余宏韜

（上海市機(jī)電設(shè)計研究院有限公司，上海200040）

0 引言

太陽能作為一種清潔的可再生能源，是我國重點扶持的新能源。中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。光伏發(fā)電過去多以離網(wǎng)型工作方式應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，而今則向光伏建筑集成、大型荒漠光伏并網(wǎng)發(fā)電的方向快速發(fā)展。

本文根據(jù)理論分析和工程實例，對分裂繞組變壓器在并網(wǎng)光伏電站中應(yīng)用的優(yōu)勢進(jìn)行了分析。

1 并網(wǎng)光伏電站主接線特點

光伏電站的主接線與逆變器布置方案有直接關(guān)系，一般光伏逆變器有分散型和集中型兩種，前者多用于光伏建筑集成項目，而后者多用于荒漠光伏電站，這主要是因為同一光照條件下的光伏板組串應(yīng)接入同一逆變器和控制器下，以實現(xiàn)發(fā)電效率最高。對于采用集中型逆變器布置的光伏電站，雖然大面積的光伏板處于同一光照條件下，但并不是接入逆變器的組串越多或逆變器容量越大越好，這主要需依據(jù)電纜距離、壓降與逆變器價格綜合比選，因此組串匯流箱至逆變器的電纜長度、每塊光伏發(fā)電區(qū)塊的面積按照投資性價比均應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，按此原則每組集中式逆變器的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化容量一般在500～630kW。

由此，并網(wǎng)光伏電站的主接線主要有圖1中的三種。采用單元接線形式，雖然接線形式簡單、保護(hù)可靠，但變壓器數(shù)量增加一倍，至上級升壓變壓器的線纜數(shù)量也相應(yīng)增加；而采用擴(kuò)大單元接線的方案是目前光伏電站的主流設(shè)計思路。

圖1 光伏電站的典型接線形式

本文討論擴(kuò)大單元接線采用分裂式繞組變壓器的優(yōu)點，與普通雙繞組變壓器相比，雙分裂式繞組變壓器每相由一個高壓繞組與兩個低壓繞組構(gòu)成，低壓繞組電壓和容量均相同，但低壓繞組間僅有較弱的磁耦合關(guān)系，如圖2所示。這種變壓器一般有三種運行方式：穿越運行、半穿越運行、分裂運行。當(dāng)分裂繞組的幾個分支并聯(lián)成一個總的低壓繞組對高壓繞組運行時，稱為穿越運行，此時變壓器的短路阻抗稱為穿越阻抗X1-2。當(dāng)?shù)蛪悍至牙@組的一個分支對高壓繞組運行時，稱為半穿越運行，此時變壓器的短路阻抗稱為半穿越阻抗X1-2′。當(dāng)分裂繞組的一個分支對另一個分支運行時，稱為分裂運行，此時變壓器的短路阻抗稱為分裂阻抗X2′-2″。

圖2 三相雙分裂繞組變壓器Y-d11，d11接線圖及等值電抗圖

2 分裂式繞組變壓器的優(yōu)勢

以下為方便討論，引用成熟產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，以與普通雙繞組變壓器做出定量比選計算。2500kVA分裂式繞組變壓器基本參數(shù)如下：37±2×2.5%/0.36kV/0.36kV，50Hz，短路電抗百分比6.5%，全穿越電抗百分比6.5%，半穿越電抗百分比11.7%，分裂系數(shù)＜3.6%。

計算可得：

2.1 降低短路電流

當(dāng)圖2中的d1點短路時，短路電流應(yīng)包括三部分：系統(tǒng)（高壓側(cè)）提供的短路電流I″s（無窮大系統(tǒng)，周期分量不衰減）、非故障分支提供的短路電流I″P1和故障分支提供的短路電流I″P2。對于故障分支的低壓斷路器，其分?jǐn)嗄芰?yīng)考慮系統(tǒng)提供的短路電流和非故障分支提供的短路電流之和。當(dāng)采用分裂繞組變壓器時，系統(tǒng)提供的短路電流34.3kA；而逆變型分布式電源短路電流一般為2～4倍的額定電流，持續(xù)時間為1.2～5ms（0.06～0.25個周波），非故障分支提供的短路電流約為4kA。而采用普通雙繞組變壓器時（為具有可比較性，假設(shè)普通雙繞組變壓器短路電抗百分比uk%=6.5，與分裂繞組變壓器的全穿越電抗百分比uk1-2%相同），變壓器阻抗標(biāo)幺值，系統(tǒng)提供的短路電流，除此之外還應(yīng)考慮非故障分支提供的短路電流?？梢钥闯?，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線，其低壓側(cè)分支斷路器的分?jǐn)嗄芰σ蟠鬄榻档汀?/p>

2.2 限制運行環(huán)流

根據(jù)上文討論的光伏主接線特點，并網(wǎng)光伏電站的每個區(qū)塊組串基本相同，對應(yīng)逆變器及控制器配置也相同，但多種因素（如隨著運行時間光伏板效率的正常衰減、多云天氣因素或地形建筑陰影的不均勻遮擋）均可造成同一區(qū)塊內(nèi)逆變器輸出功率不相等，進(jìn)而造成擴(kuò)大單元接線低壓側(cè)產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致元器件過電流，增加熱損耗。而分裂式繞組變壓器對環(huán)流的抑制作用很明顯，以上述項目為例具體討論如下：擴(kuò)大單元接線低壓側(cè)所連接逆變器相當(dāng)于并列運行，等效電路如圖3所示。

圖3 兩臺逆變器并聯(lián)的等效電路

假設(shè)并聯(lián)模塊的參數(shù)完全相同，逆變器MPPT控制參數(shù)相同，則有C1=C2=C，L1=L2=L，每個逆變器的電感電流為：

由此可以看出每個逆變器的電感電流包括兩個部分：第一部分是負(fù)載電流，這一部分在兩個逆變器中是一樣的；第二部分是環(huán)流，環(huán)流與逆變器輸出電壓的幅值差、相位差、頻率有關(guān)。

目前光伏電站逆變器主要控制邏輯是采用“最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking）”，太陽能電池組件有內(nèi)電阻和外電阻之分，當(dāng)某一刻經(jīng)MPPT控制使得內(nèi)電阻和外電阻相等時，此刻光伏電池組件就工作在最大功率點。以圖3為例，逆變器1輸出有功P1和無功Q1為：

輸出功率與輸出電壓幅值E和功率角δ有關(guān)。理想假設(shè)并聯(lián)的兩套逆變器及光伏組串材質(zhì)、參數(shù)、工況、衰減全部相等，則控制器輸出電量的功率角應(yīng)相同，顯然這種控制邏輯下，兩臺輸入功率不同的逆變器輸出電壓應(yīng)相應(yīng)改變，即環(huán)流與光伏組串的輸入功率差成正比，與逆變器的濾波電感和分支電感之和成反比。本文作比較的兩種擴(kuò)大單元接線中，當(dāng)采用分裂式繞組變壓器時，工作于不同分支上的逆變器之間若產(chǎn)生環(huán)流，則相當(dāng)于逆變器之間工作在變壓器分裂運行模式，其間分裂阻抗X2′-2″=X2′+X2″，約為普通雙繞組變壓器電抗值的1.5倍。而普通雙繞組變壓器對低壓側(cè)環(huán)流基本無限制作用，考慮到并網(wǎng)光伏電站逆變器—變壓器采用集中布置形式，逆變器與變壓器之間的導(dǎo)體阻抗基本可忽略不計，即分支電感為零，其環(huán)流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線形式。另一方面，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線，其并聯(lián)逆變器與負(fù)載之間相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器全穿越運行模式下，其全穿越阻抗X1-2=X1+X2′∥X2″與普通雙繞組變壓器短路阻抗相當(dāng)，因此采用雙繞組變壓器可顯著降低光伏發(fā)電站單元接線低壓側(cè)的環(huán)流，而對變壓器的運行損耗影響不大。

2.3 非故障分支電壓保持

以上文圖2、圖3為例，因光伏電站一般采用集中式逆變器—變壓器布置，逆變器至變壓器的電纜阻抗可忽略不計，若采用普通雙繞組變壓器，則非故障分支電壓也降至零電位。這種情況下一般利用繼電保護(hù)的方法延時非故障分支斷路器動作，以減小事故切除范圍，但光伏電站采用這種方式可能無法滿足保護(hù)要求，因為若故障分支切除時間超過逆變器低電壓穿越能力將會使非故障分支強(qiáng)制脫網(wǎng)，增加擴(kuò)大事故范圍的風(fēng)險。而采用分裂繞組變壓器時，因為分裂阻抗的存在，系統(tǒng)提供短路電流相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器半穿越運行形式，非故障分支提供短路電流相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器分裂運行形式。短路瞬間，非故障分支逆變器出口電壓U″2=I″s×X′2+I″P2×（X′2+X″2），因為高壓側(cè)為無窮大系統(tǒng)，根據(jù)上文討論結(jié)果I″s遠(yuǎn)大于I″P2，因此第一部分I″s×X′2不衰減且大于第二部分I″P2×（X′2+X″2），計算可得U″2＞I″s×X′2=185V。非故障分支逆變器出口電壓至少可保持在約0.5Un，根據(jù)低電壓穿越要求光伏電站不脫網(wǎng)運行曲線，其切除時間大于1s（50周波）。由此可以看出，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線可可靠滿足故障分支斷路器切除時間內(nèi)非故障分支不脫網(wǎng)運行的要求。

3 結(jié)語

分裂繞組變壓器在工程中有較多運用，其對并網(wǎng)光伏電站的適用性尤其高，如上文討論所述，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在降低短路電流、限制運行環(huán)流、維持非故障分支電壓等方面。本文依據(jù)工程設(shè)計實例對其在光伏電站中的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了理論分析，對并網(wǎng)光伏電站工程中的接線形式選擇和設(shè)備比選具有一定的指導(dǎo)意義。

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