用于可再生能源應用的干式變壓器在未來世界上發(fā)電容量的增加將主要集中在太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電。這些光伏隔離變壓器和風力發(fā)電勵磁變壓器的特殊運行和性能要求有不同的設計和分析技術。本文件涵蓋了這些設計要求。本文還簡要介紹了智能電網發(fā)展的新情況以及這些變壓器在智能電網中的應用！

引文作者:上海蓋能電氣市場部（專注干式變壓器30年）

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一：光伏發(fā)電和風力發(fā)電介紹

近幾年來，可再生能源發(fā)展迅速，特別是分布式光伏發(fā)電和風力發(fā)電。光伏和風力發(fā)電不需要水，而且可以安裝在土地不適合農業(yè)的地方。據估計，到2040年，至少有40%的發(fā)電來自可再生能源，這將大大減少目前約100億噸的二氧化碳排放量一年。變壓器行業(yè)正面臨著這一挑戰(zhàn)，并開發(fā)了用于DPV發(fā)電和風力發(fā)電的專用變壓器，本文著重討論了這些變壓器的設計挑戰(zhàn)。在未來，光伏隔離變壓器和風力發(fā)電變壓器的設計和建造將成為演進智能電網的一個組成部分，這一方面也將簡要介紹。

二：分布式光伏發(fā)電用變壓器

電能是利用光伏電池將太陽能轉換成直流電而產生的。所產生的直流電由逆變器轉換為交流電（AC），交流電由升壓變壓器連接至電網。適用于分布式光伏發(fā)電變壓器的國際標準為IEEEC57.159 2016“分布式光伏發(fā)電用變壓器的IEEE指南系統(tǒng)“目前，逆變器系統(tǒng)的額定功率和電壓水平存在限制，因此一個或多個逆變器連接到相同數(shù)量的升壓變壓器。雖然最常見的配置是2到3秒，但目前也生產了6個二次繞組的干式隔離變壓器。

逆變器制造商現(xiàn)在正在開發(fā)功率和電壓更高的逆變器，這將在未來提高變壓器的MVA額定值，減少所需的二次繞組數(shù)量。以下段落給出了逆變器供電工作用變壓器的設計要求。

滿足光伏變壓器和風力變壓器使用條件所需的特殊設計特點

A、 非對稱負載和電壓

逆變器電壓和負載電流到變壓器的三相可能不平衡。如果光伏隔離變壓器和風力發(fā)電勵磁變壓器由一個以上的逆變器供電，則其中一個逆變器會失去作用，這會造成繞組負載不平衡。不平衡的電壓和電流會產生過大的漏磁通、雜散損耗以及繞組和油箱過熱，為了減小不平衡的影響，建議采用等分裂高壓繞組數(shù)的垂直疊放松散耦合低壓繞組。阻抗特性將根據逆變器系統(tǒng)和連接到變壓器的逆變器數(shù)量來定義。

B、 繞組中存在直流電

這是一種可能的情況，直流電可以進入逆變器供電的繞組，從而增加磁芯磁化電流和浪涌電流峰值。

C.逆變器輸出的波形

連接到一個變壓器的2個或多個逆變器的波形可能不同步。這會導致波形和諧波的變化以及磁通的干擾。

D.低壓繞組上的快速上升脈沖波形

逆變器產生對地脈沖輸出，脈沖可以達到500伏/微秒的上升率（D V/dt）。低壓繞組絕緣必須設計為在變壓器的設計壽命內承受治療后的上升電壓。在低壓和高壓繞組之間設置靜電屏蔽，以隔離高壓繞組和快速上升的電壓對低壓的影響。屏蔽層作為一個附加的dv/dt濾波器，過濾脈沖逆變器輸出的電壓梯度。它還減少了從高壓繞組到低壓繞組的轉換。

在此背景下，需要注意的是，逆變器不需要在干式變壓器的一次繞組和二次繞組之間進行靜電屏蔽。為了檢驗快速上升的暫態(tài)過程對低壓繞組絕緣壽命的影響，可以對原型低壓繞組絕緣進行加速老化試驗。干式變壓器絕緣和充液式變壓器絕緣的效果是不同的。

E.干式變壓器的損耗和效率

DPV變壓器的設計空載損耗相對較低，因為變壓器在沒有發(fā)電時（即晚上）從系統(tǒng)中吸取勵磁功率。在一定的負荷周期內，對效率進行優(yōu)化，以獲得運行的超額經濟性。如果電力系統(tǒng)采用蓄電池系統(tǒng)等儲能設施，干式變壓器將連續(xù)帶負荷運行，并在此基礎上確定效率水平。

F.勵磁涌流考慮

DPV變壓器的低壓繞組通常靠近鐵芯，因此該繞組的空芯電抗較低。低壓合閘涌流較大.

G.熱設計

變壓器冷卻系統(tǒng)的設計應考慮以下現(xiàn)場環(huán)境溫度變化的影響-負荷曲線-諧波的影響-無功負荷的影響（如有）

H.短路注意事項

變壓器的繞組結構和短路位置直接影響短路的大小和分布。設計時必須考慮變壓器各種短路條件的影響，包括變壓器高壓短路、變壓器低壓短路、變壓器低壓短路

I.高頻開關瞬態(tài)

變壓器高壓側由斷路器控制，在幾乎所有情況下，真空斷路器（VCB）用于斷路。VCB的預擊穿和再擊穿以及電纜的電容和變壓器的導電性會產生快速上升的瞬變。這些瞬變會導致絕緣故障，需要進行詳細的分析，以確保充分的絕緣設計。IEEE Std C57.142-2010–“描述“變壓器、開關裝置和系統(tǒng)相互作用引起的開關瞬變的發(fā)生和緩解”涉及這一主題。用真空斷路器切換無負載變壓器，會產生斬波過電壓、多次重燃過電壓和虛擬電流斬波過電壓。

為保護變壓器免受快速上升的瞬態(tài)影響而采用的一些方法包括：在變壓器高壓側安裝電涌放電器。然而，它不足以有效地保護變壓器免受非?？斓乃沧?。變壓器高壓側的RC緩沖器免受非常快的上升瞬變。電阻的典型值為25?至50?，電容器為0.15?至0.35?F。環(huán)形主單元上的插入電阻。這是一個昂貴的解決方案，因為RMU的設計需要修改。保護方法必須在施工中與RMU制造商一起設計和實施。

J.環(huán)境和氣候要求

特殊安裝/操作規(guī)程-逆變器連接到變壓器的星形連接低壓繞組，因此中性點保持浮動。中性點不得接地。將中性點隔離在變壓器側是一種安全的設計做法。靜電屏蔽應僅具有單點接地。光伏系統(tǒng)發(fā)電不會產生碳排放。但是，如果DPV升壓變壓器使用礦物油，則不利于環(huán)境。現(xiàn)在使用的選項是，i.使用植物油的可生物降解充油變壓器。無絕緣液的干式鑄造樹脂變壓器。為滿足環(huán)境和氣候要求，這兩種變壓器的設計要求主要適用于生物降解充油變壓器

與礦物油相比，可生物降解油的粘度較高，因此需要增加約15%的冷卻表面才能獲得相同的散熱效果。[當按照ISO3104進行測量時，生物降解油在40℃下的粘度約為35平方毫米/秒，而礦物油的粘度為12平方毫米/秒]-使用該液體的變壓器可以按照IEC 60076-14-2013“電力變壓器第14部分-使用高溫絕緣材料的液浸式電力變壓器”進行設計，并且可以工作在上述常規(guī)限制的溫度下，根據客戶驗收，所有外部部件（如水箱和散熱器）的表面處理和腐蝕防護必須符合ISO 12944，C4適用于正常戶外環(huán)境，C5-M適用于高度腐蝕性環(huán)境（如海岸），通常使用F級（155攝氏度）和H級（180攝氏度）干式鑄造樹脂變壓器絕緣的離岸應用等。溫升極限將取決于安裝位置處的環(huán)境溫度條件。干式變壓器需要適當?shù)娜肟诒Ｗo。IP23D和P31是最常用的入口保護等級。通風要求和空氣流量要求，如果安裝在房間內，則必須進行計算，以確保繞組的溫升在限制范圍內。澆注樹脂變壓器必須滿足氣候要求，根據IEC 60076-11“電力變壓器第11部分-干式變壓器”的環(huán)境和耐火要求（C2E2F1或C2E3F1）。環(huán)氧澆注系統(tǒng)的設計應滿足繞組材料（銅/鋁）的熱膨脹和收縮。這是通過改變填料負荷以適應相應金屬膨脹的溫度系數(shù)來實現(xiàn)的。

三。過去，風力渦輪機的變壓器在各種應用中都使用風能。1887年，蘇格蘭安裝了第一臺風力發(fā)電機組，為電池充電。到19世紀初，有幾臺風力發(fā)電機。

風力渦輪機于1951年在英國安裝。有一種趨勢是使用66千伏的離岸，這需要66千伏的變壓器。然而，為了提高風力發(fā)電的效率和可靠性，近年來風力發(fā)電機組的發(fā)展取得了長足的進步。所使用的風力發(fā)電機類型可分為以下幾類：永磁同步發(fā)電機[這些是早期風力發(fā)電機]-勵磁同步發(fā)電機-雙饋感應發(fā)電機當今最常用的風力發(fā)電機是雙饋感應發(fā)電機可變電壓控制和100%滑動控制。風力發(fā)電機的功率由一個變壓器升壓，供電網使用。由于其應用性質，變壓器的設計必須考慮以下段落中說明的要求；適用標準為IEC 60076-16“電力變壓器-第16部分：風力渦輪機應用變壓器”。第2節(jié)中討論的大多數(shù)設計考慮適用于風力渦輪機的變壓器。因此，本節(jié)討論了第2.A節(jié)中未涉及的要求。變壓器的負載循環(huán)由于風速的變化，變壓器上的負載經常變化，可能包括突然變化甚至停機。載荷多次突變會引起繞組產生嚴重的機械應力。在充液變壓器的情況下，這可能會產生油氣泡。B.安裝在塔內或機艙內的變壓器溫度校正必須評估安裝在塔內或機艙內的變壓器的氣流和通風。根據要求，適當?shù)慕殿~是必要的。C.振動水平安裝在機艙內的變壓器將經歷變化幅度的振動，并且必須計算對變壓器有源部件和組件的影響。某些部件（如散熱器）的共振可能性需要仔細評估和結構設計。需要特別注意可能松動或斷裂的連接。

D、 濕度、鹽度等暴露在濕度和鹽度下，特別是當安裝在沿海地區(qū)或離岸地區(qū)時，會導致通風外殼中的鑄造樹脂轉臺嚴重腐蝕并最終失效。在這種情況下，芯組件（包括夾持結構）必須采用合適的環(huán)氧涂層進行保護。必須避免暴露的線路或抽頭端子。此外，外殼還需要對充油變壓器4進行C5M表面處理和噴漆工藝?？稍偕茉醋儔浩靼l(fā)展的新趨勢由于可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的使用、大量非線性負載的使用、電動汽車的充電等原因，電網的復雜性正在迅速增加。同時，電網多功能化、智能化的需求也促使了智能電網概念的發(fā)展。電網遲早會發(fā)生巨大的變化，這是必然的，這就需要未來的智能變壓器?？稍偕茉从米儔浩魇遣焕獾模乱淮稍偕茉从米儔浩鞅仨毰c智能電網的需求相結合。以下段落提供了有關這些變壓器特性的簡要信息。A.智能電網和客戶的要求智能電網要求變壓器具有一些獨特的特性和功能，如電壓暫降補償當前配電變壓器/系統(tǒng)無法校正電壓水平確?？蛻艚K端電壓恒定。未來的變壓器應具有這一特性.-諧波隔離/濾波器，線性負載不會產生諧波，并且變壓器應能夠保持干凈的輸出波形.-除了穩(wěn)定的交流輸出之外，直流輸出，未來的變壓器將具有用于電動汽車充電和其他直流負載的共同直流輸出-無功功率補償

先進的配電自動化（ADA）-斷電補償變壓器應從能源系統(tǒng)中獲取電力并提供斷電補償-故障隔離變壓器應將電網與負載側的故障隔離，并在進線側發(fā)生故障時將自身與電網隔離-電壓平衡保護單相電源的三相電源-重量和尺寸減小-消除油/流體。智能變壓器的設計特點本節(jié)給出了未來變壓器的基本設計特點為了滿足智能電網的要求，變壓器必須采用電力電子技術實現(xiàn)固態(tài)。20世紀80年代，美國海軍首次提出了“固態(tài)變壓器”（SST）的概念，并在過去獲得了多項SST專利。然而，美國電力研究所（EPRI）開創(chuàng)了SST應用的先河，稱之為“通用智能變壓器”，SST工作原理與傳統(tǒng)變壓器相同，但工作頻率較高，以減輕重量和尺寸。輸入電壓通過電力電子變換器轉換成高頻交流電，并饋送到高頻變壓器的一次側，以獲得交流和/或直流輸出電壓

階段1-交流-直流轉換從電網輸入的高壓交流轉換為高壓直流。此階段使用級聯(lián)連接的IGBT。新的發(fā)展是使用基于SiC的轉換器。階段2-雙有源橋在此階段高壓直流首先在相對較高的頻率（通常為5 kHz至20 kHz）下轉換為高壓交流。交流電以相同的頻率下降到低壓交流電，然后再次轉換為低壓直流電。從這個階段，一個直流端口被帶到客戶負載。第3階段，低壓直流被轉換成低壓交流供最終使用。整個系統(tǒng)是雙向的，變壓器的磁路是低損耗的納米晶材料、非晶鋼材料或鐵氧體材料，高頻損耗相對較低。導體材料為高絞合銅線，以減少渦流損耗。圖4顯示了在可再生能源集成和智能電網應用中使用SST的未來電網的基本要素

C、 智能電網變壓器商業(yè)化的技術挑戰(zhàn)可再生能源SST商業(yè)化需要解決幾個技術問題和產品開發(fā)工作，如電力公司引入智能電網，這是一個緩慢的過程，現(xiàn)在由于投資限制和遺留問題。商業(yè)上可獲得高壓（如11千伏，13.2千伏等）IGBT orSiC組件，用于變頻器逆變器應用。目前，高壓電力電子電路的工作電壓水平是通過級聯(lián)來獲得的。高壓電力電子電路的浪涌/脈沖保護和系統(tǒng)故障保護。高頻變壓器鐵芯的低損耗磁性材料的可用性。整個系統(tǒng)的效率需要提高。傳統(tǒng)的變壓器具有高效率（通常大于99%），其中由于SST的整體效率相當?shù)?，高頻應用需要特殊的繞組材料。碳納米管有望在未來提供低重量、低損耗的解決方案。5個。結論風能和太陽能將成為未來電力的主要來源。這將大大減少二氧化碳的排放。風能和太陽能DPV所需的變壓器需要特殊的設計特點，以滿足具有挑戰(zhàn)性的運行條件。目前，該行業(yè)已經開發(fā)出不同類型的變壓器。未來的挑戰(zhàn)包括開發(fā)固態(tài)智能變壓器，配備必要的功能，使之適合于集成正在衰退的智能電網。為了迎接未來的挑戰(zhàn)，變壓器行業(yè)必須開展協(xié)同發(fā)展工作。感謝作者感謝聯(lián)邦變壓器有限責任公司技術團隊為本文件的編寫提供的幫助