太阳能非晶能不能?光伏逆变用非晶合金铁心升压变压器工艺与分析



       太阳能是最具开发价值的可再生能源之一,光伏发电逐渐成为世界能源供应的主体。太阳能受天气状况、季节变化、昼夜交替等因素影响,日照强度及时长的不确定性,使得光伏发电系统输出功率具有不连续、不稳定的特点,长期低负荷运行成为常态,指宜选用低损耗电力变压器。非晶合金铁心变压器(简称非晶变) 具有极低的空载损耗特性,适合长期性低负荷运行环境,应用于光伏发电有利于减少能耗,提高太阳能对电能的转化率。


       目前市场上技术成熟、运行稳定、规模应用的逆变器单机容量为500~630kW。受制于逆变器容量的限制,光伏电站中一般将光伏组件与逆变器连接成一个最小发电单元,并采用双分裂升压变压器组成一个发电单元模块,即一台升压变压器并联两套逆变器最小发电单元,如图1所示,有效减少变压器的台数以及限制并联的两台逆变器交流输出侧的环流。


图1:光伏发电单元模块示意图


       因此升压变压器容量为1000~1300kVA,而逆变器输出电压主要有270、315、400V三种规格,通过光伏升压变压器就地升压到10kV或35kV,最后送入输配电系统完成并网工作。光伏升压变压器一般是以组合式变压器(美变)或预装式变电站(欧变)的成套装置进行供货,本文仅对变压器本体进行分析。



(1)绕组分裂形式分析


       双分裂变压器由1个高压绕组和2个低压绕组构成,它的电磁工作原理类似于三绕组变压器。变压器分裂形式可以幅向分裂和轴向分裂,在制造工艺上有一定差异,如图2所示。


图2:变压器分裂形式示意图


       图2(a)所示的幅向分裂一:两个低压绕组位于高压绕组的两侧,拥有两个主空道,制造成本较高,绝缘事故隐患增大,且难以保证两个分裂绕组的半穿越阻抗一致。


       图2(b)所示的幅向分裂二:两个低压绕组位于高压绕组的内侧。这种分裂方式,为了确保两组低压绕组的阻抗相同,可以采用交错绕制方式;实际上相当于两组低压绕组做成双层箔绕的形式,但铜箔与铜箔间必须设置绝缘,从而成为两组独立的绕组。如图3所示。


图3:交错绕制示意图


       如果为线绕绕组,则可制成多层圆筒式,但需把线匝分成两股独立的引线引出,使之成为两组低压绕组。缺点是分裂阻抗小,两路低压绕组磁耦合强,运行时相互影响较大。


       图2(c)所示的轴向分裂:高低压绕组分别轴向分裂,如同上下对称。这就从结构上和制造上可以保证参数基本一致,分裂阻抗较大,半穿越阻抗几乎相等。因此光伏升压变压器建议采用图2(c)所示的轴向分裂形式。


(2)联接组标号


       三次谐波可以在D接绕组中流通,可以有效减少谐波对电网影响。对于10kV光伏升压变压器,可用Dy11y11形式,符合普通配变的习惯。对于35kV光伏升压变压器,更建议采用Yd11d11形式。高压为Y接,相电压为线电压1/3,绕组局放易控制,质量更有保障。


(3)铁心设计


   A.磁密


       光伏逆变器在实际运行时,波形通常处于不对称状况,也就是产生了直流偏磁,通常要求并网时直流电流分量不得超过其交流额定值的1%。发生直流偏磁时,直流分量被升压变压器隔离,虽不会流入电网,但会引起变压器铁心磁密发生叠加而增大,励磁电流和噪声也随之增大,严重时可引起铁心饱和和励磁电流畸变。因此在磁密选取上建议相比较常规产品降低0.05~0.1T。


   B.铁心工艺系数


       采用轴向分裂的非晶变,铁心窗高相对较高,其非晶铁心工艺系数比同容量常规非晶铁心工艺系数降低3%~5%,可简单按下式计算:



       式中:KFe1、HW1表示同容量常规非晶变铁心工艺经验系数和窗高;KFe2、HW2表示轴向分裂非晶变铁心工艺系数和窗高。


       铁心的断口应分布式搭接,搭接长度8~10mm,不得错层错搭,最外层用硅钢片做成钢扣收紧,以保证铁心性能最佳。


   C.铁心处理


       作为铁心制作中最关键的退火处理,目的是消除铁心成型过程中产生的应力,恢复磁特性。根据经验,除了掌握适应各厂家非晶带材的升温、保温、降温工艺曲线,退火炉内的炉温均匀性也是提高铁心品质的重要因素,炉温与铁心温度关系如图4所示。通过改善退火炉加热环境,合理布置热风循环系统,使各点炉温最大偏差为2.5℃以内,同时在严密的氮气气氛保护下可获得较好的热处理效果。


图4:炉温与铁心温度关系图


       铁心表面涂覆有利于抑制铁心振动,降低噪音和减少碎片的产生。如光伏非晶变为油浸式变压器(美变),铁心侧面可用胶水涂覆,铁心收拢搭接口后整体包裹处理,可有效防止变压器运行时非晶碎片散落到油当中引起质量隐患;干式变压器(欧变),则可采用树脂涂覆,涂覆厚度1.0~1.5mm 为佳。


(4)温升和绝缘水平


       考虑逆变器输出电流谐波的影响,温升设计应将绕组直流损耗、电磁线涡流损耗、谐波影响损耗累计计算。精细的计算有利于控制成本,同时保证变压器最热点温度不超过绝缘材料允许温度。特别提出的是,对于干式变压器,因为轴向分裂绕组较高,在散热空气由绕组底部对流到顶部时,往往造成上部绕组出现10K以上相对于下部绕组的温差,这就需要降低温升设计或上部绕组的绝缘材料选用更高的耐热等级。


       光伏发电往往安装在气候环境恶劣场所,对于高海拔运行地区,绝缘水平和温升限值都要按照GB1094.2和GB1094.11的规定进行修正。环境温度超过标准规定的正常条件时,温升限值也要注意按超过部分进行减小修正。


(5)其他工艺要求


       轴向双分裂升压变压器的两组低压输入源,通常运行状况都是上下一致的。而当其中一路发生接地故障时,变压器上下将不再对称,此时铁心中失去磁平衡,导致在轴向上产生巨大的短路机械应力,产生巨大隐患。非晶合金铁心截面通常为矩形,绕组的截面形成圆角矩形,这种绕组的幅向受力具有先天缺陷;同时非晶带材不能受力,任何机械应力都可能影响其磁性能和噪声。


图5:干变轴向分裂绕组示意图


       在光伏发电无人值班或少人看守的要求下,以上问题在各环节的设计和工艺上都要认真采取必要措施,提高变压器质量可靠性。


   A.低压绕组


       低压绕组采用铜箔绕制,上下分裂绕组对称布置,用双层箔绕机一体化同步绕制而成,端部平整度好,尺寸易控制。油浸式变压器的低压绕组内侧必须设置硬质环氧骨架,强度足以承受幅向短路电动力,避免绕组变形和铁心受力;分裂绕组中间的间隙用环氧板填充紧实。干式变压器用树脂浇注成整体,抗突发短路能力大幅提升。


   B.高压绕组


       高压绕组同样以中间呈对称布置,合理布置线匝,尽量实现安匝平衡。油浸式变压器的高低压绕组进行套绕,整体进行浸漆处理能进一步提升机械性能。干式变压器将两组分裂绕组整体树脂浇注,形成一体,如图5所示。


   C.引线


       轴向双分裂变压器的引线从上部和下部对称的引出。干式变压器的引线相对简单,主要考虑足够的安全距离和引线的固定。


       油浸式变压器的引线相对复杂的多。由于引线根数增多,空间布置范围大,尤其注意预留引线布置的油箱空间,增加足够的引线夹来固定引线,以及保证低压引线的电阻平衡。一般要求出厂成品的电阻不平衡率为1%,在产品设计时就应推算准确,选用合适截面的铜排或铜绞线。


   D.接地屏蔽


       高低压绕组之间设置接地屏蔽的作用有限。因为谐波含量相比整流变压器的运行环境要低的多,接地屏如处理不好易增加故障隐患,制造成本也提高。



       针对光伏发电长期低负荷运行的特点,具有极低空载损耗(设计水平代号15型以上)的非晶合金铁心升压变压器对提高太阳能转换率无疑是最佳选择。该产品宜采用轴向分裂,结合逆变电路直流偏磁、谐波含量、分裂运行故障的影响,在铁心设计、阻抗计算、温升设计上要进行科学修正,同时在绕组绕制工艺、引线工艺等方面需加强机械性能。通过对这些细节的充分掌握,才能真正设计和制造出安全可靠、性能稳定的新能源产品。


来源:电工电气 2018年第9期 工艺与装备 张志立 张兴旺《光伏逆变用非晶合金铁心升压变压器工艺与分析》


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