并網(wǎng)隔離變壓器參數(shù)研究

Research on the Parameters of Grid-connected Isolation Transformer

巫付專　馮占偉　王　耕

(中原工學院電子信息學院，河南 鄭州　451191)

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并網(wǎng)隔離變壓器參數(shù)研究

Research on the Parameters of Grid-connected Isolation Transformer

巫付專馮占偉王耕

(中原工學院電子信息學院，河南 鄭州451191)

摘要：針對目前并網(wǎng)隔離變壓器參數(shù)選取存在一定的盲目性，基于一種并網(wǎng)沖擊電流小、抗干擾性好的LC-T型逆變拓撲入手，運用LC與變壓器漏感組成LCL濾波的優(yōu)化方案來分析濾波特性，并為濾波器參數(shù)和變壓器漏抗確定提供了理論依據(jù)。結(jié)合十年變電成本原則對變壓器損耗及成本之間的關(guān)系進行分析，給出了并網(wǎng)變壓器損耗和變比的確定原則。由于并網(wǎng)系統(tǒng)中功率器件、儲能電容的失損率較高，提出適當降低變壓器變比來降低逆變器耐壓等級，既能提高功率器件的利用率又能節(jié)約一次性投資成本。最后通過設(shè)計分析和試驗驗證了該方案的合理性。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)逆變器隔離變壓器LCL濾波變壓器損耗十年變電成本新能源風力發(fā)電光伏發(fā)電

Abstract：At present,certain blindness exists in selection of parameters for grid-connected isolation transformer,based on a kind of LC-T inverter topology with low grid connected impact current and good anti-interference performance,the optimization scheme by adopting LCL filtering that is composed of LC and leakage inductance of transformer is proposed for analyzing the filtering characteristics,and theoretical basis for determining the parameters of filter and leakage reactance is provided.Combining with the principle of substation cost in ten years,the relationship between transformer loss and the cost is analyzed,and the determining principle of the losses and ratio of grid connected transformer is given.Due to the loss rates of the power components and energy storage capacitor are higher; it is found that reducing the voltage level of inverter through reducing transformer ratio may increase the availability of the power components,and save the one-time investment costs.The reasonability of the scheme is verified through design,analysis and test.

Keywords:Grid-connected power generationGrid-connected inverterIsolation transformerLCL filteringTransformer loss

Substation cost in ten yearsNew energyWind power generationPhotovoltaic power generation

0引言

隨著新能源發(fā)電在全世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為一個重要的研究方向[1]，如風力發(fā)電、光伏發(fā)電等。通常并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)都需要并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)相連接，其中逆變器均采用高頻PWM調(diào)制下的電流源控制，這樣導致進入電網(wǎng)的電流中含有大量高次諧波，這種高次諧波一般采用LC濾波器與隔離變壓器進行濾除。一些研究文獻[2-3]提到小功率的無隔離型的LCL濾波器具有理想的濾波效果，并對其控制策略做了大量研究。但是，無隔離變壓器的光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)之間存在電氣連接，這樣光伏系統(tǒng)與地之間容易產(chǎn)生漏電流，威脅人身安全，同時容易產(chǎn)生電磁干擾，使得并網(wǎng)系統(tǒng)極不穩(wěn)定。因此，目前工業(yè)并網(wǎng)逆變器均采用串聯(lián)隔離變壓器來實現(xiàn)并網(wǎng)，不僅確保了系統(tǒng)安全穩(wěn)定，而且隔離變壓器還具有升壓功能，能大大降低對直流電壓的要求，并進一步抑制諧波電流流入電網(wǎng)。

并網(wǎng)技術(shù)的研究主要集中在控制策略[4]方面，對于隔離變壓器參數(shù)確定以及這些參數(shù)對系統(tǒng)及設(shè)備成本影響的研究較少。文獻[5]中分析了并網(wǎng)變壓器的等效模型，但對于變壓器的變比、漏抗的確定沒有給出明確的范圍以及確定相關(guān)參數(shù)的方法。目前對于并網(wǎng)隔離變壓器參數(shù)的選取沒有相應的標準，存在一定的盲目性。本文根據(jù)LC-T型并網(wǎng)逆變器拓撲，從LCL的高頻濾波特性來分析設(shè)計濾波參數(shù)，為變壓器漏抗的確定提供了理論依據(jù)，然后結(jié)合十年變電成本對變壓器損耗及設(shè)備成本之間的關(guān)系進行了分析研究。

1LC-T型逆變器拓撲及工作原理

三相LC-T型并網(wǎng)逆變器主電路拓撲如圖1所示，其主要由五部分構(gòu)成：直流側(cè)穩(wěn)壓電壓源、三相逆變橋、LC濾波、隔離變壓器、三相電網(wǎng)系統(tǒng)。

直流側(cè)由光伏系統(tǒng)、燃料電池以及風電機組等提供穩(wěn)定直流電壓；三相逆變橋由開關(guān)管IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成；L為濾波電感；C為濾波電容；隔離變壓器變比為N1:N2。其工作原理為：通過檢測直流側(cè)電壓、電流和電網(wǎng)的電壓、電流，控制三相逆變器開關(guān)管的通斷，從而產(chǎn)生PWM波；經(jīng)LC濾波后，通過隔離變壓器并到電網(wǎng)上即可實現(xiàn)逆變并網(wǎng)。

圖1　三相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

2并網(wǎng)隔離變壓器模型分析

針對三相對稱并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，其工作原理可由3個單相等效電路來分析[5]。本文以A相為例，等效電路模型如圖2所示。其中ua為逆變器交流側(cè)輸出電壓；us為電網(wǎng)電壓，即隔離變壓器副邊并網(wǎng)電壓；is為隔離變壓器副邊電流，即注入電網(wǎng)的并網(wǎng)電流。

圖2　單相等效電路

隔離變壓器的T型等效電路模型如圖3所示。圖中，u1為串聯(lián)變壓器原邊電壓；L1、L2分別為隔離變壓器的原邊和副邊電感，R1、R2分別為隔離變壓器的原邊和副邊電感內(nèi)阻，Lm為激磁電感，Rm為激磁電感內(nèi)阻，上述參數(shù)值均為折算到原邊后的等效值；ug、ig分別為隔離變壓器副邊電壓、電流折算到原邊的對應值。

圖3　變壓器T型等效電路

實際應用電路中，激磁電感遠大于原副邊漏感，因此可忽略激磁電感支路;隔離變壓器可以等效為一漏感Lg(Lg=L1+L2)，即逆變器輸出側(cè)的LC濾波與變壓器的漏電感Lg組成LCL濾波電路。等效濾波電路如圖4所示。

圖4　等效LCL濾波電路

3并網(wǎng)隔離變壓器參數(shù)確定

變壓器參數(shù)的選取主要有額定容量、電壓等級、聯(lián)結(jié)組別、變比、空載損耗、負載損耗和阻抗壓降等。

并網(wǎng)隔離變壓器的容量根據(jù)并網(wǎng)設(shè)備容量來選取；電壓等級由并網(wǎng)系統(tǒng)電壓決定；變壓器相數(shù)根據(jù)并網(wǎng)需求選擇單相或三相；變壓器聯(lián)結(jié)組別根據(jù)需要適當選取。本文主要對變壓器的變比、阻抗壓降、負載損耗和空載損耗的選取進行分析。

3.1基于LCL濾波分析確定變壓器漏抗

在圖4所示的單相等效LCL濾波電路中，隔離變壓器等效漏抗Lg、電容C和電感L組成LCL濾波器。通常電阻R1、R2較小可忽略。本文主要從紋波電流指標要求、有功無功控制、諧波抑制3個方面來設(shè)計選取濾波電感及變壓器漏抗。

3.1.1電流紋波

電流紋波的計算方法在多種文獻[6]中提到，逆變器輸出電流的紋波主要是由開關(guān)管的通斷過程中電感兩端電壓的不斷變化造成的，即電流的紋波變化公式為：

(1)

功率模塊IGBT開通和關(guān)斷時對應的uL不同，這里定義開關(guān)函數(shù)S=1時，IGBT開通；S=0時，IGBT關(guān)斷。根據(jù)一般經(jīng)驗以及后面計算可知，變壓器漏抗Lg一般遠小于L，因此其壓降很小。同時考慮到其輸入端有濾波電容，因此可以得到電感L兩端電壓uL為：

(2)

式中：Udc為直流側(cè)電壓；ω為電網(wǎng)角頻率。

以光伏逆變器為例，正常工作時要求功率因數(shù)為η=0.99，這里近似為1，即得：

ΔT=Msin(ωt)

(3)

式中：M為SV脈寬調(diào)制度，其滿足：

(4)

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)可得：

(5)

當t滿足式(6)時，可推出電流紋波最大值,如式(7)所示。

(6)

(7)

式中：T為開關(guān)周期。

由式(7)可得電流紋波最大值為：

(8)

根據(jù)最大電流紋波幅值ΔImax的要求可得出相應的電感下限值，即:

(9)

3.1.2有功無功功率控制

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)時一般要求最大功率運行，從逆變器輸出有功(無功)功率方面來考慮，系統(tǒng)的總濾波電感大小應予以限制。逆變器交流側(cè)簡化等效電路如圖5所示。對于基波電流LCL中的濾波電容相當于開路，因此并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的等效濾波電路可以簡化為單電感濾波，如圖5(a)所示。其中La代表系統(tǒng)A相的總電感，即La=Lg+L。

圖5　逆變器交流側(cè)簡化等效電路

當逆變器輸出電壓ua保持恒定，隔離變壓器副邊電壓折算到原邊的電壓ug也恒定時，選取合適的電感值即可控制逆變器運行在圓周的任意一點，如圖5(b)所示。在圓周的不同弧段上逆變器具有不同的運行狀態(tài)，對電感的設(shè)計要求也不一樣[7]。當滿足B點運行時，電感值達到最小上限臨界點；滿足A點運行時，電感值達到最大上限臨界點。實際設(shè)計電感時應至少滿足電路的最大要求，因此，由圖5(b)可知滿足B點時的工作情況為最大要求，即可得下式：

(10)

(11)

在B點時的θ角為0°，且有uL=ug-ua，其中ua=MUdc。因此，由式(10)、(11)可得到總電感的最小上限值：

(12)

式中：Ug、Ua、Ig分別為相應電壓電流的峰值；k為變壓器變比。

考慮電感的成本以及設(shè)計誤差，電感值應盡量小且留有相應的裕量。結(jié)合式(9),綜合濾波動態(tài)特性要求可得電感L的范圍為：

(13)

3.1.3諧波抑制

設(shè)電感L與變壓器漏感Lg的比值為r，在高頻逆變狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器類似一個諧波發(fā)生器，網(wǎng)側(cè)相當于短路。運用諾頓定理可把逆變器濾波電路等效為電流源與電感L并聯(lián)。h次諧波電流下的等效電路如圖6所示。

圖6　高頻電流諧波下的等效濾波電路

設(shè)諧波電流i流到網(wǎng)側(cè)時的衰減比σ為：

(14)

(15)

根據(jù)LCL濾波器的諧振頻率公式推導出：

(16)

LCL濾波器的諧振頻率fres不僅與濾波效果、濾波器體積有關(guān)，還影響著逆變器控制的穩(wěn)定性。因此，諧振頻率的范圍是一個重要因素。一般要求濾波器的諧振頻率在10倍基頻和0.5倍開關(guān)頻率之間[8]，即:

10fs≤fres≤0.5fsω

(17)

根據(jù)濾波電容產(chǎn)生的無功功率一般限制為不超過系統(tǒng)額定功率的5%，衰減比σ為20%左右，綜上可確定變壓器的漏抗Lg。由等效電路圖3可得變壓器的阻抗壓降為：

(18)

式中：R1、R2為隔離變壓器的原副邊電感內(nèi)阻。

3.2變壓器變比k的選取研究

變壓器變比與其連接方式以及逆變器的控制方式有關(guān)。變比k的表達式為：

(19)

式中：ua為逆變器輸出電壓。

根據(jù)不同的控制方式可得其輸出電壓值為：

(20)

式中：m為調(diào)制比。

由于不同的儲能裝置所能提供的直流側(cè)電壓值不同，要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由式(19)、(20)可以確定變壓器變比k的范圍：

(21)

逆變器選取關(guān)鍵是確定其額定電壓、電流以及開關(guān)頻率等參數(shù)。額定電壓由直流側(cè)電壓Udc來選取，額定電流由并網(wǎng)系統(tǒng)容量來確定，而開關(guān)頻率的大小不僅影響IGBT的損耗而且影響并網(wǎng)電流的質(zhì)量。當逆變電流恒定時，開關(guān)頻率越高損耗越大，因此實際應用中開關(guān)頻率應給予限制。當開關(guān)頻率、傳輸功率一定時，適當提高直流側(cè)電壓可以減小逆變器的電流，從而降低逆變器開關(guān)損耗。但直流側(cè)電壓的升高會造成IGBT、儲能電容的耐壓等級提高，從而造成一次投資成本的提升，所以要綜合考慮。

工業(yè)界調(diào)查顯示[9]，在變流器各部分組成單元中最容易失效的是功率器件，占31%的份額；隨后是儲能電容，占21%的份額。各類電容元件尤其是鋁電解電容是影響開關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵因素。電解電容國標最大耐壓值一般為450V，IGBT典型的耐壓等級為600V和1 200V等。通常并網(wǎng)變壓器變比為1，按SV或SP控制方式并網(wǎng)需要的直流側(cè)電壓為620V，這樣IGBT的耐壓等級應選取1 200V，同樣直流側(cè)需要4個相同的電容串并來抬升耐壓等級，這樣會造成設(shè)備成本較高，從而使得一次投資成本較大。

適當降低變壓器的變比，使其具有升壓作用，從而降低直流側(cè)電壓要求。同時結(jié)合逆變器IGBT以及電解電容的耐壓等級，考慮到器件選取需留有一定裕量等因素，直流側(cè)電壓選取400V時能最大限度地降低IGBT耐壓等級，而且直流側(cè)儲能電容只需一個標稱電容即可滿足要求。由逆變橋交直流側(cè)關(guān)系得交流側(cè)輸出電壓為150V，由式(19)可得并網(wǎng)隔離變壓器的變比k為0.6。

綜上所述，適當降低變壓器的變比不僅降低了直流側(cè)的電壓要求，而且最大限度地提高了功率器件的利用率，既節(jié)約了設(shè)備成本，又降低了一次性投資。

3.3變壓器的損耗計算

電力變壓器損耗包括空載損耗、負載損耗和附加損耗。空載損耗與負載電流的大小無關(guān)，變壓器接入電路就會產(chǎn)生空載損耗。一般情況下，空載損耗和附加損耗為常數(shù)，而負載損耗為動態(tài)損耗，其近似與繞組電流的平方成正比。變壓器損耗不僅體現(xiàn)了電能的消耗，而且也關(guān)系著制造成本、運行經(jīng)濟性和動態(tài)穩(wěn)定性。我國設(shè)計制造普通電力變壓器所選擇的損耗參數(shù)是根據(jù)“十年變電成本”原則確定的[9]。其表達式為：

C=C1+C2

(22)

式中：C1為產(chǎn)品費用及十年利息總和；C2為運行費用及十年利息總和。

C1、C2計算公式分別為：

C1=C0(1+p)10

(23)

C2=(T0P0+TkPk)×e×[(1+p)10+

(1+p)9+…+(1+p)]

(24)

式中：C0為變壓器售價；p為年利率；T0為空載損耗運行等效時間；P0為空載損耗；Tk為負載等效運行時間；Pk為負載損耗；e為每度電費。

對于普通電力變壓器來說，空載損耗是長期存在的，考慮每年有一周檢修時間，通常變壓器空載運行時間T0取8 600 h。變壓器實際運行時的負載損耗為其銘牌值的25%～64%左右，通常負載運行時間Tk取2 200 h。

對于光伏并網(wǎng)隔離變壓器來說，其工況不用于普通變壓器。在實際運行中，光伏電站的工況受多種因素(如地區(qū)、季節(jié)、氣候等)的影響，相鄰兩天之間的工作時長差別可能非常懸殊[10]。考慮光伏發(fā)電的特殊性即白天發(fā)電，因此光伏電站的日運行時間約為12 h，冬季會更短一些，且陽光充足時段輸出的功率大，否則功率小。同時考慮到陰雨天以及系統(tǒng)檢修等因素，并網(wǎng)逆變器的工作時長比電力變壓器少一半以上。光伏并網(wǎng)隔離變壓器空載損耗和負載損耗應比普通電力變壓器高。但是光伏發(fā)電成本較一般發(fā)電成本高，因此其損耗應該降低。綜合上述多種因素，本文進行了分析計算，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　變壓器工況

參照GB 6451-2008標準設(shè)計一款容量為30 kVA、連接方式為Y，yn0的普通電力變壓器，同時依據(jù)本文提出的參數(shù)選取原則設(shè)計相同容量的光伏隔離變壓器。相應的電磁優(yōu)化設(shè)計結(jié)果對比如表2所示。

表2　變壓器參數(shù)設(shè)計表

光伏變壓器1、2、3、4分別為對比普通變壓器損耗值保持一致、降低10%、增加10%和增加20%的對應計算值。計算變電成本采用的數(shù)據(jù)具體如下：利息(2.25%)、銅線(57元/kg)、硅鋼片(16元/kg)、普通電費(0.6元/度)、光伏電費(0.8元/度)，均以當前價格為準。

從表2可看出，考慮到負載率和發(fā)電成本，根據(jù)十年變電成本最小的原則，光伏隔離變壓器的損耗應比普通變壓損耗選的略高。按本文示例情況，當光伏隔離變壓器的損耗比普通變壓器的損耗高10%時十年變電成本最小。

4實驗驗證及說明

根據(jù)上述理論分析搭建模擬光伏并網(wǎng)逆變器硬件實驗平臺。電網(wǎng)相電壓220 V，頻率50 Hz，直流側(cè)運用直流穩(wěn)壓電源來模擬光伏、風電等輸出的直流電壓，并網(wǎng)隔離變壓器變比為0.6，逆變器開關(guān)頻率為12.8 kHz。軟件控制采用SVPWM以及能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)電流低次諧波補償且具有無靜差穩(wěn)態(tài)性能的新型比例諧振控制器，并網(wǎng)實驗波形如圖7所示。由圖7可知，變壓器變比為0.6時逆變器交流輸出電壓為150 V，此時滿足并網(wǎng)要求，并網(wǎng)電流諧波畸變率為4.27%，滿足國標要求。

圖7　并網(wǎng)變壓器原邊電壓電流波形

5結(jié)束語

本文給出的LC-T型并網(wǎng)逆變器拓撲既確保了光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)之間電氣隔離，又保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。從濾波電路的特性和變壓器的經(jīng)濟高效運行角度分析，運用LC濾波與變壓器漏抗組成LCL濾波節(jié)省了一個電感，并為變壓器阻抗壓降的確定提供了理論依據(jù)。針對變壓器與主電路參數(shù)的關(guān)系，提出適當降低變壓器的變比，運用其升壓功能來降低系統(tǒng)對直流電壓的要求，減小了逆變器的成本。結(jié)合十年變電成本原則計算了變壓器的空載負載損耗等參數(shù)，為并網(wǎng)隔離變壓器的參數(shù)選取提供了一種可行性方案。

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中圖分類號：TH86;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602004

河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(編號：13B470299)。

修改稿收到日期：2015-06-01。

第一作者巫付專(1965-)，男，1988年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事電力電子與電能質(zhì)量方面的研究。