗及聯(lián)結(jié)組別等主要參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)1臺2000 kVA的四分裂變壓器，其外形圖如圖5所示。變壓器聯(lián)結(jié)組別采用“星-角-角-角-角”，即 YΔ11Δ11Δ11Δ11，如圖 6所示。選擇此聯(lián)結(jié)組別是由于角形接線可以抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)中的3、6、9次諧波。

圖5 四分裂變壓器外形圖

圖6 四分裂變壓器聯(lián)結(jié)組別

4 四分裂變壓器在光伏電站中的應(yīng)用優(yōu)勢

四分裂變壓器研制完成后，設(shè)計(jì)一套在大型光伏并網(wǎng)電站應(yīng)用的技術(shù)方案[3]。通過與常規(guī)雙分裂變壓器方案進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用了四分裂變壓器的方案簡化整個(gè)系統(tǒng)的接線、減少變壓器數(shù)量，逆變器室的數(shù)量也減少一半、電纜用量也節(jié)省了大半、既節(jié)省了建設(shè)投資、又縮短了建設(shè)周期。

我們以20 MW的建設(shè)容量為例進(jìn)行定量計(jì)算，雙分裂變壓器方案和四分裂變壓器方案計(jì)算分別見表1和表2。需要注意的是，表1、表2只考慮20 MW電站由不同方案所引起的設(shè)備及工程量的變化，電站其他工程不詳述。

表1 雙分裂變壓器方案

由表1和表2可知，若采用四分裂變壓器方案，對于一個(gè)建設(shè)規(guī)模為20 MW的電站可減少投資約139萬元。因此，采用四分裂變壓器方案對光伏電在降低成本方面是一個(gè)有效而可行的手段，如果大力推廣下去可帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 四分裂變壓器方案

5 結(jié)論

筆者認(rèn)為，通過與常規(guī)雙分裂變壓器在光伏電站中應(yīng)用的比較，四分裂變壓器具有明顯的優(yōu)勢。這種新的四分裂變壓器的推出將為光伏電站的設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的方案，而這種方案不止局限于大型地面電站，還可推廣至屋頂BAPV(BIPV)的設(shè)計(jì)中，為大型光伏電站的建設(shè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張曉峰, 張?zhí)? 潘甲龍, 等. 一種分裂變壓器[P]. 中國:ZL201320154712.X，2013-3-27.

[2] 劉傳彝. 電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐[M]. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

[3] GB 50797-2012. 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].