大功率光伏逆變器升壓變壓器的設計與應用

張計英 李和明 張 棟 李永剛

（1.華北電力大學，河北 保定 071000；2.天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056）

光伏新能源發電正在世界范圍內大規模應用，按其與電網的連接方式，可以分為離網型和并網型。目前絕大多數光伏電站都采用并網模式，即與現有供電網并聯接入，以便最大限度利用光伏電站所發出的電能。光伏電站所用逆變器是光伏電站的重要核心部件之一，實現直流到交流的轉換，通過輸配電網進行傳輸、利用。為了降低線路損耗、提高系統安全等因素的考慮，需要在光伏逆變器出口安裝升壓變壓器，根據電站容量的不同將電壓升高至10kV或35kV，降低輸送線路損耗的同時系統電氣也達到了物理隔離。

1 光伏電站的電能質量

光伏電站向電網輸送電能質量主要取決于光伏并網逆變器，其主要考核的電能質量指標主要有[1-2]：并網電流總畸變率（＜5%）、并網功率因數（+0.98～?0.98）、直流分量（＜0.5%）、電壓波動與閃變等，上述指標都是在逆變器額定功率下考核。由于光照強度小于1000W/m2、高溫功率損失、光伏組件匹配損失、灰塵遮擋損失、直流傳輸損失等因素，一般光伏電站大多數時間工作在其額定峰值功率的80%以下，圖1為安徽懷寧某光伏電站應用的國際品牌500kW逆變器實際運行功率曲線圖。

圖1 逆變器輸出功率曲線圖

在低功率下逆變器所發出電能質量會比額定功率下時要差。不同廠商生產的逆變器會有一些差別，但總體趨勢是一樣的。圖2為國際品牌500kW逆變器的不同功率時并網電流總畸變率，從圖中可以看出光伏電站實際運行時并網電流總畸變率在 2%～8%左右，實際運行的光伏電站并網電能質量中諧波的不合格最為普遍。并網功率因數均能保證在 0.98左右，大規模電站均配置動態無功補償裝置，因此，系統的功率因數都可以得到保證。另外，所配置的無功補償裝置均考慮一定的濾波功能（如濾除3次、5次諧波等）。

圖2 并網電能質量曲線（實測C相數值）

2 諧波的危害

人們關注諧波的重要原因之一，是因為它給電網帶來污染，影響電網的經濟和可靠運行，對電器設備產生不利影響，在某種情況下甚至損壞設備釀成事故。諧波的危害可概括為以下幾個方面[3]：

1）諧波使公用電網中的元件產生了附加諧波損耗，降低了發電、傳輸及用電設備的效率；諧波對電機、變壓器的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使局部嚴重過熱。

2）三相四線系統中，當大量3次諧波流過中性線時會使線路過熱，嚴重時甚至發生火災。

3）諧波會引起公用電網中局部并聯諧振或串聯諧振，從而使諧波電流放大，嚴重時會引起事故。

4）諧波還會影響對電能質量敏感的負載或電子線路正常工作。

5）諧波會導致繼電保護故障和自動裝置的誤動作，使電器測量儀表測量不準，引起電能計量不準。

6）諧波會對周圍通信系統產生干擾，使通信系統無法正常工作。

7）諧波還引起電纜泄漏電流的增大。

3 諧波電壓對變壓器的影響

接入光伏發電的系統容量一般是電站裝機容量的10倍以上，因此可以將電網看做一個無窮大的系統。系統電壓諧波主要是由上一級的供電系統的背景諧波決定，實際測量高壓輸電線路（≥110kV）的背景諧波都能夠滿足國標 GB/T 14549—93中的要求。

電壓諧波主要引起變壓器的鐵心渦流損耗的增加，但是電力變流變壓器空載鐵心損耗相對較低，因此，不必對空載損耗測量值進行電壓諧波校正[4]。工程上一般引入安全系數，而忽略電壓畸變所引起的鐵損耗的增加。

4 諧波電流對變壓器的影響

諧波電流對變壓器的影響主要表現為銅損耗增加、夾件等附加損耗增大、噪聲增大、絕緣材料的性能降低；油浸式變壓器按照A級絕緣耐熱115℃設計壽命 20年，并考慮實際運行溫度變化?5℃～+40℃，即變壓器繞組溫升65k，油面溫升55k。絕緣壽命按照6℃法則，即溫度每升高6℃設備壽命較少一年，溫度每降低 6℃設備壽命增加一年。實際運行的時候冬季溫度相對較低變壓器的壽命增加，夏季運行溫度偏高變壓器壽命減少，實際兩者基本上相互抵消[5]。

由諧波電流引起的變壓器各部件的損耗計算公式如表1（忽略電壓畸變引起的鐵心損耗）所示，實際應用中由于諧波電流的存在變壓器實際運行溫升會略高于設計值，因此設計時光伏逆變器所用變壓器，并不能將其按照普通的電力變壓器進行設計，在投運初期需要加強巡視觀察。

表1 諧波電流引起的變壓器損耗

在100kW光伏逆變器的研制過程中，采用國內專業廠所生產的B級絕緣等級的干式變壓器額定容量為100kVA，在實際的運行中溫升偏高，圖3為逆變器額定功率運行4h后變壓器的溫度場圖。從圖3中可以明顯看出在中間線圈上部溫度明顯偏高最高溫度＞125℃。

圖3 B級100kVA干式變壓器溫度場圖

5 光伏逆變器用升壓變壓器設計

變壓器是利用是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置。鐵心內部磁場的建立是依靠電源側提供的勵磁電流（im）產生磁勢（Fm），Fm在鐵心中產生磁通（?）。

圖4 不飽和時正弦勵磁產生正弦磁通

?的波形由im的波形決定。當磁路不飽和時，?和im是線性關系，即正弦的?由正弦im產生，如圖4所示。

當磁路飽和時，正弦的?必須由尖頂的im產生，尖頂的im中除了基波分量i1外，還有較大的3次諧波分量等奇次諧波。

如果im仍為正弦，則產生的?是平頂波。平頂?的中含有較大的3次諧波磁通，如圖5、圖6所示。如果不加以抑制，將產生含有3次諧波的感應電勢[5]。一般推薦與逆變器側直接相連側設計為三角形連接，而網側設置為星形連接，即Yd?11連接組別。

在交變磁場作用下，實際磁化曲線呈磁滯現象，通過作圖法可以求解，激磁電流不再是對稱的尖頂波，其中含有明顯的非周期分量、偶次諧波（其中2次諧波最大）等[6]。

圖5 正弦勵磁電流產生平頂磁通

圖6 尖頂勵磁電流產生正弦磁通

普通電力變壓器設計時出于經濟性及運輸（產品的重量）考慮，電力變壓器的額定工作磁密一般設置在硅鋼的特性曲線的拐點之上（設計時常取Bm=1.4～1.7T）[5-7]，這就進一步加劇了勵磁電流的波形畸變。

大型并網光伏逆變器是通過控制逆變器出口并網電流，來實現并網電能質量控制及并網功率大小的調節。為了保證并網電能質量，均將逆變器并網電流控制為理性的正弦波為目標。能量由低壓側向高壓側傳輸時，其勵磁電流需要光伏逆變器來提供。如果變壓器的工作磁密設計的過高會影響并網電流波形的質量，間接影響變壓器的安全穩定運行。

6 試驗結果

筆者制作了一臺 3kVA的樣機進行了分析與測試，額定工作電壓磁密設定為1.6T，通過調壓器調整空載電壓，等效改變磁密。分別測試了 0.8UN、1.0UN、1.125UN，相對應的等效磁密為1.28T、1.6T和 1.8T。對應的空載電壓與勵磁電流波形如圖7、圖8、圖9所示。從圖中可以明顯看出隨著電壓的升高，勵磁電流波形明顯增大，并且其畸變的程度也相應的增大。從圖10中可以看出帶有畸變的勵磁電流，直接影響的并網電流的質量，在并網電流的過零點處出現了明顯的畸變，此時可即是勵磁電流的峰值點處。

圖7 B=1.2T空載電壓與勵磁電流波形

圖8 B=1.6T空載電壓與勵磁電流波形

圖9 B=1.8T空載電壓與勵磁電流波形

圖10 額定電壓時的勵磁電流波形

7 結論

大功率光伏逆變器用升壓變壓器在設計時工作磁密盡量選擇在線性工作區，以降低其勵磁電流畸變程度。逆變器連接側盡量選擇三角形連接、網側選擇星形連接的方式，消除勵磁電流中3次諧波的影響。另外，由于諧波電流引起的損耗一定加以考慮，以免設備的壽命降低。

[1] GB/T 19939—2005 光伏電站并網技術要求[S].北京:中國標準出版社,2005.

[2] GB/Z 19964—2005 光伏發電站接入電力系統技術規定[S].北京:中國標準出版社,2005.

[3] 王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償(第2版)[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4] GB/T 18494.1—2001 id IEC 61378-1:1997變流變壓器 第一部分:工業用變流變壓器[S].北京:中國標準出版社,2001.

[5] 胡啟凡.保定天威保變電氣股份有限公司組編.變壓器試驗技術[M].北京:中國電力出版社,2009.

[6] 國家電力監管委員會電力業務資質管理中心編寫組編著.特種類繼電保護專業[M].北京:中國電力出版社,2011.

[7] 周鶚.電機學[M].北京:中國電力出版社,1994.