變壓器反向升壓下的功耗分析

摘 要：在合同能源管理模式下建設分布式光伏電站，如果選用“自發自用、余電上網”模式，在“余電上網”時，變壓器處于反向升壓狀態，其損耗的大小如不確定，雙方均不愿承擔該損耗。本文定量分析了變壓器在此狀態下的損耗，為雙方提供一個有效的參考依據。

關鍵詞：變壓器；反向升壓；損耗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.038

0 引言

合同能源管理機制（國內簡稱EMC）是一種以節省的能源費用來支付節能項目全部成本的節能投資方式。在這種投資方式下，用能企業不需要直接投資，而是委托專業節能服務公司出資進行能源系統的節能改造和運行管理，并按照雙方約定共同分享該能源系統所產生的節能收益。

目前，我國大力提倡在城鄉建設分布式光伏發電系統。采用合同能源管理方式建設分布式光伏發電系統，逐漸成為節能服務公司與用能企業的一種合作方式。按照這種方式運作時，如果采用“自發自用，余電上網”的并網模式，合同能源管理就涉及到用能企業、節能服務公司、電網公司三方，因此，如何準確衡量節能量也成為三方討論的一個焦點。

1 問題的提出

在北京的一個采用合同能源管理方式運營的分布式光伏發電項目中，出現了節能服務公司與用能企業之間為變壓器損耗的歸屬問題的爭議。

問題描述如下：某制藥廠與某節能服務公司簽訂了合同能源管理合同，雙方約定在制藥廠建設容量為400 kW的分布式光伏發電項目，該發電系統以380V的電壓等級接入該藥廠綜合樓AA28配電柜，該發電系統采用“自發自用，余電上網”的運行模式，所發電能優先供給藥廠負荷吸納，剩余電能則通過變壓器反送入上一級配電網絡，并網點的變壓器容量為1250 kVA，型號為SCB 10-1250/10。

電站運行后，在每天中午的發電高峰期，出現“余電上網”現象：即由于綜合樓并網點的負荷較小，吸納不了的電能通過該變壓器反送入上一級電網，在此情況下，制藥廠提出關于變壓器損耗的質疑，認為該變壓器本來為降壓變壓器，在“余電上網”時，變壓器被反向使用，此時的損耗會變得很大，這導致制藥廠承擔了不必要的費用。

2 問題分析及解決辦法

變壓器的基本原理是電磁感應，即電能與磁能的相互轉化，其基本物理模型如圖1所示：

圖1中：運行e1的物理實體是初級繞組，運行e2的物理實體是次級繞組，它們是變壓器的電路部分；Φ是磁力線，它所在的物理實體是鐵心，它是變壓器的磁路。變壓器在工作過程中，由于物理繞組的內阻，及鐵芯磁通量的損失，導致變壓器在空載和負載時，都會有損耗出現。

變壓器的損耗△P分為空載損耗P0和負載損耗Pk。空載損耗P0通常指鐵損，就是其固定損耗，實是鐵芯所產生的損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗；磁滯損耗與頻率成正比；與最大磁通密度的磁滯系數的次方成正比。渦流損耗與頻率、最大磁通密度、矽鋼片的厚度三者的積成正比，此處不考慮具體的工藝問題，僅僅從理論上分析。

負載損耗Pk通常指銅損，主要是負載電流通過繞組時在電阻上的損耗，一般稱銅損。其大小隨負載電流而變化，與負載電流的平方成正比。

變壓器的全損耗△P =P0+Pk

對于損耗值的大小采用等效電路進行分析，變壓器的原、副邊等效電路圖2、圖3如下：

對于原邊：U1 = I1*R1 - jX1*I1 – E1；對于副邊：U2 = E2 –jX2* I2 –R2*I2。

當變壓器反向工作時，等效電路圖并未發生變化，但電壓的輸入及電流的流向發生了變化。此時U2成為輸入，U1變為輸出，其輸入輸出公式如下：

對于輸出側：U1 = E1 –iX1* I1 –R1*I1；對于輸入側：U2 = I2*R2 – jX2*I2 – E2

由于此時仍符合理想變壓器狀態，因此仍有U1/U2 = N1 /N2.

當變壓器的容量P（kVA）及繞組的匝數W一定時，鐵心中的磁通量Φ就確定下來，一臺電力變壓器不論處于升壓狀態還是降壓狀態，磁路的實體即鐵心及磁通量沒有發生變化。變壓器正常工作時，基本上處于理想狀態，由于原邊及副邊的內阻、漏磁通量已經確定，因此，R1，R2， jX1， jX2不會發生變化，僅與通過的電流有關，所以此時的變壓器空載損耗和負載損耗，和正向使用時基本一樣，其本身的功耗也不發生變化。

因此，針對制藥廠所擔心的問題，該部分的損耗完全可以通過計算得到。光伏發電的發電功率與天氣條件密切相關，總體上發電功率類似正弦曲線，通過制藥廠用電負荷與光伏發電功率曲線的對比，找出每天的余電上網時間段及上網功率，即可統計出反向升壓而帶來的變壓器損耗的數值。

通過制藥廠的后臺監控系統，可以得到綜合樓的的負荷數據，通過計算得到發電站不同時段的功率數據，對比后得到余電上網功率數據，如表1所示。

在有余電上網時，最大反送電電功率133KW，而變壓器的額定功率為1250KW，最大反送電負荷占額定負荷為133/1250 =10.64%，變壓器處于輕載狀態，此處按照負荷不超過10%考慮。

從變壓器廠家的產品手冊可知，變壓器的功耗如表2所示。

按照變壓器廠家提供的損耗數據，空載時的損耗為P0 = 2090W，而表中提供的負載功耗為溫升在120℃時的滿負荷功耗，由于負載功耗與負荷量成正比，則在10%的負荷下，變壓器的反向負載損耗Pk（銅損）為Pk = 9690*10% = 969W

變壓器總損耗為： P = P0+Pk = 2090+989 = 2998W

由于光伏電站在不同月份的發電功率不同，而此處采用的數據為電站在7月份的發電功率，為一年中發電功率最大的月份，其他月份的發電功率會比7月份要低。

綜上可知：本項目在反送電的情況下，變壓器的損耗最高不大于2998W。

3 結論

在實際的分布式光伏電站建設過程中，余電上網的情況較為普遍。有些用能客戶擔心承擔了不必要的損耗費用。本文定量給出了在此情況下的能耗數據，對節能服務公司和用能客戶之間明確自己所承擔的能耗，對雙方的節能結算，有著一定的意義。

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