張計(jì)英 李和明 張 棟 李永剛

（1.華北電力大學(xué)，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(fā)電正在世界范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用，按其與電網(wǎng)的連接方式，可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。目前絕大多數(shù)光伏電站都采用并網(wǎng)模式，即與現(xiàn)有供電網(wǎng)并聯(lián)接入，以便最大限度利用光伏電站所發(fā)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(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，通過(guò)輸配電網(wǎng)進(jìn)行傳輸、利用。為了降低線路損耗、提高系統(tǒng)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(jù)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(shí)系統(tǒng)電氣也達(dá)到了物理隔離。

1 光伏電站的電能質(zhì)量

光伏電站向電網(wǎng)輸送電能質(zhì)量主要取決于光伏并網(wǎng)逆變器，其主要考核的電能質(zhì)量指標(biāo)主要有[1-2]：并網(wǎng)電流總畸變率（＜5%）、并網(wǎng)功率因數(shù)（+0.98～?0.98）、直流分量（＜0.5%）、電壓波動(dòng)與閃變等，上述指標(biāo)都是在逆變器額定功率下考核。由于光照強(qiáng)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(shù)時(shí)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(yīng)用的國(guó)際品牌500kW逆變器實(shí)際運(yùn)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(fā)出電能質(zhì)量會(huì)比額定功率下時(shí)要差。不同廠商生產(chǎn)的逆變器會(huì)有一些差別，但總體趨勢(shì)是一樣的。圖2為國(guó)際品牌500kW逆變器的不同功率時(shí)并網(wǎng)電流總畸變率，從圖中可以看出光伏電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)電流總畸變率在 2%～8%左右，實(shí)際運(yùn)行的光伏電站并網(wǎng)電能質(zhì)量中諧波的不合格最為普遍。并網(wǎng)功率因數(shù)均能保證在 0.98左右，大規(guī)模電站均配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，因此，系統(tǒng)的功率因數(shù)都可以得到保證。另外，所配置的無(wú)功補(bǔ)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(wǎng)電能質(zhì)量曲線（實(shí)測(cè)C相數(shù)值）

2 諧波的危害

人們關(guān)注諧波的重要原因之一，是因?yàn)樗o電網(wǎng)帶來(lái)污染，影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行，對(duì)電器設(shè)備產(chǎn)生不利影響，在某種情況下甚至損壞設(shè)備釀成事故。諧波的危害可概括為以下幾個(gè)方面[3]：

1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加諧波損耗，降低了發(fā)電、傳輸及用電設(shè)備的效率；諧波對(duì)電機(jī)、變壓器的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使局部嚴(yán)重過(guò)熱。

2）三相四線系統(tǒng)中，當(dāng)大量3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生火災(zāi)。

3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，從而使諧波電流放大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起事故。

4）諧波還會(huì)影響對(duì)電能質(zhì)量敏感的負(fù)載或電子線路正常工作。

5）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)故障和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使電器測(cè)量?jī)x表測(cè)量不準(zhǔn)，引起電能計(jì)量不準(zhǔn)。

6）諧波會(huì)對(duì)周?chē)ㄐ畔到y(tǒng)產(chǎn)生干擾，使通信系統(tǒng)無(wú)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(duì)變壓器的影響

接入光伏發(fā)電的系統(tǒng)容量一般是電站裝機(jī)容量的10倍以上，因此可以將電網(wǎng)看做一個(gè)無(wú)窮大的系統(tǒng)。系統(tǒng)電壓諧波主要是由上一級(jí)的供電系統(tǒng)的背景諧波決定，實(shí)際測(cè)量高壓輸電線路（≥110kV）的背景諧波都能夠滿(mǎn)足國(guó)標(biāo) 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(duì)較低，因此，不必對(duì)空載損耗測(cè)量值進(jìn)行電壓諧波校正[4]。工程上一般引入安全系數(shù)，而忽略電壓畸變所引起的鐵損耗的增加。

4 諧波電流對(duì)變壓器的影響

諧波電流對(duì)變壓器的影響主要表現(xiàn)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(jí)絕緣耐熱115℃設(shè)計(jì)壽命 20年，并考慮實(shí)際運(yùn)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(shè)備壽命較少一年，溫度每降低 6℃設(shè)備壽命增加一年。實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候冬季溫度相對(duì)較低變壓器的壽命增加，夏季運(yùn)行溫度偏高變壓器壽命減少，實(shí)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(jì)算公式如表1（忽略電壓畸變引起的鐵心損耗）所示，實(shí)際應(yīng)用中由于諧波電流的存在變壓器實(shí)際運(yùn)行溫升會(huì)略高于設(shè)計(jì)值，因此設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，在投運(yùn)初期需要加強(qiáng)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(guò)程中，采用國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)廠所生產(chǎn)的B級(jí)絕緣等級(jí)的干式變壓器額定容量為100kVA，在實(shí)際的運(yùn)行中溫升偏高，圖3為逆變器額定功率運(yùn)行4h后變壓器的溫度場(chǎng)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(jí)100kVA干式變壓器溫度場(chǎng)圖

5 光伏逆變器用升壓變壓器設(shè)計(jì)

變壓器是利用是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置。鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)的建立是依靠電源側(cè)提供的勵(lì)磁電流（im）產(chǎn)生磁勢(shì)（Fm），F(xiàn)m在鐵心中產(chǎn)生磁通（?）。

圖4 不飽和時(shí)正弦勵(lì)磁產(chǎn)生正弦磁通

?的波形由im的波形決定。當(dāng)磁路不飽和時(shí)，?和im是線性關(guān)系，即正弦的?由正弦im產(chǎn)生，如圖4所示。

當(dāng)磁路飽和時(shí)，正弦的?必須由尖頂?shù)膇m產(chǎn)生，尖頂?shù)膇m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(chǎn)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(chǎn)生含有3次諧波的感應(yīng)電勢(shì)[5]。一般推薦與逆變器側(cè)直接相連側(cè)設(shè)計(jì)為三角形連接，而網(wǎng)側(cè)設(shè)置為星形連接，即Yd?11連接組別。

在交變磁場(chǎng)作用下，實(shí)際磁化曲線呈磁滯現(xiàn)象，通過(guò)作圖法可以求解，激磁電流不再是對(duì)稱(chēng)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(lì)磁電流產(chǎn)生平頂磁通

圖6 尖頂勵(lì)磁電流產(chǎn)生正弦磁通

普通電力變壓器設(shè)計(jì)時(shí)出于經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)輸（產(chǎn)品的重量）考慮，電力變壓器的額定工作磁密一般設(shè)置在硅鋼的特性曲線的拐點(diǎn)之上（設(shè)計(jì)時(shí)常取Bm=1.4～1.7T）[5-7]，這就進(jìn)一步加劇了勵(lì)磁電流的波形畸變。

大型并網(wǎng)光伏逆變器是通過(guò)控制逆變器出口并網(wǎng)電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電能質(zhì)量控制及并網(wǎng)功率大小的調(diào)節(jié)。為了保證并網(wǎng)電能質(zhì)量，均將逆變器并網(wǎng)電流控制為理性的正弦波為目標(biāo)。能量由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳輸時(shí)，其勵(lì)磁電流需要光伏逆變器來(lái)提供。如果變壓器的工作磁密設(shè)計(jì)的過(guò)高會(huì)影響并網(wǎng)電流波形的質(zhì)量，間接影響變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 試驗(yàn)結(jié)果

筆者制作了一臺(tái) 3kVA的樣機(jī)進(jìn)行了分析與測(cè)試，額定工作電壓磁密設(shè)定為1.6T，通過(guò)調(diào)壓器調(diào)整空載電壓，等效改變磁密。分別測(cè)試了 0.8UN、1.0UN、1.125UN，相對(duì)應(yīng)的等效磁密為1.28T、1.6T和 1.8T。對(duì)應(yīng)的空載電壓與勵(lì)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(lì)磁電流波形明顯增大，并且其畸變的程度也相應(yīng)的增大。從圖10中可以看出帶有畸變的勵(lì)磁電流，直接影響的并網(wǎng)電流的質(zhì)量，在并網(wǎng)電流的過(guò)零點(diǎn)處出現(xiàn)了明顯的畸變，此時(shí)可即是勵(lì)磁電流的峰值點(diǎn)處。

圖7 B=1.2T空載電壓與勵(lì)磁電流波形

圖8 B=1.6T空載電壓與勵(lì)磁電流波形

圖9 B=1.8T空載電壓與勵(lì)磁電流波形

圖10 額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流波形

7 結(jié)論

大功率光伏逆變器用升壓變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)工作磁密盡量選擇在線性工作區(qū)，以降低其勵(lì)磁電流畸變程度。逆變器連接側(cè)盡量選擇三角形連接、網(wǎng)側(cè)選擇星形連接的方式，消除勵(lì)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(shè)備的壽命降低。

[1] GB/T 19939—2005 光伏電站并網(wǎng)技術(shù)要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[2] GB/Z 19964—2005 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[3] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(yè)用變流變壓器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[6] 國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)電力業(yè)務(wù)資質(zhì)管理中心編寫(xiě)組編著.特種類(lèi)繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011.

[7] 周鶚.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,1994.