大功率光伏逆变器升压变压器的设计与应用

张计英 李和明 张 栋 李永刚

（1.华北电力大学，河北 保定 071000；2.天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056）

光伏新能源发电正在世界范围内大规模应用，按其与电网的连接方式，可以分为离网型和并网型。目前绝大多数光伏电站都采用并网模式，即与现有供电网并联接入，以便最大限度利用光伏电站所发出的电能。光伏电站所用逆变器是光伏电站的重要核心部件之一，实现直流到交流的转换，通过输配电网进行传输、利用。为了降低线路损耗、提高系统安全等因素的考虑，需要在光伏逆变器出口安装升压变压器，根据电站容量的不同将电压升高至10kV或35kV，降低输送线路损耗的同时系统电气也达到了物理隔离。

1 光伏电站的电能质量

光伏电站向电网输送电能质量主要取决于光伏并网逆变器，其主要考核的电能质量指标主要有[1-2]：并网电流总畸变率（＜5%）、并网功率因数（+0.98～−0.98）、直流分量（＜0.5%）、电压波动与闪变等，上述指标都是在逆变器额定功率下考核。由于光照强度小于1000W/m2、高温功率损失、光伏组件匹配损失、灰尘遮挡损失、直流传输损失等因素，一般光伏电站大多数时间工作在其额定峰值功率的80%以下，图1为安徽怀宁某光伏电站应用的国际品牌500kW逆变器实际运行功率曲线图。

图1 逆变器输出功率曲线图

在低功率下逆变器所发出电能质量会比额定功率下时要差。不同厂商生产的逆变器会有一些差别，但总体趋势是一样的。图2为国际品牌500kW逆变器的不同功率时并网电流总畸变率，从图中可以看出光伏电站实际运行时并网电流总畸变率在 2%～8%左右，实际运行的光伏电站并网电能质量中谐波的不合格最为普遍。并网功率因数均能保证在 0.98左右，大规模电站均配置动态无功补偿装置，因此，系统的功率因数都可以得到保证。另外，所配置的无功补偿装置均考虑一定的滤波功能（如滤除3次、5次谐波等）。

图2 并网电能质量曲线（实测C相数值）

2 谐波的危害

人们关注谐波的重要原因之一，是因为它给电网带来污染，影响电网的经济和可靠运行，对电器设备产生不利影响，在某种情况下甚至损坏设备酿成事故。谐波的危害可概括为以下几个方面[3]：

1）谐波使公用电网中的元件产生了附加谐波损耗，降低了发电、传输及用电设备的效率；谐波对电机、变压器的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使局部严重过热。

2）三相四线系统中，当大量3次谐波流过中性线时会使线路过热，严重时甚至发生火灾。

3）谐波会引起公用电网中局部并联谐振或串联谐振，从而使谐波电流放大，严重时会引起事故。

4）谐波还会影响对电能质量敏感的负载或电子线路正常工作。

5）谐波会导致继电保护故障和自动装置的误动作，使电器测量仪表测量不准，引起电能计量不准。

6）谐波会对周围通信系统产生干扰，使通信系统无法正常工作。

7）谐波还引起电缆泄漏电流的增大。

3 谐波电压对变压器的影响

接入光伏发电的系统容量一般是电站装机容量的10倍以上，因此可以将电网看做一个无穷大的系统。系统电压谐波主要是由上一级的供电系统的背景谐波决定，实际测量高压输电线路（≥110kV）的背景谐波都能够满足国标 GB/T 14549—93中的要求。

电压谐波主要引起变压器的铁心涡流损耗的增加，但是电力变流变压器空载铁心损耗相对较低，因此，不必对空载损耗测量值进行电压谐波校正[4]。工程上一般引入安全系数，而忽略电压畸变所引起的铁损耗的增加。

4 谐波电流对变压器的影响

谐波电流对变压器的影响主要表现为铜损耗增加、夹件等附加损耗增大、噪声增大、绝缘材料的性能降低；油浸式变压器按照A级绝缘耐热115℃设计寿命 20年，并考虑实际运行温度变化−5℃～+40℃，即变压器绕组温升65k，油面温升55k。绝缘寿命按照6℃法则，即温度每升高6℃设备寿命较少一年，温度每降低 6℃设备寿命增加一年。实际运行的时候冬季温度相对较低变压器的寿命增加，夏季运行温度偏高变压器寿命减少，实际两者基本上相互抵消[5]。

由谐波电流引起的变压器各部件的损耗计算公式如表1（忽略电压畸变引起的铁心损耗）所示，实际应用中由于谐波电流的存在变压器实际运行温升会略高于设计值，因此设计时光伏逆变器所用变压器，并不能将其按照普通的电力变压器进行设计，在投运初期需要加强巡视观察。

表1 谐波电流引起的变压器损耗

在100kW光伏逆变器的研制过程中，采用国内专业厂所生产的B级绝缘等级的干式变压器额定容量为100kVA，在实际的运行中温升偏高，图3为逆变器额定功率运行4h后变压器的温度场图。从图3中可以明显看出在中间线圈上部温度明显偏高最高温度＞125℃。

图3 B级100kVA干式变压器温度场图

5 光伏逆变器用升压变压器设计

变压器是利用是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置。铁心内部磁场的建立是依靠电源侧提供的励磁电流（im）产生磁势（Fm），Fm在铁心中产生磁通（ϕ）。

图4 不饱和时正弦励磁产生正弦磁通

ϕ的波形由im的波形决定。当磁路不饱和时，ϕ和im是线性关系，即正弦的ϕ由正弦im产生，如图4所示。

当磁路饱和时，正弦的ϕ必须由尖顶的im产生，尖顶的im中除了基波分量i1外，还有较大的3次谐波分量等奇次谐波。

如果im仍为正弦，则产生的ϕ是平顶波。平顶ϕ的中含有较大的3次谐波磁通，如图5、图6所示。如果不加以抑制，将产生含有3次谐波的感应电势[5]。一般推荐与逆变器侧直接相连侧设计为三角形连接，而网侧设置为星形连接，即Yd−11连接组别。

在交变磁场作用下，实际磁化曲线呈磁滞现象，通过作图法可以求解，激磁电流不再是对称的尖顶波，其中含有明显的非周期分量、偶次谐波（其中2次谐波最大）等[6]。

图5 正弦励磁电流产生平顶磁通

图6 尖顶励磁电流产生正弦磁通

普通电力变压器设计时出于经济性及运输（产品的重量）考虑，电力变压器的额定工作磁密一般设置在硅钢的特性曲线的拐点之上（设计时常取Bm=1.4～1.7T）[5-7]，这就进一步加剧了励磁电流的波形畸变。

大型并网光伏逆变器是通过控制逆变器出口并网电流，来实现并网电能质量控制及并网功率大小的调节。为了保证并网电能质量，均将逆变器并网电流控制为理性的正弦波为目标。能量由低压侧向高压侧传输时，其励磁电流需要光伏逆变器来提供。如果变压器的工作磁密设计的过高会影响并网电流波形的质量，间接影响变压器的安全稳定运行。

6 试验结果

笔者制作了一台 3kVA的样机进行了分析与测试，额定工作电压磁密设定为1.6T，通过调压器调整空载电压，等效改变磁密。分别测试了 0.8UN、1.0UN、1.125UN，相对应的等效磁密为1.28T、1.6T和 1.8T。对应的空载电压与励磁电流波形如图7、图8、图9所示。从图中可以明显看出随着电压的升高，励磁电流波形明显增大，并且其畸变的程度也相应的增大。从图10中可以看出带有畸变的励磁电流，直接影响的并网电流的质量，在并网电流的过零点处出现了明显的畸变，此时可即是励磁电流的峰值点处。

图7 B=1.2T空载电压与励磁电流波形

图8 B=1.6T空载电压与励磁电流波形

图9 B=1.8T空载电压与励磁电流波形

图10 额定电压时的励磁电流波形

7 结论

大功率光伏逆变器用升压变压器在设计时工作磁密尽量选择在线性工作区，以降低其励磁电流畸变程度。逆变器连接侧尽量选择三角形连接、网侧选择星形连接的方式，消除励磁电流中3次谐波的影响。另外，由于谐波电流引起的损耗一定加以考虑，以免设备的寿命降低。

[1] GB/T 19939—2005 光伏电站并网技术要求[S].北京:中国标准出版社,2005.

[2] GB/Z 19964—2005 光伏发电站接入电力系统技术规定[S].北京:中国标准出版社,2005.

[3] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4] GB/T 18494.1—2001 id IEC 61378-1:1997变流变压器 第一部分:工业用变流变压器[S].北京:中国标准出版社,2001.

[5] 胡启凡.保定天威保变电气股份有限公司组编.变压器试验技术[M].北京:中国电力出版社,2009.

[6] 国家电力监管委员会电力业务资质管理中心编写组编著.特种类继电保护专业[M].北京:中国电力出版社,2011.

[7] 周鹗.电机学[M].北京:中国电力出版社,1994.