光伏電站變壓器超負荷運行的溫升計算

(東方日升新能源股份有限公司 浙江 寧波 315000)

一、引言

光伏電站容配比過高時，會使變壓器超過額定值運行，繞組中的電流超過設計值，導致變壓器內各部件溫度升高，頂層油溫及繞組熱點溫度提高，加速了變壓器的絕緣老化程度，使變壓器的使用壽命大大降低，嚴重時會使變壓器各部件溫度超過設計限制，從而發生嚴重的事故。因此，通過分析容配比對變壓器溫升的影響，將對容配比的選擇有著指導性的意義。

二、負載特性

光伏電站的電能輸出特性與光照強度息息相關，隨著地球的自轉，一天當中太陽高度角及方位角在實時的變化，使得地球上同一地點得到的光照資源在不停的變化，總體上呈現日出及日落時光照較弱，中午左右光照較強的特性。同時氣象因素對日照強度的影響也比較大，如云、雨、霧、雪、沙塵暴等，這使得在一天當中光伏電站的電能輸出難以持續穩定。在不考慮氣象因素影響的情況下，日照強度在1天中呈現如下規律：

圖1 日日照強度示意圖

在季節上，地球的公轉導致地球與太陽之間的相對距離發生變化，同時對日照高度角和方位角也產生一定的影響。以北半球為例，夏至日光照時間較長、光照強度較大，冬至日光照時間較短、光照強度較低，這使得光伏電站的電能輸出隨著季節的更替呈現夏季高冬季低的特性。日照強度在1年中呈現如下規律：

圖2 年日照強度示意圖

總體來講，光伏電站的輸出缺乏傳統發電廠的持續穩定性，隨著日照強度的變化在實時的改變。這也使得變壓器的負載在實時的變化。在固定的容配比、光伏電站組件超配的情況下，變壓器只會在特定的時間段超負載運行，在其他時間段處于低負載運行狀態。因此，計算變壓器在負載最大一天的過負載能力將成為判斷容配比合理性的重要標準。

三、基本假設

(一)負載特性假設

目前，對光伏電站的出力預測大都基于當地氣象部門的長期實測數據，對于沒有實測數據的，目前國際公認的是PVsyst軟件的發電量計算模型，采用Meteo或者SolarGis氣象數據，建立逐時的光照強度模型，利用該模型分析光伏系統內各部分損失量，最終模擬出光伏電站的出力情況。

本文以PVsyst軟件的模型為基礎，通過軟件仿真輸出最大負荷日逐時的負載數據。假設變壓器負載在1小時內保持恒定，后1小時初時變壓器負載發生階躍改變。前1小時的穩態溫升值作為后1小時溫升的初始值，且變壓器在1小時內溫升達到穩定。

根據以上假設，得出如下負荷曲線模型：

圖3 負荷曲線模型

(二)變壓器熱特性假設

變壓器油箱內的熱分布非常的復雜，為了簡化計算，對油浸式變壓器進行如下假設：1.不論何種冷卻方式，變壓器油箱內的油溫從底部到頂部線性增加；2.繞組導線的溫升，從下到上呈線性增加，且此直線與油的溫升直線平行；3.考慮雜散損耗、油流的差別等影響，繞組熱點溫度比溫升直線頂部熱點溫度高。

在實際觀測數據中，已測得油箱出口處的油溫高于頂層油溫，本文中將油箱出口處的油溫作為頂層油溫。

根據以上假設，得出如下變壓器的溫升模型：

圖4 變壓器溫升模型

四、變壓器溫升計算

(一)光伏系統參數

在計算溫升前，本文選取了一個虛擬的光伏電站，光伏電站的安裝地點為江蘇省徐州市，海拔為40米，最高溫度35℃。

對于常規的光伏電站，只需要計算容配比最高的變壓器的過負載狀態，就足以決策該容配比的安全性。因此，本光伏系統采用1個5MW光伏發電單元，直流側電壓為1500V，變壓器選擇5000kVA箱式變壓器，冷卻方式為ONAN，變壓器低壓側額定輸入功率為6279.12kWp，該系統容配比為1.26。

(二)負載系數計算

本文光照數據來源選擇Meteo，并采用PVsyst軟件對光伏系統出力進行仿真，計算全年逐小時的發電量，軟件導出逆變器的輸出功率(EoutInv)。為簡化計算，忽略逆變器至變壓器之間的電纜損耗，選擇逆變器全年中輸出功率最高的一天作為變壓器的低壓側負載，計算出相應的負載系數：

表1 最大日負載系數

由上表可知，即使在負荷最大的一天中，變壓器過負荷運行狀態僅出現中午時間段，只要保證該天過負荷最嚴重的時候變壓器溫升不超過規范限值，變壓器的運行壽命將不會受到影響，這對容配比的設計提供了余地。

(三)溫升限值

根據GB/T 1094.2《液浸式變壓器的溫升》，變壓器的安裝場所不宜超過：1.任何時刻：40℃；2.最熱月平均：30℃；3.年平均：20℃。

正常環境溫度下的頂層絕緣液體溫升限值為60K，熱阻熱點溫升限值為78K。當環境溫度超過40℃，海拔超過1000米時需要對溫升限值做修正。本文中光伏電站安裝地點的環境最高溫度為35攝氏度，海拔為40米，所以不需要對溫升限值進行修正。

若實際光伏電站安裝在高海拔或者高溫的場所，溫升限值應根據GB/T 1094.2《液浸式變壓器的溫升》進行如下修正(ONAN冷卻方式)：1.環境最高溫度每升高1K，溫升限值降低1K；2.安裝地海拔高于1000米時，每增加400米，溫升限值降低1K。

(四)溫升計算

根據GB/T 1094.7《油浸式電力變壓器負載導則》，采用指數方程方法對變壓器進行溫升計算。熱點溫度等于環境溫度、郵箱內頂層油溫升和郵箱內熱點溫度之間的溫差三者之和，對應的負載系數K的溫度增加值由式(1)給出：

(1)

對應的負載系數K的溫度降低值由式(2)給出：

(2)

其中，f1(t)表示了按穩態值為1時頂層油溫升的相對增加量

f1(t)=1-e(-t)/(k11×τ0)

(3)

f2(t)表示了按穩態值為1時熱點對頂層油溫度梯度的相對增加量

f2(t)=k21×(1-e(-t)/(k22×τw))+(k21-1)×(1-e(-t)/(τ0×k22))

(4)

f3(t)表示了總降低值為1時頂層油對環境溫度梯度的相對降低量

f3(t)=e(-t)/(k11×τ0)

(5)

變壓器溫升計算指數方程方法的參數取值主要有三個來源，第一個是變壓器特性數據，不同的產品對應的參數不同，可由變壓器廠家提供。第二個是規范建議數據，可以在GB/T 1094.7《油浸式電力變壓器負載導則》中查詢使用，第三個是設計參考數據，如環境溫度及負載持續時間，以上三類數據的詳細取值見下表：

表2 參數取值表

采用以上參數取值，詳細計算過程如下：

第0min～60min，K=0.0353，頂層油初始值Δθoi(0)=2.5，熱點溫升Δθhi(0)=0，根據式(2)計算

Δθoi(60)=5.3014Δθhi(60)=0.1595

第60min～120min，K=0.0292，根據上一步計算結果，頂層油初始值Δθoi(60)=5.3014，熱點溫升Δθhi(60)=0.1595，根據式(2)計算

Δθoi(120)=6.8748Δθhi(120)=0.1248

以此類推進行計算，可計算出當日不同負荷運行狀況下對應的溫升數據。

在計算時，當負載系數K≥1時，應根據式(1)進行計算，最終計算結果匯總如下圖所示：

圖5 變壓器溫升圖

根據以上計算，變壓器最高溫度出現在13:00左右，此時K=1.0079，頂層油溫升Δθoi(60)=42.6158，低于溫升限值65K，熱點溫升Δθhi(60)=13.1106，低于溫升限值78K，滿足溫升限值的要求。假設此時環境溫度為最高環境溫度35℃，此時的熱點溫度為

θh(t)=θa+Δθoi+Δθhi=101.7265℃

滿足變壓器熱點溫度的限值要求。

綜上所述，在本次計算中，在容配比為1.26的運行情況下變壓器可以安全穩定的運行。

為了追求更優的容配比，可以適當增大容配比重新進行計算，以此來驗證不影響變壓器安全穩定運行的最優容配比方案。當然，在決策時應注意本次計算的一些前提假設條件，這對計算的不準確性會有一定的影響，因此在判斷變壓器溫升是否超過規范限值時，應當留有一定的安全裕量。

五、結束語

本文根據江蘇徐州一個光伏電站發電子單元的基本數據，根據現行國家規范的要求，采用指數方程的方法對變壓器進行溫升計算，以此來判斷光伏電站容配比的設計是否合理。

通過以上計算方法，可以在光伏電站設計之初，通過計算各種容配比下變壓器的溫升狀況，從而選擇最安全經濟的容配比，在規避變壓器因過負荷發生故障的前提條件下，增加光伏電站的發電量，降低系統的投資成本。