四分裂变压器在大型并网光伏电站中的应用

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 张晓峰 戴晓亮 吕丹

0 引言

分裂变压器原先主要用于火力发电厂及地铁等，但是随着光伏电站的发展，分裂变压器被用作光伏电站阵列升压变。由于市场上大多数逆变器生产厂商制造的500 kW并网逆变器的拓扑结构不能适应双绕组变压器，如果采用双绕组变压器作为升压变必须为逆变器的交流出口配置隔离变压器，而分裂变压器既具有升压变的功能，又可起到隔离变的作用，所以分裂变压器在光伏发电中得到广泛使用。

双分裂变压器被大型光伏并网电站选为升压变，而其低压线圈采用轴向分裂方式，在半穿越工作方式时抗短路能力差。大型并网光伏电站近年来的发展速度迅猛，在设计发电系统时，通常根据市场上已成熟定型的双分裂变压器，将1 MW定为1个发电单元，并设置2台500 kW的逆变器共用1台双分裂变压器升压构成1个发电系统的子系统，其系统接线图如图1所示。随着近年来国内光伏电站建设容量逐渐增大，如果继续采用双分裂变压器，则系统中变压器、开关柜及线缆的数量增多，对于百兆瓦级以上的电站造成系统接线形式十分繁琐，同时也增加故障点、土建工程量，延长了施工周期。而如果有双分裂以上多分裂变压器可供选择时，发电系统就可得到进一步优化，简化系统、减少发电系统回路，可降低系统损耗，增加发电量，同时大幅减少高压电缆的用量，高压线路、变压器等各种相关配套设备和保护设备也随之得到减少和简化，节省投资、提高效率。

图1 1MW系统接线图

面对这样一个现实存在的技术问题，我们提出一种容量为2000 kVA的四分裂变压器。将其应用在光伏电站中，可减少升压变的数量，减少汇线的回路数，从而简化系统接线形式，最终提出一个新的大型光伏电站的设计方案。

1 四分裂变压器发电系统方案介绍

将1 MW子方阵单元提升至2 MW，就地升压变压器的容量相应选择2000 kVA。由于逆变器不能适应双绕组变压器，因此变压器需采用分裂形式，对应连接4台500 kW的并网逆变器，其接线系统如图2所示。该设计方案提高了方阵的容量，但未增加就地升压变压器的数量，而是增加其容量，这样减少了设备数量。因此，需要设计一种四分裂变压器来满足这种设计方案。

图2 2MW系统接线图

2 四分裂变压器的结构形式

现有的双分裂变压器中普遍采用辐向分裂或轴向分裂两种技术，结构图如图3所示。

图3 分裂变压器的结构图

采用轴向方式的分裂变压器的结构为：低压绕组和高压绕组内外层嵌套设置，高压绕组在外层(上下两段采用并列连接形成一个整体)，低压绕组在内层，两个低压绕组的线圈直径相同，并沿轴向依次叠加布置。采用辐向方式的分裂变压器的结构为：高压绕组和两个低压绕组按照从外至内的顺序内外层嵌套设置，高压绕组在最外层，内层两个低压绕组也是嵌套设置的。

对于采用轴向方式的分裂变压器，由于多个低压绕组沿轴向依次叠加布置，使得整个分裂变压器的高度增大，不方便运输和使用。另外，低压绕组轴向分裂后，大幅增加高压绕组与低压各分裂绕组之间的短路阻抗，阻抗的增大使整个变压器的效率降低。

对于采用辐向方式的分裂变压器，随着分裂绕组的增多，使高压绕组离铁芯的距离越来越远，因此励磁效率大幅度降低；另外，低压绕组之间的电容电流增大，并且阻抗很难保证均衡，整个系统稳定性降低；多个低压绕组按照内外嵌套的方式设置，各个低压绕组的直径不同，因此很难保证两组或两组以上的低压绕组参数一致，并满足高低压绕组线圈的绝缘要求，也使得分裂变压器在超载甚至短路时易被大短路电流破坏其热稳定性和动稳定性；同时，对于多分裂变压器，由于内外嵌套的层数较多，所述内层线圈维修难度也很大。

因此，目前光伏电站使用的分裂变压器结构形式方面这两种形式都有使用，但是由于这两种形式自身的缺点，目前也只做到双分裂，即低压两个绕组，对应连接2台500 kW的并网逆变器。

综上所述，如果要采用2 MW的子单元方阵设计方案，就必须设计出一种四分裂变压器。根据两种不同分裂形式的优缺点，通过深度的计算和分析后，可在变压器设计结构上采用轴向分裂和辐向分裂相结合的形式[1](如图4所示，高压线圈上下两段采用并列连接形成一个整体)来设计。这种结构形式既避免了多个低压绕组轴向分裂所产生高度增大、效率低的缺点；也避免了多个低压绕组辐向分裂所产生励磁效率大幅度降低、低压绕组之间的电容电流将增大、阻抗很难保证均衡的问题。

图4 轴向辐向结合分裂结构图

3 四分裂变压器外形设计及主要参数

通过对上述四分裂变压器结构的分析，低压线圈为轴向分裂与幅向分裂相结合的方式，上、中、下分别出线，且各设一散热气道，低压线圈利用同一内模分开绕制，使得线圈内外径尽量相同，气道内外尺寸相同，确保单组阻抗的平衡及散热要求。高压线圈采用多层分段圆筒式，降低了变压器匝间、层间及段间的场强，使线圈中各部位的场强分布均匀，无局部场强过强情况。

利用软件进行建模并进行电气的设计计算[2]，根据光伏电站对分裂变压器的电压、变比、阻抗及联结组别等主要参数的要求，设计1台2000 kVA的四分裂变压器，其外形图如图5所示。变压器联结组别采用“星-角-角-角-角”，即 YΔ11Δ11Δ11Δ11，如图 6所示。选择此联结组别是由于角形接线可以抑制光伏发电系统中的3、6、9次谐波。

图5 四分裂变压器外形图

图6 四分裂变压器联结组别

4 四分裂变压器在光伏电站中的应用优势

四分裂变压器研制完成后，设计一套在大型光伏并网电站应用的技术方案[3]。通过与常规双分裂变压器方案进行比较，发现使用了四分裂变压器的方案简化整个系统的接线、减少变压器数量，逆变器室的数量也减少一半、电缆用量也节省了大半、既节省了建设投资、又缩短了建设周期。

我们以20 MW的建设容量为例进行定量计算，双分裂变压器方案和四分裂变压器方案计算分别见表1和表2。需要注意的是，表1、表2只考虑20 MW电站由不同方案所引起的设备及工程量的变化，电站其他工程不详述。

表1 双分裂变压器方案

由表1和表2可知，若采用四分裂变压器方案，对于一个建设规模为20 MW的电站可减少投资约139万元。因此，采用四分裂变压器方案对光伏电在降低成本方面是一个有效而可行的手段，如果大力推广下去可带来相当可观的经济效益。

表2 四分裂变压器方案

5 结论

笔者认为，通过与常规双分裂变压器在光伏电站中应用的比较，四分裂变压器具有明显的优势。这种新的四分裂变压器的推出将为光伏电站的设计提供一个新的方案，而这种方案不止局限于大型地面电站，还可推广至屋顶BAPV(BIPV)的设计中，为大型光伏电站的建设带来更大的经济效益。

[1] 张晓峰, 张恬, 潘甲龙, 等. 一种分裂变压器[P]. 中国:ZL201320154712.X，2013-3-27.

[2] 刘传彝. 电力变压器设计计算方法与实践[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2002.

[3] GB 50797-2012. 光伏发电站设计规范[S].