并网光伏电站中分裂绕组变压器的优势分析

2018-05-02余宏韬

机电信息 2018年12期

余宏韬

（上海市机电设计研究院有限公司，上海200040）

0 引言

太阳能作为一种清洁的可再生能源，是我国重点扶持的新能源。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。光伏发电过去多以离网型工作方式应用于偏远地区，而今则向光伏建筑集成、大型荒漠光伏并网发电的方向快速发展。

本文根据理论分析和工程实例，对分裂绕组变压器在并网光伏电站中应用的优势进行了分析。

1 并网光伏电站主接线特点

光伏电站的主接线与逆变器布置方案有直接关系，一般光伏逆变器有分散型和集中型两种，前者多用于光伏建筑集成项目，而后者多用于荒漠光伏电站，这主要是因为同一光照条件下的光伏板组串应接入同一逆变器和控制器下，以实现发电效率最高。对于采用集中型逆变器布置的光伏电站，虽然大面积的光伏板处于同一光照条件下，但并不是接入逆变器的组串越多或逆变器容量越大越好，这主要需依据电缆距离、压降与逆变器价格综合比选，因此组串汇流箱至逆变器的电缆长度、每块光伏发电区块的面积按照投资性价比均应控制在一定范围内，按此原则每组集中式逆变器的经济最优化容量一般在500～630kW。

由此，并网光伏电站的主接线主要有图1中的三种。采用单元接线形式，虽然接线形式简单、保护可靠，但变压器数量增加一倍，至上级升压变压器的线缆数量也相应增加；而采用扩大单元接线的方案是目前光伏电站的主流设计思路。

图1 光伏电站的典型接线形式

本文讨论扩大单元接线采用分裂式绕组变压器的优点，与普通双绕组变压器相比，双分裂式绕组变压器每相由一个高压绕组与两个低压绕组构成，低压绕组电压和容量均相同，但低压绕组间仅有较弱的磁耦合关系，如图2所示。这种变压器一般有三种运行方式：穿越运行、半穿越运行、分裂运行。当分裂绕组的几个分支并联成一个总的低压绕组对高压绕组运行时，称为穿越运行，此时变压器的短路阻抗称为穿越阻抗X1-2。当低压分裂绕组的一个分支对高压绕组运行时，称为半穿越运行，此时变压器的短路阻抗称为半穿越阻抗X1-2′。当分裂绕组的一个分支对另一个分支运行时，称为分裂运行，此时变压器的短路阻抗称为分裂阻抗X2′-2″。

图2 三相双分裂绕组变压器Y-d11，d11接线图及等值电抗图

2 分裂式绕组变压器的优势

以下为方便讨论，引用成熟产品技术参数，以与普通双绕组变压器做出定量比选计算。2500kVA分裂式绕组变压器基本参数如下：37±2×2.5%/0.36kV/0.36kV，50Hz，短路电抗百分比6.5%，全穿越电抗百分比6.5%，半穿越电抗百分比11.7%，分裂系数＜3.6%。

计算可得：

2.1 降低短路电流

当图2中的d1点短路时，短路电流应包括三部分：系统（高压侧）提供的短路电流I″s（无穷大系统，周期分量不衰减）、非故障分支提供的短路电流I″P1和故障分支提供的短路电流I″P2。对于故障分支的低压断路器，其分断能力应考虑系统提供的短路电流和非故障分支提供的短路电流之和。当采用分裂绕组变压器时，系统提供的短路电流34.3kA；而逆变型分布式电源短路电流一般为2～4倍的额定电流，持续时间为1.2～5ms（0.06～0.25个周波），非故障分支提供的短路电流约为4kA。而采用普通双绕组变压器时（为具有可比较性，假设普通双绕组变压器短路电抗百分比uk%=6.5，与分裂绕组变压器的全穿越电抗百分比uk1-2%相同），变压器阻抗标幺值，系统提供的短路电流，除此之外还应考虑非故障分支提供的短路电流。可以看出，采用分裂绕组变压器的扩大单元接线，其低压侧分支断路器的分断能力要求大为降低。

2.2 限制运行环流

根据上文讨论的光伏主接线特点，并网光伏电站的每个区块组串基本相同，对应逆变器及控制器配置也相同，但多种因素（如随着运行时间光伏板效率的正常衰减、多云天气因素或地形建筑阴影的不均匀遮挡）均可造成同一区块内逆变器输出功率不相等，进而造成扩大单元接线低压侧产生环流，导致元器件过电流，增加热损耗。而分裂式绕组变压器对环流的抑制作用很明显，以上述项目为例具体讨论如下：扩大单元接线低压侧所连接逆变器相当于并列运行，等效电路如图3所示。

图3 两台逆变器并联的等效电路

假设并联模块的参数完全相同，逆变器MPPT控制参数相同，则有C1=C2=C，L1=L2=L，每个逆变器的电感电流为：

由此可以看出每个逆变器的电感电流包括两个部分：第一部分是负载电流，这一部分在两个逆变器中是一样的；第二部分是环流，环流与逆变器输出电压的幅值差、相位差、频率有关。

目前光伏电站逆变器主要控制逻辑是采用“最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking）”，太阳能电池组件有内电阻和外电阻之分，当某一刻经MPPT控制使得内电阻和外电阻相等时，此刻光伏电池组件就工作在最大功率点。以图3为例，逆变器1输出有功P1和无功Q1为：

输出功率与输出电压幅值E和功率角δ有关。理想假设并联的两套逆变器及光伏组串材质、参数、工况、衰减全部相等，则控制器输出电量的功率角应相同，显然这种控制逻辑下，两台输入功率不同的逆变器输出电压应相应改变，即环流与光伏组串的输入功率差成正比，与逆变器的滤波电感和分支电感之和成反比。本文作比较的两种扩大单元接线中，当采用分裂式绕组变压器时，工作于不同分支上的逆变器之间若产生环流，则相当于逆变器之间工作在变压器分裂运行模式，其间分裂阻抗X2′-2″=X2′+X2″，约为普通双绕组变压器电抗值的1.5倍。而普通双绕组变压器对低压侧环流基本无限制作用，考虑到并网光伏电站逆变器—变压器采用集中布置形式，逆变器与变压器之间的导体阻抗基本可忽略不计，即分支电感为零，其环流幅值远远大于采用分裂绕组变压器的扩大单元接线形式。另一方面，采用分裂绕组变压器的扩大单元接线，其并联逆变器与负载之间相当于工作在分裂绕组变压器全穿越运行模式下，其全穿越阻抗X1-2=X1+X2′∥X2″与普通双绕组变压器短路阻抗相当，因此采用双绕组变压器可显著降低光伏发电站单元接线低压侧的环流，而对变压器的运行损耗影响不大。

2.3 非故障分支电压保持

以上文图2、图3为例，因光伏电站一般采用集中式逆变器—变压器布置，逆变器至变压器的电缆阻抗可忽略不计，若采用普通双绕组变压器，则非故障分支电压也降至零电位。这种情况下一般利用继电保护的方法延时非故障分支断路器动作，以减小事故切除范围，但光伏电站采用这种方式可能无法满足保护要求，因为若故障分支切除时间超过逆变器低电压穿越能力将会使非故障分支强制脱网，增加扩大事故范围的风险。而采用分裂绕组变压器时，因为分裂阻抗的存在，系统提供短路电流相当于工作在分裂绕组变压器半穿越运行形式，非故障分支提供短路电流相当于工作在分裂绕组变压器分裂运行形式。短路瞬间，非故障分支逆变器出口电压U″2=I″s×X′2+I″P2×（X′2+X″2），因为高压侧为无穷大系统，根据上文讨论结果I″s远大于I″P2，因此第一部分I″s×X′2不衰减且大于第二部分I″P2×（X′2+X″2），计算可得U″2＞I″s×X′2=185V。非故障分支逆变器出口电压至少可保持在约0.5Un，根据低电压穿越要求光伏电站不脱网运行曲线，其切除时间大于1s（50周波）。由此可以看出，采用分裂绕组变压器的扩大单元接线可可靠满足故障分支断路器切除时间内非故障分支不脱网运行的要求。