摘要：采用帶有載調壓的分體干式變壓器作為風(fēng)電場(chǎng)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(kāi)發(fā)和能源危機是當前能源領(lǐng)域的兩大熱點(diǎn)問(wèn)題。

從能源來(lái)源上，人們把傳統化石能源比作“昨天的陽(yáng)光”，而新能源則是“2021-01-11陽(yáng)光”，可見(jiàn)人們對新能源的熱情。目前由于太陽(yáng)能發(fā)電成本高，生物質(zhì)能有限，地熱能和潮汐能有限，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(hù)或幾戶(hù)家庭供電，用蓄電池儲能，保證無(wú)風(fēng)時(shí)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)相結合，為一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)島嶼供電；第三，風(fēng)力發(fā)電融入常規電網(wǎng)，為大型電網(wǎng)提供電力，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)性和間歇性的電源，大規模并網(wǎng)運行會(huì )影響當地電網(wǎng)的穩定運行。目前，世界風(fēng)電發(fā)達家正在積極開(kāi)展大規模風(fēng)電并網(wǎng)研究。隨著(zhù)近兩年我大規模風(fēng)電基地建設的逐步加快，解決大規模風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題迫在眉睫。

近年來(lái)，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(cháng)。專(zhuān)家認為，中擁有世界上較大的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，短短幾年間，中誕生了數十家風(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(wèn)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(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機存在質(zhì)量問(wèn)題，給并網(wǎng)運行帶來(lái)嚴重隱患。電力系統對電能質(zhì)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(fēng)電是一種波動(dòng)的、間歇性的電源。如果風(fēng)電不滿(mǎn)足電力系統的質(zhì)量要求，將會(huì )給電力系統帶來(lái)很大的問(wèn)題。

由于風(fēng)力發(fā)電機和風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有準入標準和測試標準，大多數風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線(xiàn)、電能質(zhì)量、有功和無(wú)功調節性能以及低壓穿越能力都沒(méi)有經(jīng)過(guò)合格機構的測試。2009年，吉林電網(wǎng)連續切斷40萬(wàn)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(chǎng)，由于抗干擾能力弱，經(jīng)常會(huì )出現列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)機組切除的現象。

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

2.低壓繞組分裂有載調壓干式變壓器特性分析

風(fēng)電場(chǎng)的一般接線(xiàn)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(guò)輸電線(xiàn)路傳輸幾公里，再通過(guò)單回路接線(xiàn)連接到帶有載調壓分接開(kāi)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)。這種連接模式和結構對風(fēng)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(fēng)電場(chǎng)送電的一般接線(xiàn)方式

基于風(fēng)力渦輪機的當前性能狀態(tài)，很難滿(mǎn)足所要求的低電壓穿越能力。因此，2009年吉林電網(wǎng)將出現上述40萬(wàn)千瓦風(fēng)電機組連續切除的情況，這是制約風(fēng)電大規模并網(wǎng)運行的主要因素之一。此外，作為風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)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(xiàn)，可能會(huì )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(xiàn)圈升壓干式變壓器之間的長(cháng)距離輸電線(xiàn)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(xiàn)圈有載調壓升壓干式變壓器，單回路受電時(shí)，干式變壓器可能會(huì )被切斷，造成局部電壓波動(dòng)，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖2:改進(jìn)的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率連接方式

綜合考慮以上因素，結合內許多電廠(chǎng)廣泛采用的作為啟動(dòng)/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(diǎn)和經(jīng)濟性，建議采用圖2所示接線(xiàn)方式的低壓繞組分裂有載調壓升壓干式變壓器代替雙線(xiàn)圈有載調壓升壓干式變壓器從風(fēng)電場(chǎng)送電。由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，這種干式變壓器可以有效地提高風(fēng)電場(chǎng)升壓輸電系統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(kāi)始的風(fēng)力收集器干式變壓器。

二十一世紀以來(lái)，在我的華東、華北、西南、西北等地區，許多新建的電廠(chǎng)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(dòng)/備用干式變壓器。該種干式變壓器的突出特點(diǎn)是：分裂繞組的兩個(gè)分支可以先立運行且相互備用，也可以并聯(lián)運行；而當某一分支發(fā)生短路故障時(shí)，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(jiàn)下文所述。#p#分頁(yè)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(jiàn)圖3。低壓繞組軸向分裂式干式變壓器的線(xiàn)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(jìn)線(xiàn)高壓線(xiàn)圈；低壓繞組輻向分裂式干式變壓器的線(xiàn)圈結構類(lèi)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(jìn)線(xiàn)高壓線(xiàn)圈→低壓外側繞組。兩種結構型式從理論上說(shuō)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(shí)，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(gè)分支對高壓繞組運行時(shí)(即低壓繞組的僅某個(gè)分支帶有負荷時(shí))，通常稱(chēng)為半穿越運行，此時(shí)干式變壓器的短路阻抗ZB相應地稱(chēng)為半穿越阻抗。當高壓繞組對低壓分裂繞組的兩個(gè)分支同時(shí)運行時(shí)(即低壓繞組的兩個(gè)分支均帶有負荷時(shí))，則稱(chēng)為穿越運行，此時(shí)干式變壓器的短路阻抗ZK相應地稱(chēng)為穿越阻抗。當低壓分裂繞組的某一個(gè)分支對另一個(gè)分支運行時(shí)，通常稱(chēng)為分裂運行，此時(shí)干式變壓器的短路阻抗ZF相應地稱(chēng)為分裂阻抗。分裂運行并非實(shí)際的工程運行方式，僅為一種理論運行方式。在實(shí)際運行方式中，穿越運行時(shí)的容量可達到額定容量，此時(shí)負載損耗較大，因此在分裂式干式變壓器的技術(shù)條件中，通常會(huì )對穿越運行時(shí)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(fā)電廠(chǎng)的起動(dòng)/備用干式變壓器時(shí)，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(hù)常常會(huì )對干式變壓器的半穿越阻抗提出技術(shù)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(fēng)電場(chǎng)外送電能的升壓主干式變壓器時(shí)，穿越運行可能是其主要的運行方式，此時(shí)用戶(hù)應在招標技術(shù)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(shí)），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(shí)相差可逾15%，這意味著(zhù)在滿(mǎn)容量穿越運行時(shí)如果兩個(gè)低壓分支并聯(lián)，則兩個(gè)低壓分支之間的容量分配顯著(zhù)不平衡，其中一個(gè)分支將明顯過(guò)負荷；類(lèi)似于兩臺阻抗不匹配的干式變壓器并聯(lián)運行，兩個(gè)低壓分支之間將產(chǎn)生較大的環(huán)流，這是相當不利的。但這缺陷其實(shí)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(gè)低壓分支的額定容量通常設置為明顯超過(guò)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(gè)低壓分支的額定容量為31.5MVA，具備承受25%的過(guò)負荷能力）；其次，兩個(gè)低壓分支之間通常并不會(huì )處于并聯(lián)狀態(tài)，尤其當將之用作有載調壓升壓干式變壓器時(shí)，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(gè)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(chǎng)的內的不同機組，也可能是分別來(lái)自相距數公里的不同的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，這些風(fēng)電集電干式變壓器沒(méi)有必要高低壓側均并聯(lián)在一起，所以即使當用作風(fēng)電場(chǎng)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(gè)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(huì )有環(huán)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(yè)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(wèn)題的，因其高低壓線(xiàn)圈均為上下對稱(chēng)結構，故在任意分接的兩個(gè)半穿越阻抗值均相同；而且，由于輻向上線(xiàn)圈個(gè)數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(huán)節。目前的設計技術(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(guò)設計高壓線(xiàn)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(xiàn)圈本體所帶的6個(gè)分接段，顯著(zhù)降低分接區域的電抗高度，盡可能降低高、低壓線(xiàn)圈之間因安匝不平衡引起的橫向漏磁，從而顯著(zhù)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(xiàn)繞制多層并繞上下對稱(chēng)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(guò)熱的技術(shù)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(jīng)濟性。但受制于高壓線(xiàn)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(shí)，將使得高壓線(xiàn)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(shí)際例子計算說(shuō)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(jīng)進(jìn)行較多的研究，無(wú)論從理論及實(shí)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(gè)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(guān)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(guān)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(lái)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(lái)分析其正常運行狀態(tài)及某分支短路時(shí)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(shí)，根據三繞組干式變壓器的二次電壓變動(dòng)率的方程式，可以寫(xiě)出在正常狀態(tài)下低壓繞組兩個(gè)分裂分支的阻抗電壓降。#p#分頁(yè)標題#e#

；   （式3）

；   （式4）

式中：——低壓繞組的兩個(gè)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(gè)分裂分支的負載電流（A）；

——低壓繞組的兩個(gè)分裂分支的額定電流（A）；

——低壓繞組的兩個(gè)分裂分支的額定電流之和（A）；

  ——低壓繞組的兩個(gè)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(gè)分裂分支的電壓差：

。 （式5）

當低壓繞組的一個(gè)分裂分支短路時(shí)，根據等效電路圖圖4，可寫(xiě)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(shí)，則，，，根據式5，可以寫(xiě)出另一分支2的殘壓：

化簡(jiǎn)得： （式7）

作為發(fā)電廠(chǎng)的起動(dòng)/備用干式變壓器時(shí)，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(fēng)電場(chǎng)外送電能的升壓主干式變壓器，分裂式干式變壓器的兩個(gè)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(shí)，功率因數，。試計算在正常運行時(shí)各分支的阻抗壓降，以及當分支1短路時(shí)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(shuō)，穿越運行時(shí)兩個(gè)分支的負載電壓約為額定電壓的94.8%。

短路時(shí)，按照（式7）算出另一分支2的殘壓：

；

也就是說(shuō)，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(shí)的電壓94.8%僅下降了6.1%，對于帶有自動(dòng)調壓功能的有載調壓開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)完全可以通過(guò)調整分接頭變比來(lái)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(shí)，功率因數，。試計算在正常運行時(shí)各分支的阻抗壓降，以及當分支1短路時(shí)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(shuō)，穿越運行時(shí)兩個(gè)分支的負載電壓約為額定電壓的91.6%。

當分支1短路時(shí)，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(shí)的電壓91.6%升高了10.5%，對于帶有自動(dòng)調壓功能的有載調壓開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)仍然可以通過(guò)調整分接頭變比來(lái)維持正常電壓輸出。#p#分頁(yè)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(guò)有載調壓開(kāi)關(guān)正常調節的范圍內。由此可見(jiàn)，采用有載調壓分裂式干式變壓器作為風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電機組切除或局部短路引起的電壓波動(dòng)。

下面通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)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(jīng)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(shù)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