變壓器反向升壓下的功耗分析

摘 要：在合同能源管理模式下建設(shè)分布式光伏電站，如果選用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，在“余電上網(wǎng)”時(shí)，變壓器處于反向升壓狀態(tài)，其損耗的大小如不確定，雙方均不愿承擔(dān)該損耗。本文定量分析了變壓器在此狀態(tài)下的損耗，為雙方提供一個(gè)有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器；反向升壓；損耗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.038

0 引言

合同能源管理機(jī)制（國內(nèi)簡稱EMC）是一種以節(jié)省的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項(xiàng)目全部成本的節(jié)能投資方式。在這種投資方式下，用能企業(yè)不需要直接投資，而是委托專業(yè)節(jié)能服務(wù)公司出資進(jìn)行能源系統(tǒng)的節(jié)能改造和運(yùn)行管理，并按照雙方約定共同分享該能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的節(jié)能收益。

目前，我國大力提倡在城鄉(xiāng)建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。采用合同能源管理方式建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，逐漸成為節(jié)能服務(wù)公司與用能企業(yè)的一種合作方式。按照這種方式運(yùn)作時(shí)，如果采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式，合同能源管理就涉及到用能企業(yè)、節(jié)能服務(wù)公司、電網(wǎng)公司三方，因此，如何準(zhǔn)確衡量節(jié)能量也成為三方討論的一個(gè)焦點(diǎn)。

1 問題的提出

在北京的一個(gè)采用合同能源管理方式運(yùn)營的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中，出現(xiàn)了節(jié)能服務(wù)公司與用能企業(yè)之間為變壓器損耗的歸屬問題的爭議。

問題描述如下：某制藥廠與某節(jié)能服務(wù)公司簽訂了合同能源管理合同，雙方約定在制藥廠建設(shè)容量為400 kW的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，該發(fā)電系統(tǒng)以380V的電壓等級接入該藥廠綜合樓AA28配電柜，該發(fā)電系統(tǒng)采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的運(yùn)行模式，所發(fā)電能優(yōu)先供給藥廠負(fù)荷吸納，剩余電能則通過變壓器反送入上一級配電網(wǎng)絡(luò)，并網(wǎng)點(diǎn)的變壓器容量為1250 kVA，型號為SCB 10-1250/10。

電站運(yùn)行后，在每天中午的發(fā)電高峰期，出現(xiàn)“余電上網(wǎng)”現(xiàn)象：即由于綜合樓并網(wǎng)點(diǎn)的負(fù)荷較小，吸納不了的電能通過該變壓器反送入上一級電網(wǎng)，在此情況下，制藥廠提出關(guān)于變壓器損耗的質(zhì)疑，認(rèn)為該變壓器本來為降壓變壓器，在“余電上網(wǎng)”時(shí)，變壓器被反向使用，此時(shí)的損耗會(huì)變得很大，這導(dǎo)致制藥廠承擔(dān)了不必要的費(fèi)用。

2 問題分析及解決辦法

變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)，即電能與磁能的相互轉(zhuǎn)化，其基本物理模型如圖1所示：

圖1中：運(yùn)行e1的物理實(shí)體是初級繞組，運(yùn)行e2的物理實(shí)體是次級繞組，它們是變壓器的電路部分；Φ是磁力線，它所在的物理實(shí)體是鐵心，它是變壓器的磁路。變壓器在工作過程中，由于物理繞組的內(nèi)阻，及鐵芯磁通量的損失，導(dǎo)致變壓器在空載和負(fù)載時(shí)，都會(huì)有損耗出現(xiàn)。

變壓器的損耗△P分為空載損耗P0和負(fù)載損耗Pk。空載損耗P0通常指鐵損，就是其固定損耗，實(shí)是鐵芯所產(chǎn)生的損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗；磁滯損耗與頻率成正比；與最大磁通密度的磁滯系數(shù)的次方成正比。渦流損耗與頻率、最大磁通密度、矽鋼片的厚度三者的積成正比，此處不考慮具體的工藝問題，僅僅從理論上分析。

負(fù)載損耗Pk通常指銅損，主要是負(fù)載電流通過繞組時(shí)在電阻上的損耗，一般稱銅損。其大小隨負(fù)載電流而變化，與負(fù)載電流的平方成正比。

變壓器的全損耗△P =P0+Pk

對于損耗值的大小采用等效電路進(jìn)行分析，變壓器的原、副邊等效電路圖2、圖3如下：

對于原邊：U1 = I1*R1 - jX1*I1 – E1；對于副邊：U2 = E2 –jX2* I2 –R2*I2。

當(dāng)變壓器反向工作時(shí)，等效電路圖并未發(fā)生變化，但電壓的輸入及電流的流向發(fā)生了變化。此時(shí)U2成為輸入，U1變?yōu)檩敵觯漭斎胼敵龉饺缦拢?/p>

對于輸出側(cè)：U1 = E1 –iX1* I1 –R1*I1；對于輸入側(cè)：U2 = I2*R2 – jX2*I2 – E2

由于此時(shí)仍符合理想變壓器狀態(tài)，因此仍有U1/U2 = N1 /N2.

當(dāng)變壓器的容量P（kVA）及繞組的匝數(shù)W一定時(shí)，鐵心中的磁通量Φ就確定下來，一臺(tái)電力變壓器不論處于升壓狀態(tài)還是降壓狀態(tài)，磁路的實(shí)體即鐵心及磁通量沒有發(fā)生變化。變壓器正常工作時(shí)，基本上處于理想狀態(tài)，由于原邊及副邊的內(nèi)阻、漏磁通量已經(jīng)確定，因此，R1，R2， jX1， jX2不會(huì)發(fā)生變化，僅與通過的電流有關(guān)，所以此時(shí)的變壓器空載損耗和負(fù)載損耗，和正向使用時(shí)基本一樣，其本身的功耗也不發(fā)生變化。

因此，針對制藥廠所擔(dān)心的問題，該部分的損耗完全可以通過計(jì)算得到。光伏發(fā)電的發(fā)電功率與天氣條件密切相關(guān)，總體上發(fā)電功率類似正弦曲線，通過制藥廠用電負(fù)荷與光伏發(fā)電功率曲線的對比，找出每天的余電上網(wǎng)時(shí)間段及上網(wǎng)功率，即可統(tǒng)計(jì)出反向升壓而帶來的變壓器損耗的數(shù)值。

通過制藥廠的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，可以得到綜合樓的的負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到發(fā)電站不同時(shí)段的功率數(shù)據(jù)，對比后得到余電上網(wǎng)功率數(shù)據(jù)，如表1所示。

在有余電上網(wǎng)時(shí)，最大反送電電功率133KW，而變壓器的額定功率為1250KW，最大反送電負(fù)荷占額定負(fù)荷為133/1250 =10.64%，變壓器處于輕載狀態(tài)，此處按照負(fù)荷不超過10%考慮。

從變壓器廠家的產(chǎn)品手冊可知，變壓器的功耗如表2所示。

按照變壓器廠家提供的損耗數(shù)據(jù)，空載時(shí)的損耗為P0 = 2090W，而表中提供的負(fù)載功耗為溫升在120℃時(shí)的滿負(fù)荷功耗，由于負(fù)載功耗與負(fù)荷量成正比，則在10%的負(fù)荷下，變壓器的反向負(fù)載損耗Pk（銅損）為Pk = 9690*10% = 969W

變壓器總損耗為： P = P0+Pk = 2090+989 = 2998W

由于光伏電站在不同月份的發(fā)電功率不同，而此處采用的數(shù)據(jù)為電站在7月份的發(fā)電功率，為一年中發(fā)電功率最大的月份，其他月份的發(fā)電功率會(huì)比7月份要低。

綜上可知：本項(xiàng)目在反送電的情況下，變壓器的損耗最高不大于2998W。

3 結(jié)論

在實(shí)際的分布式光伏電站建設(shè)過程中，余電上網(wǎng)的情況較為普遍。有些用能客戶擔(dān)心承擔(dān)了不必要的損耗費(fèi)用。本文定量給出了在此情況下的能耗數(shù)據(jù)，對節(jié)能服務(wù)公司和用能客戶之間明確自己所承擔(dān)的能耗，對雙方的節(jié)能結(jié)算，有著一定的意義。

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