光伏發(fā)電用干式變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

孔令斌 張瑤涵 葉 彪

（廣州市一變電氣設(shè)備有限公司）

0 引言

我國當前電力資源分布不均勻，許多偏遠地區(qū)不具備集中式發(fā)電的條件，依靠架空線纜進行電力資源的遠距離傳輸不僅造成了電力資源的浪費，也難以滿足當今社會對電力的大量需求。為解決這一問題，有效提高電力資源的利用率，光伏電站應運而生，自2009年我國首個光伏并網(wǎng)發(fā)電項目在甘肅建成投入使用以來，分布式光伏電站在國內(nèi)，特別是我國太陽輻射能較大的西北部地區(qū)，已經(jīng)被大量建成并廣泛使用。

為充分保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，光伏發(fā)電用變壓器通常采用耐熱及導熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊的干式變壓器，其主要作用是通過提升線路電壓將光伏發(fā)電產(chǎn)生的電力傳輸?shù)街髋潆娋W(wǎng)中去。由于系統(tǒng)前端逆變電路中不可避免存在諧波分量，會導致光伏電站設(shè)備故障頻繁發(fā)生。因此，應對光伏發(fā)電用干式變壓器的關(guān)鍵技術(shù)進行深度全面分析，以便提高系統(tǒng)的工作性能，保證其運行質(zhì)量。

1 光伏逆變電路特征分析

如圖1所示，光伏電站系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、匯流箱與防雷箱、交直流并網(wǎng)逆變器、光伏發(fā)電用干式變壓器、并網(wǎng)電力變壓器、監(jiān)控控制系統(tǒng)、安裝支架等模塊組成。其工作原理為：光伏電池采用串聯(lián)或并聯(lián)方式，以一定的角度安裝在光伏支架上，組成光伏電池陣列，盡可能多的吸收太陽量，并將太陽量轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)匯流箱后進入并網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)逆變器中逆變?yōu)榻涣麟姾螅M入光伏發(fā)電用干式變壓器進行升壓，再經(jīng)并網(wǎng)電力變壓器后輸送到主電網(wǎng)中［1］。在整個工作過程中，光伏干式變壓器通常與并網(wǎng)逆變器配套使用，并網(wǎng)逆變器將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡?jīng)光伏干式變壓器提升壓力后輸送到主配電網(wǎng)中，其自身性能和設(shè)備穩(wěn)定性直接關(guān)系著整個光伏系統(tǒng)能否正常運行。所以，在選擇光伏發(fā)電用干式變壓器時，需要考慮其技術(shù)參數(shù)、使用壽命、故障預警、工作溫度設(shè)置等方面的問題。同時，還需要考慮到變壓器的使用成本等因素。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工作圖

2 干式變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 干式變壓器壽命預測分析

為精準估算干式變壓器使用壽命，本文充分結(jié)合光纖繞組測溫裝置采集到的相關(guān)數(shù)。據(jù)首先，將1h內(nèi)設(shè)備三相繞組工作時的最高平均溫度乘熱點系數(shù)后得到Tmax，進而采用熱折舊率預測升壓變壓器的使用壽命損失量。升壓變壓器使用壽命折舊率計算公式通常按照20年計算，但是升壓變壓器的設(shè)計使用壽命要求通常按照30年計算，必須換算后才能套用計算。實際計算中需要結(jié)合現(xiàn)場情況以20年為基準進行使用壽命損失系數(shù)τ的折算。以30年為例，其使用壽命損失的系數(shù)是1.460。

當Tmax大于最高熱點溫度時，干式升壓變壓器直接跳閘，不會計算使用壽命損失，反之則根據(jù)變壓器熱點溫度每升高6℃老化率翻倍、變壓器熱點溫度小于額定值6℃［2］，使用壽命老化速率減半的“6℃準則”，同時結(jié)合變壓器使用壽命損失系數(shù)，能夠得出1h內(nèi)變壓器使用壽命損失量的公式為：

最后依據(jù)公式（1），計算光伏用干式升壓變壓器的剩余壽命，并詳細統(tǒng)計變壓器實際工作時間，其壽命預算流程如圖2所示。

圖2 干式升壓變壓器壽命預算流程

2.2 干式變壓器故障預警分析

為有效分析變壓器故障狀態(tài)，本文通過劃分區(qū)間數(shù)據(jù)來實施方差分析進行故障預警。該方法的工作原理是：首先對干式變壓器的樁頭溫度等運行數(shù)據(jù)進行預處理，過濾掉檢測數(shù)據(jù)的干擾點；然后當區(qū)間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)大于設(shè)定閾值且一直存在時，對該目標數(shù)據(jù)進行詳細統(tǒng)計，計算出故障報警的置信區(qū)間［3］。最后，通過對該目標監(jiān)測量進行求導操作，進而求出當前目標數(shù)據(jù)的變化率，最終得出變壓器的預警狀態(tài)，其技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 干式升壓變壓器故障預警技術(shù)流程

2.3 干式變壓器高溫異常情況處理

光伏用干式升壓變壓器一般安裝于露天的箱變或逆變器工作房內(nèi)，通風條件較差。白天太陽光照最強烈時，升壓變壓器工作環(huán)境的溫度也達到峰值，且此時升壓變壓器的運轉(zhuǎn)功率也為最大輸出狀態(tài)，在各種因素綜合作用下，此刻升壓變壓器溫度升至最高。相反，夜間時段，升壓變壓器負載較低、輸出功率較低，且夜晚外界無太陽輻射環(huán)境溫度也相對較低，此時升壓變壓器的溫度也比較低。干式變壓器經(jīng)常發(fā)生高溫報警，需要及時采取措施對干式變壓器高溫異常故障進行處理，其處理流程如圖4所示。首先，對干式變壓器溫度進行采集，獲取溫度數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行初步預處理，過濾掉數(shù)據(jù)成分中的干擾點，采用三相繞組、鐵心的工作溫度以及負載率進行分析。當三相繞組及鐵心任何一者的溫度大于告警門檻值時，會產(chǎn)生高溫預警和煙霧報警，屬于火災類型報警，設(shè)備跳閘類型為變壓器火災跳閘［4］。當三相繞組及鐵心任何一者的溫度大于跳閘門檻值時，電流過熱產(chǎn)生高溫跳閘，設(shè)備跳閘類型為變壓器高溫跳閘。然后借助相關(guān)電氣量對配電變壓器負載率進行計算，當配電變壓器負載率大于配電變壓器過載聯(lián)動跳閘門限值時發(fā)生跳閘，此時設(shè)備跳閘類型為變壓器過載跳閘。最后，綜合干式變壓器火災跳閘、高溫跳閘、過載跳閘的電氣量診斷出設(shè)備跳閘情況并觸發(fā)相應的通道進行動作。

圖4 干式變壓器高溫異常情況處理流程

此外，為了充分保障光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量，提高作業(yè)效率，要合理選擇光伏電站電網(wǎng)接入點的電壓。通常情況下，光伏電站接入點額定電壓范圍是89%～115%。所以，需要通過干式升壓變壓器來對接入電網(wǎng)的電壓進行相應調(diào)節(jié)及控制。同時，根據(jù)光伏電站在生活中的實際應用情況，電網(wǎng)的頻率需要恒定在49.5～50.5Hz范圍內(nèi)。在工作過程中，一旦頻率超出該范圍，需要立即切換變壓器的運行模式［5］。最后，為確保光伏用干式升壓變壓器的運行質(zhì)量，在采購設(shè)備時，相關(guān)部門必須加大對變壓器各電氣部分質(zhì)量的檢查力度，對設(shè)備采用的各組成零部件，遵循國家相關(guān)部門質(zhì)量要求。對關(guān)鍵組件進行功能測試，并出具相應的質(zhì)量檢測報告，避免帶有次品組件的變壓器進入光伏系統(tǒng)，對未來生產(chǎn)造成安全隱患。

3 結(jié)束語

光伏用干式變壓器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，在系統(tǒng)運行中發(fā)揮著重要的作用。將光伏電池板輸出的低電壓電力進行升壓，進而傳輸?shù)街髋潆娋W(wǎng)中去。且其自身保護功能較為完善，在線路發(fā)生異常時，能夠啟動自身保護機制，及時保護光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。文章在分析了光伏逆變電路特征的基礎(chǔ)上，探討了干式變壓器壽命預測分析、故障預警技術(shù)、高溫異常情況處理等關(guān)鍵技術(shù)研究，根本上保證光伏系統(tǒng)總體運行質(zhì)量，提高人們用電體驗的同時也提高了光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。