太陽能是最具開發(fā)價(jià)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(shí)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)，指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。

 

       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(gè)最小發(fā)電單元，并采用雙分裂升壓變壓器組成一個(gè)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。

 

 

（1）繞組分裂形式分析

 

       雙分裂變壓器由1個(gè)高壓繞組和2個(gè)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2(a)所示的幅向分裂一：兩個(gè)低壓繞組位于高壓繞組的兩側(cè)，擁有兩個(gè)主空道，制造成本較高，絕緣事故隱患增大，且難以保證兩個(gè)分裂繞組的半穿越阻抗一致。

 

       圖2(b)所示的幅向分裂二：兩個(gè)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(cuò)繞制方式；實(shí)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(cuò)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(shí)相互影響較大。

 

       圖2(c)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2(c)所示的軸向分裂形式。

 

（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。

 

（3）鐵心設(shè)計(jì)

 

   A.磁密

 

       光伏逆變器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(shí)，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(lì)磁電流和噪聲也隨之增大，嚴(yán)重時(shí)可引起鐵心飽和和勵(lì)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。

 

   B.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(jì)算：

 

 

       式中:KFe1、HW1表示同容量常規(guī)非晶變鐵心工藝經(jīng)驗(yàn)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(cuò)層錯(cuò)搭，最外層用硅鋼片做成鋼扣收緊，以保證鐵心性能最佳。

 

   C.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(yàn)，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(shí)在嚴(yán)密的氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下可獲得較好的熱處理效果。

 

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(shí)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。

 

（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(jì)應(yīng)將繞組直流損耗、電磁線渦流損耗、諧波影響損耗累計(jì)計(jì)算。精細(xì)的計(jì)算有利于控制成本，同時(shí)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?yàn)檩S向分裂繞組較高，在散熱空氣由繞組底部對流到頂部時(shí)，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(jì)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(shí)，溫升限值也要注意按超過部分進(jìn)行減小修正。

 

（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(shí)，變壓器上下將不再對稱，此時(shí)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(shí)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。

 

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(jì)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。

 

   A.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(shí)。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。

 

   B.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(shí)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。

 

   C.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(jì)時(shí)就應(yīng)推算準(zhǔn)確，選用合適截面的銅排或銅絞線。

 

   D.接地屏蔽

       高低壓繞組之間設(shè)置接地屏蔽的作用有限。因?yàn)橹C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。