用于可再生能源應(yīng)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(fēng)力發(fā)電。這些光伏隔離變壓器和風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁變壓器的特殊運(yùn)行和性能要求有不同的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)。本文件涵蓋了這些設(shè)計(jì)要求。本文還簡要介紹了智能電網(wǎng)發(fā)展的新情況以及這些變壓器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電。光伏和風(fēng)力發(fā)電不需要水，而且可以安裝在土地不適合農(nóng)業(yè)的地方。據(jù)估計(jì)，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(fēng)力發(fā)電的專用變壓器，本文著重討論了這些變壓器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在未來，光伏隔離變壓器和風(fēng)力發(fā)電變壓器的設(shè)計(jì)和建造將成為演進(jìn)智能電網(wǎng)的一個(gè)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(zhuǎn)換成直流電而產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的直流電由逆變器轉(zhuǎn)換為交流電（AC），交流電由升壓變壓器連接至電網(wǎng)。適用于分布式光伏發(fā)電變壓器的國際標(biāo)準(zhǔn)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(gè)或多個(gè)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(chǎn)了6個(gè)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(shè)計(jì)要求。

滿足光伏變壓器和風(fēng)力變壓器使用條件所需的特殊設(shè)計(jì)特點(diǎn)

A、 非對(duì)稱負(fù)載和電壓

逆變器電壓和負(fù)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(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁變壓器由一個(gè)以上的逆變器供電，則其中一個(gè)逆變器會(huì)失去作用，這會(huì)造成繞組負(fù)載不平衡。不平衡的電壓和電流會(huì)產(chǎn)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(jù)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(jìn)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(gè)變壓器的2個(gè)或多個(gè)逆變器的波形可能不同步。這會(huì)導(dǎo)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(chǎn)生對(duì)地脈沖輸出，脈沖可以達(dá)到500伏/微秒的上升率（D V/dt）。低壓繞組絕緣必須設(shè)計(jì)為在變壓器的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)承受治療后的上升電壓。在低壓和高壓繞組之間設(shè)置靜電屏蔽，以隔離高壓繞組和快速上升的電壓對(duì)低壓的影響。屏蔽層作為一個(gè)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(zhuǎn)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(jìn)行靜電屏蔽。為了檢驗(yàn)快速上升的暫態(tài)過程對(duì)低壓繞組絕緣壽命的影響，可以對(duì)原型低壓繞組絕緣進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。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(shè)計(jì)空載損耗相對(duì)較低，因?yàn)樽儔浩髟跊]有發(fā)電時(shí)（即晚上）從系統(tǒng)中吸取勵(lì)磁功率。在一定的負(fù)荷周期內(nèi)，對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化，以獲得運(yùn)行的超額經(jīng)濟(jì)性。如果電力系統(tǒng)采用蓄電池系統(tǒng)等儲(chǔ)能設(shè)施，干式變壓器將連續(xù)帶負(fù)荷運(yùn)行，并在此基礎(chǔ)上確定效率水平。

F.勵(lì)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(shè)計(jì)

變壓器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下現(xiàn)場環(huán)境溫度變化的影響-負(fù)荷曲線-諧波的影響-無功負(fù)荷的影響（如有）

H.短路注意事項(xiàng)

變壓器的繞組結(jié)構(gòu)和短路位置直接影響短路的大小和分布。設(shè)計(jì)時(shí)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(guān)瞬態(tài)

變壓器高壓側(cè)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(yù)擊穿和再擊穿以及電纜的電容和變壓器的導(dǎo)電性會(huì)產(chǎn)生快速上升的瞬變。這些瞬變會(huì)導(dǎo)致絕緣故障，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析，以確保充分的絕緣設(shè)計(jì)。IEEE Std C57.142-2010–“描述“變壓器、開關(guān)裝置和系統(tǒng)相互作用引起的開關(guān)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(fù)載變壓器，會(huì)產(chǎn)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(hù)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(cè)安裝電涌放電器。然而，它不足以有效地保護(hù)變壓器免受非常快的瞬變。變壓器高壓側(cè)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(gè)昂貴的解決方案，因?yàn)镽MU的設(shè)計(jì)需要修改。保護(hù)方法必須在施工中與RMU制造商一起設(shè)計(jì)和實(shí)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(diǎn)保持浮動(dòng)。中性點(diǎn)不得接地。將中性點(diǎn)隔離在變壓器側(cè)是一種安全的設(shè)計(jì)做法。靜電屏蔽應(yīng)僅具有單點(diǎn)接地。光伏系統(tǒng)發(fā)電不會(huì)產(chǎn)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(xiàng)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(shè)計(jì)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(dāng)按照ISO3104進(jìn)行測量時(shí)，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(jìn)行設(shè)計(jì)，并且可以工作在上述常規(guī)限制的溫度下，根據(jù)客戶驗(yàn)收，所有外部部件（如水箱和散熱器）的表面處理和腐蝕防護(hù)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(jí)（155攝氏度）和H級(jí)（180攝氏度）干式鑄造樹脂變壓器絕緣的離岸應(yīng)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(dāng)?shù)娜肟诒Ｗo(hù)。IP23D和P31是最常用的入口保護(hù)等級(jí)。通風(fēng)要求和空氣流量要求，如果安裝在房間內(nèi)，則必須進(jìn)行計(jì)算，以確保繞組的溫升在限制范圍內(nèi)。澆注樹脂變壓器必須滿足氣候要求，根據(jù)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(shè)計(jì)應(yīng)滿足繞組材料（銅/鋁）的熱膨脹和收縮。這是通過改變填料負(fù)荷以適應(yīng)相應(yīng)金屬膨脹的溫度系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

三。過去，風(fēng)力渦輪機(jī)的變壓器在各種應(yīng)用中都使用風(fēng)能。1887年，蘇格蘭安裝了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為電池充電。到19世紀(jì)初，有幾臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力渦輪機(jī)于1951年在英國安裝。有一種趨勢(shì)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(fēng)力發(fā)電的效率和可靠性，近年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步。所使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型可分為以下幾類：永磁同步發(fā)電機(jī)[這些是早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)]-勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)-雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)當(dāng)今最常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)可變電壓控制和100%滑動(dòng)控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率由一個(gè)變壓器升壓，供電網(wǎng)使用。由于其應(yīng)用性質(zhì)，變壓器的設(shè)計(jì)必須考慮以下段落中說明的要求；適用標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60076-16“電力變壓器-第16部分：風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)用變壓器”。第2節(jié)中討論的大多數(shù)設(shè)計(jì)考慮適用于風(fēng)力渦輪機(jī)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(fù)載循環(huán)由于風(fēng)速的變化，變壓器上的負(fù)載經(jīng)常變化，可能包括突然變化甚至停機(jī)。載荷多次突變會(huì)引起繞組產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力。在充液變壓器的情況下，這可能會(huì)產(chǎn)生油氣泡。B.安裝在塔內(nèi)或機(jī)艙內(nèi)的變壓器溫度校正必須評(píng)估安裝在塔內(nèi)或機(jī)艙內(nèi)的變壓器的氣流和通風(fēng)。根據(jù)要求，適當(dāng)?shù)慕殿~是必要的。C.振動(dòng)水平安裝在機(jī)艙內(nèi)的變壓器將經(jīng)歷變化幅度的振動(dòng)，并且必須計(jì)算對(duì)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(xì)評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要特別注意可能松動(dòng)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(dāng)安裝在沿海地區(qū)或離岸地區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)外殼中的鑄造樹脂轉(zhuǎn)臺(tái)嚴(yán)重腐蝕并最終失效。在這種情況下，芯組件（包括夾持結(jié)構(gòu)）必須采用合適的環(huán)氧涂層進(jìn)行保護(hù)。必須避免暴露的線路或抽頭端子。此外，外殼還需要對(duì)充油變壓器4進(jìn)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(shì)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(fù)載的使用、電動(dòng)汽車的充電等原因，電網(wǎng)的復(fù)雜性正在迅速增加。同時(shí)，電網(wǎng)多功能化、智能化的需求也促使了智能電網(wǎng)概念的發(fā)展。電網(wǎng)遲早會(huì)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。可再生能源用變壓器是不例外的，下一代可再生能源用變壓器必須與智能電網(wǎng)的需求相結(jié)合。以下段落提供了有關(guān)這些變壓器特性的簡要信息。A.智能電網(wǎng)和客戶的要求智能電網(wǎng)要求變壓器具有一些獨(dú)特的特性和功能，如電壓暫降補(bǔ)償當(dāng)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(yīng)具有這一特性.-諧波隔離/濾波器，線性負(fù)載不會(huì)產(chǎn)生諧波，并且變壓器應(yīng)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(dòng)汽車充電和其他直流負(fù)載的共同直流輸出-無功功率補(bǔ)償

先進(jìn)的配電自動(dòng)化（ADA）-斷電補(bǔ)償變壓器應(yīng)從能源系統(tǒng)中獲取電力并提供斷電補(bǔ)償-故障隔離變壓器應(yīng)將電網(wǎng)與負(fù)載側(cè)的故障隔離，并在進(jìn)線側(cè)發(fā)生故障時(shí)將自身與電網(wǎng)隔離-電壓平衡保護(hù)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(shè)計(jì)特點(diǎn)本節(jié)給出了未來變壓器的基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)為了滿足智能電網(wǎng)的要求，變壓器必須采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)固態(tài)。20世紀(jì)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(xiàng)SST專利。然而，美國電力研究所（EPRI）開創(chuàng)了SST應(yīng)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(zhuǎn)換成高頻交流電，并饋送到高頻變壓器的一次側(cè)，以獲得交流和/或直流輸出電壓

階段1-交流-直流轉(zhuǎn)換從電網(wǎng)輸入的高壓交流轉(zhuǎn)換為高壓直流。此階段使用級(jí)聯(lián)連接的IGBT。新的發(fā)展是使用基于SiC的轉(zhuǎn)換器。階段2-雙有源橋在此階段高壓直流首先在相對(duì)較高的頻率（通常為5 kHz至20 kHz）下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為低壓直流電。從這個(gè)階段，一個(gè)直流端口被帶到客戶負(fù)載。第3階段，低壓直流被轉(zhuǎn)換成低壓交流供最終使用。整個(gè)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(duì)較低。導(dǎo)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(wǎng)應(yīng)用中使用SST的未來電網(wǎng)的基本要素

C、 智能電網(wǎng)變壓器商業(yè)化的技術(shù)挑戰(zhàn)可再生能源SST商業(yè)化需要解決幾個(gè)技術(shù)問題和產(chǎn)品開發(fā)工作，如電力公司引入智能電網(wǎng)，這是一個(gè)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(yīng)用。目前，高壓電力電子電路的工作電壓水平是通過級(jí)聯(lián)來獲得的。高壓電力電子電路的浪涌/脈沖保護(hù)和系統(tǒng)故障保護(hù)。高頻變壓器鐵芯的低損耗磁性材料的可用性。整個(gè)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(dāng)?shù)停哳l應(yīng)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(gè)。結(jié)論風(fēng)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(fēng)能和太陽能DPV所需的變壓器需要特殊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以滿足具有挑戰(zhàn)性的運(yùn)行條件。目前，該行業(yè)已經(jīng)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(wǎng)。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(zé)任公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)為本文件的編寫提供的幫助