摘要：采用帶有載調壓的分體干式變壓器作為風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：關鍵詞： 1。大規模風電并網的瓶頸與風電機組的低電壓穿越能力

新能源開發和能源危機是當前能源領域的兩大熱點問題。

從能源來源上，人們把傳統化石能源比作“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。目前由于太陽能發電成本高，生物質能有限，地熱能和潮汐能有限，風力發電較受青睞。

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

然而，風電是一種波動性和間歇性的電源，大規模并網運行會影響當地電網的穩定運行。目前，世界風電發達家正在積極開展大規模風電并網研究。隨著近兩年我大規模風電基地建設的逐步加快，解決大規模風電并網問題迫在眉睫。

近年來，我風電發展速度驚人，風電裝機容量以每年翻番的速度快速增長。專家認為，中擁有世界上較大的風力發電市場，短短幾年間，中誕生了數十家風力發電機制造商。

風力發電機制造業的繁榮背后有新的問題。一些風力發電機制造商技術積累不足，一些投入市場的風力發電機存在質量問題，給并網運行帶來嚴重隱患。電力系統對電能質量的要求非常嚴格，必然要求供電性能達到相應的標準，更何況風電是一種波動的、間歇性的電源。如果風電不滿足電力系統的質量要求，將會給電力系統帶來很大的問題。

由于風力發電機和風電場沒有準入標準和測試標準，大多數風力發電機的功率曲線、電能質量、有功和無功調節性能以及低壓穿越能力都沒有經過合格機構的測試。2009年，吉林電網連續切斷40萬千瓦風電機組。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電場，由于抗干擾能力弱，經常會出現列車經過時機組切除的現象。

低電壓穿越能力是指當電力系統風電裝機容量較大時，由于電力系統故障導致電壓下降后，風電場的拆除將嚴重影響系統運行的穩定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(LVRT)能力，以保證系統故障后風電機組不間斷并網運行。風力發電機應具有低電壓穿越能力：a)風電場必須具有低電壓穿越能力，當電壓降至額定電壓的20%時，能夠維持并網運行620毫秒；b)當風電場電壓在跌落后3秒內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并聯運行；c)當風電場升壓變壓器高壓側電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須連續并網。 #p#分頁標題#e#

2.低壓繞組分裂有載調壓干式變壓器特性分析

風電場的一般接線方式如下圖圖圖1所示；目前兆瓦級風力發電機組的輸出電壓通常為690伏，由不帶勵磁調壓裝置的風力發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壓分接開關的雙環升壓干式變壓器，升壓到220千伏或110千伏，送至超高壓電網。這種連接模式和結構對風力渦輪機低電壓穿越能力的要求在前面章節中有所描述。

圖1:風電場送電的一般接線方式

基于風力渦輪機的當前性能狀態，很難滿足所要求的低電壓穿越能力。因此，2009年吉林電網將出現上述40萬千瓦風電機組連續切除的情況，這是制約風電大規模并網運行的主要因素之一。此外，作為風電場的較好升壓干式變壓器，原風力發電機組的風力發電機組干式變壓器具有完善的自動保護裝置，但風力發電機組干式變壓器低壓出口端與風機保護裝置之間有電纜線，可能會因外部因素造成短路。風力發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，如果發生上述短路，對于普通的220(110) kV雙線圈有載調壓升壓干式變壓器，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，影響電網的電能質量。

圖2:改進的風電場輸出功率連接方式

綜合考慮以上因素，結合內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壓干式變壓器的運行特點和經濟性，建議采用圖2所示接線方式的低壓繞組分裂有載調壓升壓干式變壓器代替雙線圈有載調壓升壓干式變壓器從風電場送電。由于其突出的優點，這種干式變壓器可以有效地提高風電場升壓輸電系統的整體低電壓穿越能力，并且可以包括從風力發電機輸出端開始的風力收集器干式變壓器。

二十一世紀以來，在我的華東、華北、西南、西北等地區，許多新建的電廠為了節省基本建設投資，日漸趨向于采用低壓繞組軸向分裂式有載調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，也可以并聯運行；而當某一分支發生短路故障時，另一非故障分支的負載仍可在接近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容量相同的有載調壓干式變壓器，可節約干式變壓器設備成本10-20%；詳細分析見下文所述。#p#分頁標題#e#

220（110）千伏低壓繞組分裂式有載調壓干式變壓器，目前有兩種結構型式——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構排列方式由鐵心從里到外為：穩定繞組（倘有）→上下分裂多層并繞圓筒式低壓繞組→本體帶特殊糾結方式分接抽頭的中部進線高壓線圈；低壓繞組輻向分裂式干式變壓器的線圈結構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：穩定繞組（倘有）→低壓內側繞組→高壓調壓繞組→端部進線高壓線圈→低壓外側繞組。兩種結構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，導致分裂系數迥異，前者的分裂系數（即分裂阻抗與穿越阻抗的比值）為3.5左右，而后者的分裂系數為4.5~5.5。

圖3：低壓繞組分裂式有載調壓干式變壓器的兩種結構形式（僅示出單相）

當低壓分裂繞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相應地稱為半穿越阻抗。當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荷時)，則稱為穿越運行，此時干式變壓器的短路阻抗ZK相應地稱為穿越阻抗。當低壓分裂繞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到額定容量，此時負載損耗較大，因此在分裂式干式變壓器的技術條件中，通常會對穿越運行時的負載損耗提出要求。當低壓繞組分裂式有載調壓干式變壓器用作發電廠的起動/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文件中，用戶常常會對干式變壓器的半穿越阻抗提出技術要求。但當低壓繞組分裂式有載調壓干式變壓器作為本文所推薦采用的風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，此時用戶應在招標技術規范中規定的穿越阻抗的參數要求。

輻向分裂式有載調壓干式變壓器的主要缺陷是在運行特性上，當高壓側處于非額定分接（尤其是處于極限分接時），高壓繞組-低壓內側繞組的半穿越阻抗與高壓繞組-低壓外側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，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荷；類似于兩臺阻抗不匹配的干式變壓器并聯運行，兩個低壓分支之間將產生較大的環流，這是相當不利的。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%的過負荷能力）；其次，兩個低壓分支之間通常并不會處于并聯狀態，尤其當將之用作有載調壓升壓干式變壓器時，兩部分風電集電干式變壓器的高壓輸出端分別聯接在分裂式干式變壓器的兩個低壓端上，兩部分風電集電干式變壓器可能是屬于同一大型風電場的內的不同機組，也可能是分別來自相距數公里的不同的兩個風電場，這些風電集電干式變壓器沒有必要高低壓側均并聯在一起，所以即使當用作風電場外送電能的有載調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流。輻向分裂式結構可以普遍應用在從31.5MVA到200MVA的大容量有載調壓升壓干式變壓器上。#p#分頁標題#e#

而對于低壓繞組軸向分裂式有載調壓干式變壓器，則不存在上述問題的，因其高低壓線圈均為上下對稱結構，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及絕緣主間隙的減少而具有明顯的成本優勢，其制造成本較輻向分裂式結構要低10%以上；但軸向分裂式干式變壓器的抗短路性能，是其相對薄弱環節。目前的設計技術及制造技術已經較好地解決了軸向分裂式干式變壓器的抗短路性能缺陷。通過設計高壓線圈上的特殊的糾結分接抽頭方式，將±8×1.25%的高壓分接段設置為高壓線圈本體所帶的6個分接段，顯著降低分接區域的電抗高度，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線繞制多層并繞上下對稱結構的低壓分裂繞組及設置油箱磁屏蔽結構以抑制油箱壁過熱的技術措施，從而有效地保障了軸向分裂式有載調壓干式變壓器的可靠性和經濟性。但受制于高壓線圈的特殊的糾結分接抽頭方式，當干式變壓器額定容量大于75MVA時，將使得高壓線圈糾結段制造工藝上變得困難，故低壓繞組軸向分裂式有載調壓干式變壓器通常應用于容量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下述分析確定。

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

上式即為“克拉易茲公式”，它直觀地總結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值關系。

考慮到分裂系數的定義：KF= ZF/ ZK，代入上式即得：

。 （式2）

當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：

；

當干式變壓器穿越運行時，端子1與2聯接后與端子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。

下面根據以上等效電路圖來分析其正常運行狀態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。當高壓繞組的電壓為額定值時，根據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下低壓繞組兩個分裂分支的阻抗電壓降。#p#分頁標題#e#

；   （式3）

；   （式4）

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

——低壓繞組的兩個分裂分支的負載電流（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載功率因數角；

  ——穿越阻抗電壓百分數；

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）

當低壓繞組的一個分裂分支短路時，根據等效電路圖圖4，可寫出該分支的短路電流倍數：

；   （式6）

式中：——半穿越阻抗電壓百分數。

當分裂分支1短路時，則，，，根據式5，可以寫出另一分支2的殘壓：

化簡得： （式7）

作為發電廠的起動/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構其分裂系數3.2≤≤3.8，對于低壓繞組輻向分裂結構其分裂系數4.5≤≤5.5。而作為風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荷，通常穿越阻抗將稍大，考慮≤14，分裂系數的數值范圍不受影響。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，。試計算在正常運行時各分支的阻抗壓降，以及當分支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，可算出；

阻抗壓降 ；

就是說，穿越運行時兩個分支的負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%，對于帶有自動調壓功能的有載調壓開關來說完全可以通過調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，。試計算在正常運行時各分支的阻抗壓降，以及當分支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，可算出；

阻抗壓降 ；

就是說，穿越運行時兩個分支的負載電壓約為額定電壓的91.6%。

當分支1短路時，按照（式7）算出另一分支2的殘壓：

；

從計算結果可以看出，非故障分支的二次負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%，對于帶有自動調壓功能的有載調壓開關來說仍然可以通過調整分接頭變比來維持正常電壓輸出。#p#分頁標題#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構的非故障分支的殘壓特性是與低壓繞組軸向分裂式結構相反的，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壓開關正常調節的范圍內。由此可見，采用有載調壓分裂式干式變壓器作為風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的整體的低電壓穿越能力，避免由于局部風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壓分裂式干式變壓器取代常規雙圈有載調壓干式變壓器而具有的明顯的經濟性。

茲對一臺有載調壓分裂式干式變壓器SFFZ10-63000/220與兩臺雙圈有載調壓干式變壓器SFZ10-31500/220其主要技術性能及材料成本作對比，基于相同的總容量、電壓、接法、阻抗、調壓范圍的前提下。

表：有載調壓分裂式干式變壓器與雙圈有載調壓干式變壓器性能及材料成本對比