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• 發布時間：2020-07-24
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【概要描述】引言

太陽能是最具開發價值的可再生能源之一，光伏發電逐漸成為世界能源供應的主體。太陽能受天氣狀況、季節變化、晝夜交替等因素影響，日照強度及時長的不確定性，使得光伏發電系統輸出功率具有不連續、不穩定的特點，長期低負荷運行成為常態，參考文獻[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，適合長期性低負荷運行環境，應用于光伏發電有利于減少能耗，提高太陽能對電能的轉化率。

1、光伏發電單元模塊

目前市場上技術成熟、運行穩定、規模應用的逆變器單機容量為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電單元，并采用雙分裂升壓變壓器組成一個發電單元模塊，即一臺升壓變壓器并聯兩套逆變器最小發電單元，如圖1 所示，有效減少變壓器的臺數以及限制并聯的兩臺逆變器交流輸出側的環流。


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圖1 光伏發電單元模塊示意圖

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完成并網工作。光伏升壓變壓器一般是以組合式變壓器（美變) 或預裝式變電站（歐變) 的成套裝置進行供貨，本文僅對變壓器本體進行分析。

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。


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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，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側。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置絕緣，從而成為兩組獨立的繞組。如圖3 所示。


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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立的引線引出，使之成為兩組低壓繞組。缺點是分裂阻抗小，兩路低壓繞組磁耦合強，運行時相互影響較大。

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。這就從結構上和制造上可以保證參數基本一致，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[2]。

2.2 聯接組標號

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，質量更有保障。

2.3 鐵心設計

2.3.1 磁密

光伏逆變器在實際運行時，波形通常處于不對稱狀況，也就是產生了直流偏磁，通常要求并網時直流電流分量不得超過其交流額定值的1％。發生直流偏磁時，直流分量被升壓變壓器隔離，雖不會流入電網，但會引起變壓器鐵心磁密發生疊加而增大，勵磁電流和噪聲也隨之增大，嚴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產品降低0.05 ～ 0.1T。如用戶對噪聲要求較高時，參考文中參考文獻[3] 磁密和噪聲的關系（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)，適當降低磁密設計。

2.3.2 鐵心工藝系數

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比同容量常規非晶鐵心工藝系數降低3％～ 5％，可簡單按下式計算：


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

鐵心的斷口應分布式搭接，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鍵的退火處理，目的是消除鐵心成型過程中產生的應力，恢復磁特性。根據經驗，除了掌握適應各廠家非晶帶材的升溫、保溫、降溫工藝曲線，退火爐內的爐溫均勻性也是提高鐵心品質的重要因素，爐溫與鐵心溫度關系如圖4 所示。通過改善退火爐加熱環境，合理布置熱風循環系統，使各點爐溫最大偏差為2.5℃以內，同時在嚴密的氮氣氣氛保護下可獲得較好的熱處理效果[4]。


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圖4 爐溫與鐵心溫度關系圖

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生。如光伏非晶變為油浸式變壓器（美變)，鐵心側面可用膠水涂覆，鐵心收攏搭接口后整體包裹處理，可有效防止變壓器運行時非晶碎片散落到油當中引起質量隱患；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，溫升設計應將繞組直流損耗、電磁線渦流損耗、諧波影響損耗累計計算。精細的計算有利于控制成本，同時保證變壓器最熱點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10K 以上相對于下部繞組的溫差，這就需要降低溫升設計或上部繞組的絕緣材料選用更高的耐熱等級。

光伏發電往往安裝在氣候環境惡劣場所，對于高海拔運行地區，絕緣水平和溫升限值都要按照GB1094.2和GB1094.11 的規定進行修正。環境溫度超過標準規定的正常條件時，溫升限值也要注意按超過部分進行減小修正。

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，通常運行狀況都是上下一致的。而當其中一路發生接地故障時，變壓器上下將不再對稱，此時鐵心中失去磁平衡，導致在軸向上產生巨大的短路機械應力，產生巨大隱患。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，任何機械應力都可能影響其磁性能和噪聲[5]。


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圖5 干變軸向分裂繞組示意圖

在光伏發電無人值班或少人看守的要求下，以上問題在各環節的設計和工藝上都要認真采取必要措施，提高變壓器質量可靠性。

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側必須設置硬質環氧骨架，強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氧板填充緊實。干式變壓器用樹脂澆注成整體，抗突發短路能力大幅提升。

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，盡量實現安匝平衡。油浸式變壓器的高低壓繞組進行套繞，整體進行浸漆處理能進一步提升機械性能。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雜的多。由于引線根數增多，空間布置范圍大，尤其注意預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％，在產品設計時就應推算準確，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行環境要低的多，接地屏如處理不好易增加故障隱患，制造成本也提高。

3、結語

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

參考文獻

[1] 中國電力企業聯合會. 光伏發電站設計規范：GB50797—2012[S]. 北京：中國計劃出版社，2012：31-37.

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

[3] 趙小瑩. 非晶合金干變兩種結構形式及噪聲控制[J]. 機電工程技術，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計[M]. 北京：科技文獻出版社，1996.