低压配电储能变流系统变压器集成滤波电抗特性分析

梁崇淦，易 斌，罗 敏，孟金岭

(广东电科院能源技术有限责任公司，广东 广州 510080)

0 引言

低压配电系统与电力用户的各类负载直接相连，其供电可靠性和电能质量直接影响用户的正常用电。对线路网络复杂的配电网进行升级改造是电力公司关注的工作重点之一。在2016—2020年电力发展“十三五”规划中，明确提出了升级改造配电网的要求，要切实解决配电网薄弱问题，推进智能电网建设，提高供电可靠性及供电质量，满足广大电力用户的用电需求。在低压配电台区，普遍存在着用电峰谷差、三相不平衡、电压跌落等问题[1-4]。电力用户对电能的需求存在着不同时刻、不同季节、不同区域的明显差别，用电高峰和用电低谷之间的差别日益加剧，不利于电力系统的经济运行，调峰的需求越来越突出[5]。此外，电力用户负荷量的不断增长，还给低压配电台区带来了供电线路末端压降大、配电变压器重载或超载等问题[4, 6]，严重影响低压配电用户的正常用电。为提高低压配电台区的供电可靠性和电能质量，通常采用配电台区扩建、配电变压器增容、加装无功补偿装置、加装分布式电源等措施[4, 6-7]，然而这些方式所实现的功能往往比较单一。此外，低压配电台区还存在用户间歇性用电高峰、节日性和季节性用电高峰等导致的阶段性配电变压器重载、过载等问题[8]，因此通过配电台区升级扩建、配电变压器增容的方式往往有电网建设成本高、电力设备利用率低等问题，而且这样也不能解决减小用电负荷峰谷差、提高电网运行经济性等现实难题。

作为一种新兴的技术手段，储能技术可在电力系统的发、输、变、配、用各环节发挥不同的作用[5]，具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。储能装置能有效协调发电侧与配电或用电侧的需求，将电网中的能量转化成适于在一定时间内保存的形式，而后则将所存储的能量返还电网，并转化成电力用户所需要的形式[9]。储能技术具有减少一次能源使用量、确保电网发挥最优发电能力、提高电网运行效率、降低供电成本、提高电网对新能源的接纳能力、提供能量供应和保障、提高供电可靠性和电能质量等突出优势[5, 9-15]。对于上述低压配电台区所存在的问题，储能系统能有效延缓或减少配电设备扩容和建设、提供有功和无功功率支撑、提高供电可靠性和电能质量、实现电网负荷“削峰填谷”等[16]。对于低压配电网，储能系统宜采用模块化、小型化的分布式安装方式，一方面是由于低压配电网线路复杂、网络庞大、台区分散，另一方面也是由于安装场地受限所致。

在低压配电台区的分布式储能系统实际应用中，储能变流系统需要通过隔离变压器与低压配电线路实现电气隔离，变流器的交流输出侧也需要安装滤波器以降低变流器谐波对配电网的影响。应用于配网用户侧的储能系统，因其分布式、模块化、小型化的趋势和要求，往往集成化程度比较高，储能变流系统通常制造成柜式。变流柜中往往集成了功率变换单元、控制系统、断路器、隔离变压器、无源滤波器等装置，因此柜中部件布置非常紧凑，需要对散热要求和设计进行充分考虑。由于储能变流器柜中设备空间严格受限，与线性度好、体积较大的空心滤波电抗器相比，铁心电抗器的尺寸相对较小[17]，因此分布式储能系统往往采用铁心电抗器作为滤波电抗器。由于铁心的磁饱和特性，其电感值具有非线性的特征，影响其所组成滤波器的滤波效果，且由于铁心的磁致伸缩效应，其运行噪音也较大[18-20]。在实际运行中还发现，由于储能变流器柜相对封闭，铁心电抗器的温升很大，运行时其铁心实测温度很高，电能损耗非常大。针对设备空间严格受限的储能变流系统，且为克服空心电抗器尺寸大以及铁心电抗器磁饱和效应、电感非线性、运行噪音大、温升高、电能损耗大等技术难题，本文提出一种线性滤波电抗绕组集成于储能变流系统隔离变压器的技术方案，通过理论分析、仿真验证和原理样机试验验证等手段，对变压器集成滤波电抗绕组的电磁解耦和电感线性等特性进行研究，从而对所提出技术方案的可行性进行验证。

1 低压配电储能变流系统隔离变压器集成滤波电抗方案

图1 低压配电储能变流系统隔离变压器集成滤波电抗方案图Fig.1 Scheme of isolation transformer integrated filtering inductor in energy storage power conversion system for low-voltage distribution networks

图2 集成滤波电抗绕组的隔离变压器结构图Fig.2 Structure diagram of isolation transformer with integrated filtering inductor winding

采用隔离变压器集成滤波电抗方案的低压配电储能变流系统如图1所示。该系统主要由电化学储能电池组、直流侧电容、AC/DC变换电路、隔离变压器及交流输出侧滤波器等组成。AC/DC变换电路采用三相全桥全控变流电路，其直流侧接入直流电容和储能电池组。AC/DC电路交流侧的每一相经LC滤波器后与隔离变压器相连接，隔离变压器的另一侧则接入低压配电线路。为降低储能变流设备的总体积，提高系统装置的集成度，将滤波电抗器绕组集成于隔离变压器，所述集成滤波电抗的变压器结构示意图如图2所示。集成滤波电抗绕组由两段子绕组构成，这两段子绕组采用匝数相等、绕向相反的串联结构，且它们的绕组高度、内外径分别相同，呈上下竖直的布置方式。采用这样的特殊绕制结构，可实现集成电抗绕组与绕制在同一磁心上的变压器绕组之间的电磁解耦，从而使它们在正常运行中互不影响，从而保证集成电抗绕组的独立性。相关解耦原理分析如图3所示。

图3 集成滤波电抗绕组的解耦特性分析Fig.3 Decoupling characteristic analysis of integrated filtering-inductor winding

如图3所示，集成滤波电抗绕组与变压器绕组(图中仅表示出其中一个变压器绕组)共同绕制在同一个变压器铁心上，其中集成电抗绕组由匝数相等、反向串联的两段子绕组a和b组成。由于集成电抗绕组由子绕组a和b串联而成，因此其在铁心中产生的主磁通为两段子绕组分别在铁心中产生的主磁通之和，即有

(1)

由电磁场理论可得下述磁路表达式：

(2)

由于子绕组a和b是等匝反串在同一铁心上的，即有

(3)

将式(3)代入式(2),可得

(4)

因此，将式(4)代入式(1),得

(5)

即由所述特殊结构的子绕组a和b组成的集成电抗绕组在铁心中产生的主磁通为0。

由此可见，在图3所示的变压器铁心中，集成电抗绕组产生的主磁通为0，因而不会与变压器绕组在该铁心中产生的主磁通实现磁交链。由于不能形成有效的磁交链，因此集成电抗绕组和变压器绕组之间就不能通过电磁感应效应而相互影响，体现出了集成电抗绕组所具有的电磁解耦特性。因此，即使与变压器绕组共同绕制在同一铁心上，集成电抗绕组依然能保持其独立性。由于集成电抗绕组在铁心中产生的主磁通为0，因此其电感值完全由其漏磁场所决定，因而其集成电抗绕组具有良好电感线性度。基于交错式绕组漏电感计算的磁场能量法，可根据集成滤波电抗绕组的排布及参数对其电感值进行计算[21-22]。

2 基于Maxwell的有限元仿真分析

为验证变压器集成滤波电抗的电磁特性理论分析，设计了一台集成电抗绕组的三相三绕组变压器原理样机，其额定电气参数设计值如表1所列。值得说明的是，在该设计方案中，每相铁心上有两个集成滤波电抗绕组，这两个集成电抗绕组可分别单独使用，也可通过串联或并联的方式组合使用，以形成不同的电感值，从而可与不同的电容器组成多种滤波参数不同的无源滤波器，以提高该原理样机在实验室中的重复利用性。

表1 集成滤波电抗绕组的变压器设计参数Table 1 Designed parameters of transformer with integrated filtering inductor windings

根据表1所示变压器参数进行设计，并根据设计图纸在ANSYS/Maxwell中建立了该变压器的3维有限元仿真模型，如图4所示。

图4 集成滤波电抗绕组的变压器3维有限元仿真模型Fig.4 Three-dimensional finite-element simulation model of transformer with integrated filtering inductor windings

在静磁场运算模式下对集成滤波电抗的变压器模型进行仿真，可获得该变压器所有绕组的电感矩阵M及对应的磁耦合系数矩阵K：

从磁耦合系数矩阵可看出，与变压器本体各绕组之间接近1的强磁耦合相比，集成电抗绕组与各变压器绕组之间的磁耦合系数均小于0.015，而两个集成电抗绕组之间的磁耦合则小于0.048。由此可见，集成电抗绕组与在同一变压器铁心上绕制的其他绕组之间仅有非常弱的磁耦合关系，因此其呈现出良好的电磁解耦特性，验证了理论分析的正确性。另外从电感矩阵中也能看出，两个集成滤波电抗绕组的电感值均约为0.41 mH。

3 原理样机的试验测试

根据设计方案，研制了一台额定容量为30 kV·A的原理样机，如图5所示，其相关的电气参数如表2所列，并对其相关的特性进行实验验证。

图5 集成滤波电抗变压器原理样机图Fig.5 A picture of transformer prototype with integrated filtering inductors

额定容量/(kV·A)电压等级/V短路阻抗/%短路损耗/W空载电流/%空载损耗/W30400/100/100Z12=7.83Z'13=4.57Z'23=3.555800.7988

为验证集成电抗绕组的解耦特性，对该绕组与同一变压器铁心上的其他绕组进行磁耦合系数测定。两个绕组间的磁耦合测定方法示意图如图6所示，忽略绕组损耗，可得下列表达式：

(8)

图6 两个绕组间的磁耦合测定方法示意图Fig.6 A schematic illustrating magnetic coupling evaluation between two windings

1) 绕组1两端施压，绕组2开路。此时绕组2中电流为0，代入式(8)可得

(9)

那么，开路绕组的感应电压与施压绕组的电压之比为

(10)

2)绕组2两端施压，绕组1开路。此时绕组1中电流为0，代入式(8)可得

(11)

那么，开路绕组的感应电压与施压绕组的电压之比为

(12)

联合式(10)和(12)，可得磁耦合系数k计算式为

(13)

根据上述磁耦合系数的测试方法，对集成滤波电抗绕组的变压器原理样机进行测试，其A相绕组的实测结果如表3所列。

表3 集成滤波电抗绕组的变压器样机A相各绕组间的磁耦合实测数据Table 3 Measured magnetic coupling data related to Phase A windings of transformer prototype with integrated filtering inductors

根据表3所示的实测数据，可计算出集成滤波电抗变压器样机A相各绕组之间的磁耦合系数，以矩阵的形式表示为

(14)

分析式(14)可知，变压器绕组之间的磁耦合系数几乎为1，说明了变压器绕组间呈现出非常强的磁耦合特性。与此形成鲜明对比的是，绕制在同一变压器铁心上的集成电抗绕组与变压器绕组之间的磁耦合系数不足0.006，两个集成电抗之间的则不足0.032，呈现出非常弱的磁耦合特性。因此证明了集成电抗绕组具有优越的磁解耦特性，这与第2节的有限元仿真分析所得结论相同。

为验证变压器集成滤波电抗绕组的电感线性度，对该绕组的伏安特性进行测定。如图7所示，集成电抗绕组的伏安特性呈现为一直线，从而说明了其电感值具有很好的线性度，具有与空心电抗器类似的线性电感特性，可很好地满足滤波要求。

图7 集成滤波电抗的伏安特性曲线Fig.7 V-I curves of integrated filtering inductors

4 结论

随着电力用户负荷量的不断增长，低压配电台区存在的用电峰谷差、三相不平衡、配电变压器过载、电压越限等问题越来越突出。储能技术应用于低压配电台区，具有能有效延缓或减少配电设备扩容和建设、提供有功和无功功率支撑、提高供电可靠性和电能质量、实现电网负荷“削峰填谷”等技术优势，因此储能系统在低压配电网大规模推广应用的前景非常广阔。适用于低压配电网的储能系统，宜采用分布式、模块化、小型化的配置方式，因此具有集成度高、设备布置紧凑、散热要求高等特点。在低压配电储能变流系统中，往往采用尺寸相对较小的铁心电抗器作为输出侧的滤波电抗器；然而铁心电抗器存在铁心磁饱和、电感非线性、运行噪音大、温升高、电能损耗大等缺点。针对低压配电台区分布式储能系统，本文提出了一种线性滤波电抗集成于隔离变压器的技术方案。本文通过电磁场理论分析、有限元仿真分析和原理样机试验等方式对所提出技术方案的可行性进行研究。试验结果表明，线性滤波电抗绕组具有良好的电磁解耦性和电感线性度，同时也验证了理论分析和仿真分析的结果。