摘要：采用帶有載調(diào)壓的分體干式變壓器作為風(fēng)電場升壓主變壓器的可行性分析。作者：匿名2010年6月24日103360413362 . 33363636666

頻道：關(guān)鍵詞： 1。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的瓶頸與風(fēng)電機組的低電壓穿越能力

新能源開發(fā)和能源危機是當(dāng)前能源領(lǐng)域的兩大熱點問題。

從能源來源上，人們把傳統(tǒng)化石能源比作“昨天的陽光”，而新能源則是“2021-01-11陽光”，可見人們對新能源的熱情。目前由于太陽能發(fā)電成本高，生物質(zhì)能有限，地?zé)崮芎统毕苡邢?，風(fēng)力發(fā)電較受青睞。

風(fēng)力發(fā)電有三種運行模式：一是先立運行模式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機向一戶或幾戶家庭供電，用蓄電池儲能，保證無風(fēng)時耗電；第二，風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機發(fā)電)相結(jié)合，為一個單位或一個村莊或一個島嶼供電；第三，風(fēng)力發(fā)電融入常規(guī)電網(wǎng)，為大型電網(wǎng)提供電力，一個風(fēng)電場往往安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。

然而，風(fēng)電是一種波動性和間歇性的電源，大規(guī)模并網(wǎng)運行會影響當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的穩(wěn)定運行。目前，世界風(fēng)電發(fā)達(dá)家正在積極開展大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)研究。隨著近兩年我大規(guī)模風(fēng)電基地建設(shè)的逐步加快，解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題迫在眉睫。

近年來，我風(fēng)電發(fā)展速度驚人，風(fēng)電裝機容量以每年翻番的速度快速增長。專家認(rèn)為，中擁有世界上較大的風(fēng)力發(fā)電市場，短短幾年間，中誕生了數(shù)十家風(fēng)力發(fā)電機制造商。

風(fēng)力發(fā)電機制造業(yè)的繁榮背后有新的問題。一些風(fēng)力發(fā)電機制造商技術(shù)積累不足，一些投入市場的風(fēng)力發(fā)電機存在質(zhì)量問題，給并網(wǎng)運行帶來嚴(yán)重隱患。電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格，必然要求供電性能達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，更何況風(fēng)電是一種波動的、間歇性的電源。如果風(fēng)電不滿足電力系統(tǒng)的質(zhì)量要求，將會給電力系統(tǒng)帶來很大的問題。

由于風(fēng)力發(fā)電機和風(fēng)電場沒有準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和測試標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線、電能質(zhì)量、有功和無功調(diào)節(jié)性能以及低壓穿越能力都沒有經(jīng)過合格機構(gòu)的測試。2009年，吉林電網(wǎng)連續(xù)切斷40萬千瓦風(fēng)電機組。原因是這些裝置不具備低電壓穿越能力。電氣化鐵路附近也有一些風(fēng)電場，由于抗干擾能力弱，經(jīng)常會出現(xiàn)列車經(jīng)過時機組切除的現(xiàn)象。

低電壓穿越能力是指當(dāng)電力系統(tǒng)風(fēng)電裝機容量較大時，由于電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓下降后，風(fēng)電場的拆除將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機組具有低電壓穿越(LVRT)能力，以保證系統(tǒng)故障后風(fēng)電機組不間斷并網(wǎng)運行。風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)具有低電壓穿越能力：a)風(fēng)電場必須具有低電壓穿越能力，當(dāng)電壓降至額定電壓的20%時，能夠維持并網(wǎng)運行620毫秒；b)當(dāng)風(fēng)電場電壓在跌落后3秒內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須保持并聯(lián)運行；c)當(dāng)風(fēng)電場升壓變壓器高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須連續(xù)并網(wǎng)。 #p#分頁標(biāo)題#e#

2.低壓繞組分裂有載調(diào)壓干式變壓器特性分析

風(fēng)電場的一般接線方式如下圖圖圖1所示；目前兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的輸出電壓通常為690伏，由不帶勵磁調(diào)壓裝置的風(fēng)力發(fā)電機組干式變壓器從0.69千伏升壓到10.5千伏或38.5千伏，然后通過輸電線路傳輸幾公里，再通過單回路接線連接到帶有載調(diào)壓分接開關(guān)的雙環(huán)升壓干式變壓器，升壓到220千伏或110千伏，送至超高壓電網(wǎng)。這種連接模式和結(jié)構(gòu)對風(fēng)力渦輪機低電壓穿越能力的要求在前面章節(jié)中有所描述。

圖1:風(fēng)電場送電的一般接線方式

基于風(fēng)力渦輪機的當(dāng)前性能狀態(tài)，很難滿足所要求的低電壓穿越能力。因此，2009年吉林電網(wǎng)將出現(xiàn)上述40萬千瓦風(fēng)電機組連續(xù)切除的情況，這是制約風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運行的主要因素之一。此外，作為風(fēng)電場的較好升壓干式變壓器，原風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)力發(fā)電機組干式變壓器具有完善的自動保護裝置，但風(fēng)力發(fā)電機組干式變壓器低壓出口端與風(fēng)機保護裝置之間有電纜線，可能會因外部因素造成短路。風(fēng)力發(fā)電機組干式變壓器高壓出口端與220(110) kV雙線圈升壓干式變壓器之間的長距離輸電線路也存在外部因素引起短路的可能性。因此，如果發(fā)生上述短路，對于普通的220(110) kV雙線圈有載調(diào)壓升壓干式變壓器，單回路受電時，干式變壓器可能會被切斷，造成局部電壓波動，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖2:改進(jìn)的風(fēng)電場輸出功率連接方式

綜合考慮以上因素，結(jié)合內(nèi)許多電廠廣泛采用的作為啟動/備用干式變壓器的低壓繞組分裂有載調(diào)壓干式變壓器的運行特點和經(jīng)濟性，建議采用圖2所示接線方式的低壓繞組分裂有載調(diào)壓升壓干式變壓器代替雙線圈有載調(diào)壓升壓干式變壓器從風(fēng)電場送電。由于其突出的優(yōu)點，這種干式變壓器可以有效地提高風(fēng)電場升壓輸電系統(tǒng)的整體低電壓穿越能力，并且可以包括從風(fēng)力發(fā)電機輸出端開始的風(fēng)力收集器干式變壓器。

二十一世紀(jì)以來，在我的華東、華北、西南、西北等地區(qū)，許多新建的電廠為了節(jié)省基本建設(shè)投資，日漸趨向于采用低壓繞組軸向分裂式有載調(diào)壓干式變壓器作為起動/備用干式變壓器。該種干式變壓器的突出特點是：分裂繞組的兩個分支可以先立運行且相互備用，也可以并聯(lián)運行；而當(dāng)某一分支發(fā)生短路故障時，另一非故障分支的負(fù)載仍可在接近90%的電壓下維持運行；另外，該種干式變壓器的半穿越短路阻抗較高（通常在16%-24%之間），可有效地限制短路電流。用該種干式變壓器取代兩臺同電壓等級總?cè)萘肯嗤挠休d調(diào)壓干式變壓器，可節(jié)約干式變壓器設(shè)備成本10-20%；詳細(xì)分析見下文所述。#p#分頁標(biāo)題#e#

220（110）千伏低壓繞組分裂式有載調(diào)壓干式變壓器，目前有兩種結(jié)構(gòu)型式——低壓繞組軸向分裂式和低壓繞組輻向分裂式，參見圖3。低壓繞組軸向分裂式干式變壓器的線圈結(jié)構(gòu)排列方式由鐵心從里到外為：穩(wěn)定繞組（倘有）→上下分裂多層并繞圓筒式低壓繞組→本體帶特殊糾結(jié)方式分接抽頭的中部進(jìn)線高壓線圈；低壓繞組輻向分裂式干式變壓器的線圈結(jié)構(gòu)類似于普通三圈干式變壓器，其排列方式由鐵心從里到外為：穩(wěn)定繞組（倘有）→低壓內(nèi)側(cè)繞組→高壓調(diào)壓繞組→端部進(jìn)線高壓線圈→低壓外側(cè)繞組。兩種結(jié)構(gòu)型式從理論上說都是可行的，電氣性能有較大的差異。在同樣的半穿越阻抗要求時，兩者的分裂阻抗有很大差異，導(dǎo)致分裂系數(shù)迥異，前者的分裂系數(shù)（即分裂阻抗與穿越阻抗的比值）為3.5左右，而后者的分裂系數(shù)為4.5~5.5。

圖3：低壓繞組分裂式有載調(diào)壓干式變壓器的兩種結(jié)構(gòu)形式（僅示出單相）

當(dāng)?shù)蛪悍至牙@組的某一個分支對高壓繞組運行時(即低壓繞組的僅某個分支帶有負(fù)荷時)，通常稱為半穿越運行，此時干式變壓器的短路阻抗ZB相應(yīng)地稱為半穿越阻抗。當(dāng)高壓繞組對低壓分裂繞組的兩個分支同時運行時(即低壓繞組的兩個分支均帶有負(fù)荷時)，則稱為穿越運行，此時干式變壓器的短路阻抗ZK相應(yīng)地稱為穿越阻抗。當(dāng)?shù)蛪悍至牙@組的某一個分支對另一個分支運行時，通常稱為分裂運行，此時干式變壓器的短路阻抗ZF相應(yīng)地稱為分裂阻抗。分裂運行并非實際的工程運行方式，僅為一種理論運行方式。在實際運行方式中，穿越運行時的容量可達(dá)到額定容量，此時負(fù)載損耗較大，因此在分裂式干式變壓器的技術(shù)條件中，通常會對穿越運行時的負(fù)載損耗提出要求。當(dāng)?shù)蛪豪@組分裂式有載調(diào)壓干式變壓器用作發(fā)電廠的起動/備用干式變壓器時，半穿越運行是其主要運行方式。在一般的分裂式干式變壓器招標(biāo)文件中，用戶常常會對干式變壓器的半穿越阻抗提出技術(shù)要求。但當(dāng)?shù)蛪豪@組分裂式有載調(diào)壓干式變壓器作為本文所推薦采用的風(fēng)電場外送電能的升壓主干式變壓器時，穿越運行可能是其主要的運行方式，此時用戶應(yīng)在招標(biāo)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的穿越阻抗的參數(shù)要求。

輻向分裂式有載調(diào)壓干式變壓器的主要缺陷是在運行特性上，當(dāng)高壓側(cè)處于非額定分接（尤其是處于極限分接時），高壓繞組-低壓內(nèi)側(cè)繞組的半穿越阻抗與高壓繞組-低壓外側(cè)繞組的半穿越阻抗有明顯的差異，兩者在極限分接時相差可逾15%，這意味著在滿容量穿越運行時如果兩個低壓分支并聯(lián)，則兩個低壓分支之間的容量分配顯著不平衡，其中一個分支將明顯過負(fù)荷；類似于兩臺阻抗不匹配的干式變壓器并聯(lián)運行，兩個低壓分支之間將產(chǎn)生較大的環(huán)流，這是相當(dāng)不利的。但這缺陷其實僅僅停留在理論上，因為先先對于分裂式干式變壓器，其單個低壓分支的額定容量通常設(shè)置為明顯超過高壓額定容量的50%（如：某分裂式干式變壓器額定容量為50MVA,則一般單個低壓分支的額定容量為31.5MVA，具備承受25%的過負(fù)荷能力）；其次，兩個低壓分支之間通常并不會處于并聯(lián)狀態(tài)，尤其當(dāng)將之用作有載調(diào)壓升壓干式變壓器時，兩部分風(fēng)電集電干式變壓器的高壓輸出端分別聯(lián)接在分裂式干式變壓器的兩個低壓端上，兩部分風(fēng)電集電干式變壓器可能是屬于同一大型風(fēng)電場的內(nèi)的不同機組，也可能是分別來自相距數(shù)公里的不同的兩個風(fēng)電場，這些風(fēng)電集電干式變壓器沒有必要高低壓側(cè)均并聯(lián)在一起，所以即使當(dāng)用作風(fēng)電場外送電能的有載調(diào)壓升壓干式變壓器的輻向分裂式干式變壓器的兩個低壓分支之間向上升壓輸送的電能容量有較大差異，低壓分支之間不會有環(huán)流。輻向分裂式結(jié)構(gòu)可以普遍應(yīng)用在從31.5MVA到200MVA的大容量有載調(diào)壓升壓干式變壓器上。#p#分頁標(biāo)題#e#

而對于低壓繞組軸向分裂式有載調(diào)壓干式變壓器，則不存在上述問題的，因其高低壓線圈均為上下對稱結(jié)構(gòu)，故在任意分接的兩個半穿越阻抗值均相同；而且，由于輻向上線圈個數(shù)及絕緣主間隙的減少而具有明顯的成本優(yōu)勢，其制造成本較輻向分裂式結(jié)構(gòu)要低10%以上；但軸向分裂式干式變壓器的抗短路性能，是其相對薄弱環(huán)節(jié)。目前的設(shè)計技術(shù)及制造技術(shù)已經(jīng)較好地解決了軸向分裂式干式變壓器的抗短路性能缺陷。通過設(shè)計高壓線圈上的特殊的糾結(jié)分接抽頭方式，將±8×1.25%的高壓分接段設(shè)置為高壓線圈本體所帶的6個分接段，顯著降低分接區(qū)域的電抗高度，盡可能降低高、低壓線圈之間因安匝不平衡引起的橫向漏磁，從而顯著提高軸向分裂式干式變壓器的抗短路性能，另外輔之以采用自粘性換位導(dǎo)線繞制多層并繞上下對稱結(jié)構(gòu)的低壓分裂繞組及設(shè)置油箱磁屏蔽結(jié)構(gòu)以抑制油箱壁過熱的技術(shù)措施，從而有效地保障了軸向分裂式有載調(diào)壓干式變壓器的可靠性和經(jīng)濟性。但受制于高壓線圈的特殊的糾結(jié)分接抽頭方式，當(dāng)干式變壓器額定容量大于75MVA時，將使得高壓線圈糾結(jié)段制造工藝上變得困難，故低壓繞組軸向分裂式有載調(diào)壓干式變壓器通常應(yīng)用于容量75MVA及以下。

下面以實際例子計算說明的低壓繞組分裂式有載調(diào)壓干式變壓器的電壓運行特性。

圖4：低壓繞組分裂式干式變壓器的星形等效電路

先先，我們可以將低壓繞組分裂式干式變壓器視作是三繞組干式變壓器，其星形等效電路如圖4所示。等效電路中各分支阻抗可根據(jù)下述分析確定。

對于低壓繞組分裂式干式變壓器，前人已經(jīng)進(jìn)行較多的研究，無論從理論及實測值分析，得出對于輻向分裂結(jié)構(gòu)及軸向分裂結(jié)構(gòu)均成立的描述其各個阻抗之間關(guān)系的公式： 。 （式1） 

上式即為“克拉易茲公式”，它直觀地總結(jié)了軸向分裂變穿越阻抗、半穿越阻抗和分裂阻抗三者之間的數(shù)值關(guān)系。

考慮到分裂系數(shù)的定義：KF= ZF/ ZK，代入上式即得：

。 （式2）

當(dāng)干式變壓器分裂運行時，端子1和2之間的阻抗為分裂阻抗，所以：

；

當(dāng)干式變壓器半穿越運行時，端子1和3或端子2和3之間的阻抗為半穿越阻抗，所以：

；

當(dāng)干式變壓器穿越運行時，端子1與2聯(lián)接后與端子3之間的阻抗為穿越阻抗，所以：

；

從以上驗證計算來看，圖4所示低壓繞組分裂式干式變壓器的星形等效電路圖符合其阻抗特性。

下面根據(jù)以上等效電路圖來分析其正常運行狀態(tài)及某分支短路時的電壓運行特性。

對于大型干式變壓器，可以忽略干式變壓器的負(fù)載損耗從而忽略電阻壓降，近似地以電抗壓降等同于阻抗壓降。當(dāng)高壓繞組的電壓為額定值時，根據(jù)三繞組干式變壓器的二次電壓變動率的方程式，可以寫出在正常狀態(tài)下低壓繞組兩個分裂分支的阻抗電壓降。#p#分頁標(biāo)題#e#

；   （式3）

；   （式4）

式中：——低壓繞組的兩個分裂分支的負(fù)載系數(shù)，即各分支負(fù)載電流與額定電流的比值；

——低壓繞組的兩個分裂分支的負(fù)載電流（A）；

——低壓繞組的兩個分裂分支的額定電流（A）；

——低壓繞組的兩個分裂分支的額定電流之和（A）；

  ——低壓繞組的兩個分裂分支的負(fù)載功率因數(shù)角；

  ——穿越阻抗電壓百分?jǐn)?shù)；

將以上兩式相減，即可得出低壓繞組的兩個分裂分支的電壓差：

。 （式5）

當(dāng)?shù)蛪豪@組的一個分裂分支短路時，根據(jù)等效電路圖圖4，可寫出該分支的短路電流倍數(shù)：

；   （式6）

式中：——半穿越阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)分裂分支1短路時，則，，，根據(jù)式5，可以寫出另一分支2的殘壓：

化簡得： （式7）

作為發(fā)電廠的起動/備用干式變壓器時，220（110）千伏級分裂式干式變壓器，通常穿越阻抗≤10，對于低壓繞組軸向分裂結(jié)構(gòu)其分裂系數(shù)3.2≤≤3.8，對于低壓繞組輻向分裂結(jié)構(gòu)其分裂系數(shù)4.5≤≤5.5。而作為風(fēng)電場外送電能的升壓主干式變壓器，分裂式干式變壓器的兩個低壓分支一般都有負(fù)荷，通常穿越阻抗將稍大，考慮≤14，分裂系數(shù)的數(shù)值范圍不受影響。下面分別舉例計算分裂式干式變壓器的電壓運行特性。

例1：今有一臺220千伏三相低壓繞組軸向分裂式干式變壓器SFFZ10-63000/220，=10，穿越運行時，功率因數(shù)，。試計算在正常運行時各分支的阻抗壓降，以及當(dāng)分支1短路時另一分支2的殘余電壓。

解：按照（式3）和（式4）：

由功率因數(shù)，可算出；

阻抗壓降 ；

就是說，穿越運行時兩個分支的負(fù)載電壓約為額定電壓的94.8%。

短路時，按照（式7）算出另一分支2的殘壓：

；

也就是說，非故障分支的二次負(fù)載電壓的殘余電壓約為額定電壓的88.7%，比正常運行時的電壓94.8%僅下降了6.1%，對于帶有自動調(diào)壓功能的有載調(diào)壓開關(guān)來說完全可以通過調(diào)整分接頭變比來維持正常電壓。

例2：今有一臺220千伏三相低壓繞組輻向分裂式干式變壓器SFFZ10-120000/220，=14，穿越運行時，功率因數(shù)，。試計算在正常運行時各分支的阻抗壓降，以及當(dāng)分支1短路時另一分支2的殘余電壓。

解：按照（式3）和（式4）：

由功率因數(shù)，可算出；

阻抗壓降 ；

就是說，穿越運行時兩個分支的負(fù)載電壓約為額定電壓的91.6%。

當(dāng)分支1短路時，按照（式7）算出另一分支2的殘壓：

；

從計算結(jié)果可以看出，非故障分支的二次負(fù)載電壓的殘余電壓約為額定電壓的102.1%，比正常運行時的電壓91.6%升高了10.5%，對于帶有自動調(diào)壓功能的有載調(diào)壓開關(guān)來說仍然可以通過調(diào)整分接頭變比來維持正常電壓輸出。#p#分頁標(biāo)題#e#

由以上算例可知：在某分裂分支短路的情況下，低壓繞組輻向分裂式結(jié)構(gòu)的非故障分支的殘壓特性是與低壓繞組軸向分裂式結(jié)構(gòu)相反的，前者非故障分支的殘壓將升高，而后者則將降低，但皆在可以通過有載調(diào)壓開關(guān)正常調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。由此可見，采用有載調(diào)壓分裂式干式變壓器作為風(fēng)電場外送電能的升壓主干式變壓器，明顯提升了輸變電系統(tǒng)的整體的低電壓穿越能力，避免由于局部風(fēng)電機組切除或局部短路引起的電壓波動。

下面通過舉例來說明采用有載調(diào)壓分裂式干式變壓器取代常規(guī)雙圈有載調(diào)壓干式變壓器而具有的明顯的經(jīng)濟性。

茲對一臺有載調(diào)壓分裂式干式變壓器SFFZ10-63000/220與兩臺雙圈有載調(diào)壓干式變壓器SFZ10-31500/220其主要技術(shù)性能及材料成本作對比，基于相同的總?cè)萘俊㈦妷?、接法、阻抗、調(diào)壓范圍的前提下。

表：有載調(diào)壓分裂式干式變壓器與雙圈有載調(diào)壓干式變壓器性能及材料成本對比