并网隔离变压器参数研究

Research on the Parameters of Grid-connected Isolation Transformer

巫付专　冯占伟　王　耕

(中原工学院电子信息学院，河南 郑州　451191)



并网隔离变压器参数研究

Research on the Parameters of Grid-connected Isolation Transformer

巫付专冯占伟王耕

(中原工学院电子信息学院，河南 郑州451191)

摘要：针对目前并网隔离变压器参数选取存在一定的盲目性，基于一种并网冲击电流小、抗干扰性好的LC-T型逆变拓扑入手，运用LC与变压器漏感组成LCL滤波的优化方案来分析滤波特性，并为滤波器参数和变压器漏抗确定提供了理论依据。结合十年变电成本原则对变压器损耗及成本之间的关系进行分析，给出了并网变压器损耗和变比的确定原则。由于并网系统中功率器件、储能电容的失损率较高，提出适当降低变压器变比来降低逆变器耐压等级，既能提高功率器件的利用率又能节约一次性投资成本。最后通过设计分析和试验验证了该方案的合理性。

关键词：并网发电并网逆变器隔离变压器LCL滤波变压器损耗十年变电成本新能源风力发电光伏发电

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

随着新能源发电在全世界范围内迅猛发展，并网发电技术成为一个重要的研究方向[1]，如风力发电、光伏发电等。通常并网发电技术都需要并网逆变器与电网相连接，其中逆变器均采用高频PWM调制下的电流源控制，这样导致进入电网的电流中含有大量高次谐波，这种高次谐波一般采用LC滤波器与隔离变压器进行滤除。一些研究文献[2-3]提到小功率的无隔离型的LCL滤波器具有理想的滤波效果，并对其控制策略做了大量研究。但是，无隔离变压器的光伏系统和电网之间存在电气连接，这样光伏系统与地之间容易产生漏电流，威胁人身安全，同时容易产生电磁干扰，使得并网系统极不稳定。因此，目前工业并网逆变器均采用串联隔离变压器来实现并网，不仅确保了系统安全稳定，而且隔离变压器还具有升压功能，能大大降低对直流电压的要求，并进一步抑制谐波电流流入电网。

并网技术的研究主要集中在控制策略[4]方面，对于隔离变压器参数确定以及这些参数对系统及设备成本影响的研究较少。文献[5]中分析了并网变压器的等效模型，但对于变压器的变比、漏抗的确定没有给出明确的范围以及确定相关参数的方法。目前对于并网隔离变压器参数的选取没有相应的标准，存在一定的盲目性。本文根据LC-T型并网逆变器拓扑，从LCL的高频滤波特性来分析设计滤波参数，为变压器漏抗的确定提供了理论依据，然后结合十年变电成本对变压器损耗及设备成本之间的关系进行了分析研究。

1LC-T型逆变器拓扑及工作原理

三相LC-T型并网逆变器主电路拓扑如图1所示，其主要由五部分构成：直流侧稳压电压源、三相逆变桥、LC滤波、隔离变压器、三相电网系统。

直流侧由光伏系统、燃料电池以及风电机组等提供稳定直流电压；三相逆变桥由开关管IGBT和与之反并联的二极管组成；L为滤波电感；C为滤波电容；隔离变压器变比为N1:N2。其工作原理为：通过检测直流侧电压、电流和电网的电压、电流，控制三相逆变器开关管的通断，从而产生PWM波；经LC滤波后，通过隔离变压器并到电网上即可实现逆变并网。

图1　三相并网逆变器拓扑结构

2并网隔离变压器模型分析

针对三相对称并网逆变器系统，其工作原理可由3个单相等效电路来分析[5]。本文以A相为例，等效电路模型如图2所示。其中ua为逆变器交流侧输出电压；us为电网电压，即隔离变压器副边并网电压；is为隔离变压器副边电流，即注入电网的并网电流。

图2　单相等效电路

隔离变压器的T型等效电路模型如图3所示。图中，u1为串联变压器原边电压；L1、L2分别为隔离变压器的原边和副边电感，R1、R2分别为隔离变压器的原边和副边电感内阻，Lm为激磁电感，Rm为激磁电感内阻，上述参数值均为折算到原边后的等效值；ug、ig分别为隔离变压器副边电压、电流折算到原边的对应值。

图3　变压器T型等效电路

实际应用电路中，激磁电感远大于原副边漏感，因此可忽略激磁电感支路;隔离变压器可以等效为一漏感Lg(Lg=L1+L2)，即逆变器输出侧的LC滤波与变压器的漏电感Lg组成LCL滤波电路。等效滤波电路如图4所示。

图4　等效LCL滤波电路

3并网隔离变压器参数确定

变压器参数的选取主要有额定容量、电压等级、联结组别、变比、空载损耗、负载损耗和阻抗压降等。

并网隔离变压器的容量根据并网设备容量来选取；电压等级由并网系统电压决定；变压器相数根据并网需求选择单相或三相；变压器联结组别根据需要适当选取。本文主要对变压器的变比、阻抗压降、负载损耗和空载损耗的选取进行分析。

3.1基于LCL滤波分析确定变压器漏抗

在图4所示的单相等效LCL滤波电路中，隔离变压器等效漏抗Lg、电容C和电感L组成LCL滤波器。通常电阻R1、R2较小可忽略。本文主要从纹波电流指标要求、有功无功控制、谐波抑制3个方面来设计选取滤波电感及变压器漏抗。

3.1.1电流纹波

电流纹波的计算方法在多种文献[6]中提到，逆变器输出电流的纹波主要是由开关管的通断过程中电感两端电压的不断变化造成的，即电流的纹波变化公式为：

(1)

功率模块IGBT开通和关断时对应的uL不同，这里定义开关函数S=1时，IGBT开通；S=0时，IGBT关断。根据一般经验以及后面计算可知，变压器漏抗Lg一般远小于L，因此其压降很小。同时考虑到其输入端有滤波电容，因此可以得到电感L两端电压uL为：

(2)

式中：Udc为直流侧电压；ω为电网角频率。

以光伏逆变器为例，正常工作时要求功率因数为η=0.99，这里近似为1，即得：

ΔT=Msin(ωt)

(3)

式中：M为SV脉宽调制度，其满足：

(4)

联立式(1)、(2)、(3)可得：

(5)

当t满足式(6)时，可推出电流纹波最大值,如式(7)所示。

(6)

(7)

式中：T为开关周期。

由式(7)可得电流纹波最大值为：

(8)

根据最大电流纹波幅值ΔImax的要求可得出相应的电感下限值，即:

(9)

3.1.2有功无功功率控制

系统稳态并网时一般要求最大功率运行，从逆变器输出有功(无功)功率方面来考虑，系统的总滤波电感大小应予以限制。逆变器交流侧简化等效电路如图5所示。对于基波电流LCL中的滤波电容相当于开路，因此并网逆变器系统的等效滤波电路可以简化为单电感滤波，如图5(a)所示。其中La代表系统A相的总电感，即La=Lg+L。

图5　逆变器交流侧简化等效电路

当逆变器输出电压ua保持恒定，隔离变压器副边电压折算到原边的电压ug也恒定时，选取合适的电感值即可控制逆变器运行在圆周的任意一点，如图5(b)所示。在圆周的不同弧段上逆变器具有不同的运行状态，对电感的设计要求也不一样[7]。当满足B点运行时，电感值达到最小上限临界点；满足A点运行时，电感值达到最大上限临界点。实际设计电感时应至少满足电路的最大要求，因此，由图5(b)可知满足B点时的工作情况为最大要求，即可得下式：

(10)

(11)

在B点时的θ角为0°，且有uL=ug-ua，其中ua=MUdc。因此，由式(10)、(11)可得到总电感的最小上限值：

(12)

式中：Ug、Ua、Ig分别为相应电压电流的峰值；k为变压器变比。

考虑电感的成本以及设计误差，电感值应尽量小且留有相应的裕量。结合式(9),综合滤波动态特性要求可得电感L的范围为：

(13)

3.1.3谐波抑制

设电感L与变压器漏感Lg的比值为r，在高频逆变状态下并网逆变器类似一个谐波发生器，网侧相当于短路。运用诺顿定理可把逆变器滤波电路等效为电流源与电感L并联。h次谐波电流下的等效电路如图6所示。

图6　高频电流谐波下的等效滤波电路

设谐波电流i流到网侧时的衰减比σ为：

(14)

(15)

根据LCL滤波器的谐振频率公式推导出：

(16)

LCL滤波器的谐振频率fres不仅与滤波效果、滤波器体积有关，还影响着逆变器控制的稳定性。因此，谐振频率的范围是一个重要因素。一般要求滤波器的谐振频率在10倍基频和0.5倍开关频率之间[8]，即:

10fs≤fres≤0.5fsω

(17)

根据滤波电容产生的无功功率一般限制为不超过系统额定功率的5%，衰减比σ为20%左右，综上可确定变压器的漏抗Lg。由等效电路图3可得变压器的阻抗压降为：

(18)

式中：R1、R2为隔离变压器的原副边电感内阻。

3.2变压器变比k的选取研究

变压器变比与其连接方式以及逆变器的控制方式有关。变比k的表达式为：

(19)

式中：ua为逆变器输出电压。

根据不同的控制方式可得其输出电压值为：

(20)

式中：m为调制比。

由于不同的储能装置所能提供的直流侧电压值不同，要求直流输入电压有较宽的适应范围，由式(19)、(20)可以确定变压器变比k的范围：

(21)

逆变器选取关键是确定其额定电压、电流以及开关频率等参数。额定电压由直流侧电压Udc来选取，额定电流由并网系统容量来确定，而开关频率的大小不仅影响IGBT的损耗而且影响并网电流的质量。当逆变电流恒定时，开关频率越高损耗越大，因此实际应用中开关频率应给予限制。当开关频率、传输功率一定时，适当提高直流侧电压可以减小逆变器的电流，从而降低逆变器开关损耗。但直流侧电压的升高会造成IGBT、储能电容的耐压等级提高，从而造成一次投资成本的提升，所以要综合考虑。

工业界调查显示[9]，在变流器各部分组成单元中最容易失效的是功率器件，占31%的份额；随后是储能电容，占21%的份额。各类电容元件尤其是铝电解电容是影响开关电源可靠性的关键因素。电解电容国标最大耐压值一般为450V，IGBT典型的耐压等级为600V和1 200V等。通常并网变压器变比为1，按SV或SP控制方式并网需要的直流侧电压为620V，这样IGBT的耐压等级应选取1 200V，同样直流侧需要4个相同的电容串并来抬升耐压等级，这样会造成设备成本较高，从而使得一次投资成本较大。

适当降低变压器的变比，使其具有升压作用，从而降低直流侧电压要求。同时结合逆变器IGBT以及电解电容的耐压等级，考虑到器件选取需留有一定裕量等因素，直流侧电压选取400V时能最大限度地降低IGBT耐压等级，而且直流侧储能电容只需一个标称电容即可满足要求。由逆变桥交直流侧关系得交流侧输出电压为150V，由式(19)可得并网隔离变压器的变比k为0.6。

综上所述，适当降低变压器的变比不仅降低了直流侧的电压要求，而且最大限度地提高了功率器件的利用率，既节约了设备成本，又降低了一次性投资。

3.3变压器的损耗计算

电力变压器损耗包括空载损耗、负载损耗和附加损耗。空载损耗与负载电流的大小无关，变压器接入电路就会产生空载损耗。一般情况下，空载损耗和附加损耗为常数，而负载损耗为动态损耗，其近似与绕组电流的平方成正比。变压器损耗不仅体现了电能的消耗，而且也关系着制造成本、运行经济性和动态稳定性。我国设计制造普通电力变压器所选择的损耗参数是根据“十年变电成本”原则确定的[9]。其表达式为：

C=C1+C2

(22)

式中：C1为产品费用及十年利息总和；C2为运行费用及十年利息总和。

C1、C2计算公式分别为：

C1=C0(1+p)10

(23)

C2=(T0P0+TkPk)×e×[(1+p)10+

(1+p)9+…+(1+p)]

(24)

式中：C0为变压器售价；p为年利率；T0为空载损耗运行等效时间；P0为空载损耗；Tk为负载等效运行时间；Pk为负载损耗；e为每度电费。

对于普通电力变压器来说，空载损耗是长期存在的，考虑每年有一周检修时间，通常变压器空载运行时间T0取8 600 h。变压器实际运行时的负载损耗为其铭牌值的25%～64%左右，通常负载运行时间Tk取2 200 h。

对于光伏并网隔离变压器来说，其工况不用于普通变压器。在实际运行中，光伏电站的工况受多种因素(如地区、季节、气候等)的影响，相邻两天之间的工作时长差别可能非常悬殊[10]。考虑光伏发电的特殊性即白天发电，因此光伏电站的日运行时间约为12 h，冬季会更短一些，且阳光充足时段输出的功率大，否则功率小。同时考虑到阴雨天以及系统检修等因素，并网逆变器的工作时长比电力变压器少一半以上。光伏并网隔离变压器空载损耗和负载损耗应比普通电力变压器高。但是光伏发电成本较一般发电成本高，因此其损耗应该降低。综合上述多种因素，本文进行了分析计算，具体数据如表1所示。

表1　变压器工况

参照GB 6451-2008标准设计一款容量为30 kVA、连接方式为Y，yn0的普通电力变压器，同时依据本文提出的参数选取原则设计相同容量的光伏隔离变压器。相应的电磁优化设计结果对比如表2所示。

表2　变压器参数设计表

光伏变压器1、2、3、4分别为对比普通变压器损耗值保持一致、降低10%、增加10%和增加20%的对应计算值。计算变电成本采用的数据具体如下：利息(2.25%)、铜线(57元/kg)、硅钢片(16元/kg)、普通电费(0.6元/度)、光伏电费(0.8元/度)，均以当前价格为准。

从表2可看出，考虑到负载率和发电成本，根据十年变电成本最小的原则，光伏隔离变压器的损耗应比普通变压损耗选的略高。按本文示例情况，当光伏隔离变压器的损耗比普通变压器的损耗高10%时十年变电成本最小。

4实验验证及说明

根据上述理论分析搭建模拟光伏并网逆变器硬件实验平台。电网相电压220 V，频率50 Hz，直流侧运用直流稳压电源来模拟光伏、风电等输出的直流电压，并网隔离变压器变比为0.6，逆变器开关频率为12.8 kHz。软件控制采用SVPWM以及能够实现并网电流低次谐波补偿且具有无静差稳态性能的新型比例谐振控制器，并网实验波形如图7所示。由图7可知，变压器变比为0.6时逆变器交流输出电压为150 V，此时满足并网要求，并网电流谐波畸变率为4.27%，满足国标要求。

图7　并网变压器原边电压电流波形

5结束语

本文给出的LC-T型并网逆变器拓扑既确保了光伏系统和电网之间电气隔离，又保证了系统的安全稳定。从滤波电路的特性和变压器的经济高效运行角度分析，运用LC滤波与变压器漏抗组成LCL滤波节省了一个电感，并为变压器阻抗压降的确定提供了理论依据。针对变压器与主电路参数的关系，提出适当降低变压器的变比，运用其升压功能来降低系统对直流电压的要求，减小了逆变器的成本。结合十年变电成本原则计算了变压器的空载负载损耗等参数，为并网隔离变压器的参数选取提供了一种可行性方案。

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中图分类号：TH86;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602004

河南省教育厅科学技术研究重点项目(编号：13B470299)。

修改稿收到日期：2015-06-01。

第一作者巫付专(1965-)，男，1988年毕业于哈尔滨理工大学电机专业，获硕士学位，教授；主要从事电力电子与电能质量方面的研究。