四分裂變壓器在大型并網光伏電站中的應用

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電廠及地鐵等，但是隨著光伏電站的發展，分裂變壓器被用作光伏電站陣列升壓變。由于市場上大多數逆變器生產廠商制造的500 kW并網逆變器的拓撲結構不能適應雙繞組變壓器，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電中得到廣泛使用。

雙分裂變壓器被大型光伏并網電站選為升壓變，而其低壓線圈采用軸向分裂方式，在半穿越工作方式時抗短路能力差。大型并網光伏電站近年來的發展速度迅猛，在設計發電系統時，通常根據市場上已成熟定型的雙分裂變壓器，將1 MW定為1個發電單元，并設置2臺500 kW的逆變器共用1臺雙分裂變壓器升壓構成1個發電系統的子系統，其系統接線圖如圖1所示。隨著近年來國內光伏電站建設容量逐漸增大，如果繼續采用雙分裂變壓器，則系統中變壓器、開關柜及線纜的數量增多，對于百兆瓦級以上的電站造成系統接線形式十分繁瑣，同時也增加故障點、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，發電系統就可得到進一步優化，簡化系統、減少發電系統回路，可降低系統損耗，增加發電量，同時大幅減少高壓電纜的用量，高壓線路、變壓器等各種相關配套設備和保護設備也隨之得到減少和簡化，節省投資、提高效率。

圖1 1MW系統接線圖

面對這樣一個現實存在的技術問題，我們提出一種容量為2000 kVA的四分裂變壓器。將其應用在光伏電站中，可減少升壓變的數量，減少匯線的回路數，從而簡化系統接線形式，最終提出一個新的大型光伏電站的設計方案。

1 四分裂變壓器發電系統方案介紹

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選擇2000 kVA。由于逆變器不能適應雙繞組變壓器，因此變壓器需采用分裂形式，對應連接4臺500 kW的并網逆變器，其接線系統如圖2所示。該設計方案提高了方陣的容量，但未增加就地升壓變壓器的數量，而是增加其容量，這樣減少了設備數量。因此，需要設計一種四分裂變壓器來滿足這種設計方案。

圖2 2MW系統接線圖

2 四分裂變壓器的結構形式

現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，結構圖如圖3所示。

圖3 分裂變壓器的結構圖

采用軸向方式的分裂變壓器的結構為：低壓繞組和高壓繞組內外層嵌套設置，高壓繞組在外層(上下兩段采用并列連接形成一個整體)，低壓繞組在內層，兩個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構為：高壓繞組和兩個低壓繞組按照從外至內的順序內外層嵌套設置，高壓繞組在最外層，內層兩個低壓繞組也是嵌套設置的。

對于采用軸向方式的分裂變壓器，由于多個低壓繞組沿軸向依次疊加布置，使得整個分裂變壓器的高度增大，不方便運輸和使用。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，因此勵磁效率大幅度降低；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，整個系統穩定性降低；多個低壓繞組按照內外嵌套的方式設置，各個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易被大短路電流破壞其熱穩定性和動穩定性；同時，對于多分裂變壓器，由于內外嵌套的層數較多，所述內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構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，目前也只做到雙分裂，即低壓兩個繞組，對應連接2臺500 kW的并網逆變器。

綜上所述，如果要采用2 MW的子單元方陣設計方案，就必須設計出一種四分裂變壓器。根據兩種不同分裂形式的優缺點，通過深度的計算和分析后，可在變壓器設計結構上采用軸向分裂和輻向分裂相結合的形式[1](如圖4所示，高壓線圈上下兩段采用并列連接形成一個整體)來設計。這種結構形式既避免了多個低壓繞組軸向分裂所產生高度增大、效率低的缺點；也避免了多個低壓繞組輻向分裂所產生勵磁效率大幅度降低、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 軸向輻向結合分裂結構圖

3 四分裂變壓器外形設計及主要參數

通過對上述四分裂變壓器結構的分析，低壓線圈為軸向分裂與幅向分裂相結合的方式，上、中、下分別出線，且各設一散熱氣道，低壓線圈利用同一內模分開繞制，使得線圈內外徑盡量相同，氣道內外尺寸相同，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，使線圈中各部位的場強分布均勻，無局部場強過強情況。

利用軟件進行建模并進行電氣的設計計算[2]，根據光伏電站對分裂變壓器的電壓、變比、阻抗及聯結組別等主要參數的要求，設計1臺2000 kVA的四分裂變壓器，其外形圖如圖5所示。變壓器聯結組別采用“星-角-角-角-角”，即 YΔ11Δ11Δ11Δ11，如圖 6所示。選擇此聯結組別是由于角形接線可以抑制光伏發電系統中的3、6、9次諧波。

圖5 四分裂變壓器外形圖

圖6 四分裂變壓器聯結組別

4 四分裂變壓器在光伏電站中的應用優勢

四分裂變壓器研制完成后，設計一套在大型光伏并網電站應用的技術方案[3]。通過與常規雙分裂變壓器方案進行比較，發現使用了四分裂變壓器的方案簡化整個系統的接線、減少變壓器數量，逆變器室的數量也減少一半、電纜用量也節省了大半、既節省了建設投資、又縮短了建設周期。

我們以20 MW的建設容量為例進行定量計算，雙分裂變壓器方案和四分裂變壓器方案計算分別見表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，對于一個建設規模為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有效而可行的手段，如果大力推廣下去可帶來相當可觀的經濟效益。

表2 四分裂變壓器方案

5 結論

筆者認為，通過與常規雙分裂變壓器在光伏電站中應用的比較，四分裂變壓器具有明顯的優勢。這種新的四分裂變壓器的推出將為光伏電站的設計提供一個新的方案，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)的設計中，為大型光伏電站的建設帶來更大的經濟效益。

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

[2] 劉傳彝. 電力變壓器設計計算方法與實踐[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2002.

[3] GB 50797-2012. 光伏發電站設計規范[S].