关于采用有载调压分裂式变压器作为风电场升压主变压器的可行性

电场升压主变压器的可行性分析

发布日期：2010-6-24 10:41:22 (阅124次)

所属频道: 风力发电 变压器 关键词: 变压器 风电场

1. 大规模风电并网的瓶颈与风电机组的低电压穿越能力

新能源开发和能源危机是当前能源领域两大热点问题。

从能源的源头来说，人们把传统化石能源比作“昨天的阳光”，而新能源则是“今天的阳光”，可见人们对新能源的热衷程度。目前来看，由于

太阳能发电成本较高，生物质能源有局限性，地热能、潮汐能又很有限，相比之下风电最受宠。

风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；

二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。

然而，风电是一种波动性、间歇性电源，大规模并网运行会对局部电网的稳定运行造成影响。目前，世界风电发达国家都在积极开展大规模风电并网的研究。随着近两年我国大型风电基地建设步伐逐步加快，如何解决大规模风电并网问题迫在眉睫。

近几年，我国风电发展速度惊人，风电装机容量以每年翻一番的势头迅猛增长。有关专家认为，中国拥有全球最大的风电市场，在短短的几年时间内，国内就诞生了数十家风电机组制造企业。

风电机组制造业一派繁荣景象的背后却隐藏着新的问题。一些风电机组生产商由于技术积累不足，投放到市场中的部分风电机组带有质量问题，给并网运行带来了严重的隐患。电力系统对电能质量的要求是非常严格的，必然要求电源运行性能达到相应的标准，更何况风电又是一种波动性、间歇性电源。如果风电不满足电力系统对电能的质量要求，将会给电力系统带来很大问题。

由于目前没有风电机组和风电场入网标准和检测标准，绝大部分风电机组的功率曲线、电能质量、有功和无功调节性能、低电压穿越能力等都没有经过有资质机构的检测。2009年吉林省电网连续发生40万千瓦风电机组同时切除的情况，其原因就是这些机组不具备低电压穿越能力。还有一些电气化铁路附近的风电场，由于抗干扰能力不强，在火车经过时经常发生机组切除现象。

低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就

要求风电机组具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。 风电机组应该具有低电压穿越能力：

a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力； b）风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行； c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

2. 低压绕组分裂式有载调压变压器的特性分析

风电场的一般的接线方式如下图图1所示；当前兆瓦级的风力发电机组的输出电压通常为690V,经过设置无励磁调压装置的风电集电变压器

将0.69kV升压为10.5kV或38.5kV，然后经输电线输送数公里后再通过单回路接线接至设置有有载调压分接开关的双圈升压变压器升压至220千伏

或110千伏送入超高压电网；该种接线方式及结构形式对风电机组的低电压穿越能力的要求如上节所述。

图1：风电场外送电能的一般的接线方式

基于当前的风电机组性能状况，其很难达到要求的低电压穿越能力，因此，就会发生上文所述的2009年吉林省电网连续发生40万千瓦风电

机组同时切除的情况，这也是制约风电大规模并网运行的主要因素之一。另外，风电集电变压器作为风电场的第一级升压变压器, 它的前一级风力

发电机组具有完善的自动保护装置，但风电集电变压器低压出线端和风机保护装置之间有一段电缆线路, 它有可能因外因作用而引起短路。风电集

电变压器高压出线端与220（110）千伏双圈升压变压器之间的较长距离输电线路也存在外部因素引起短路的可能性。因此，如果发生以上的短路情

况，对于单回路受电的普通的220（110）千伏双圈有载调压升压变压器来说，该变压器可能将被切除，则将引起局部的电压较大的波动，影响电网

的电能质量。

图2：风电场外送电能的改进的接线方式

综合考虑以上因素，笔者结合当前在国内许多电厂被广泛用作为起动/备用变压器的低压绕组分裂式有载调压变压器的运行特性及经济性，

推荐采用如图2所示的接线方式中的低压绕组分裂式有载调压升压变压器取代风电场外送电能的双圈有载调压升压变压器，因该种结构形式的变压

器优点突出，可以有效地提高风电场升压输电系统的整体低电压穿越能力，并能在从风电机组输出端开始的包括风电集电变压器及输电线路的前端

输电部分发生局部短路的故障情况下，仍然在高压端维持正常的电压输出。

二十一世纪以来，在我国的华东、华北、西南、西北等地区，许多新建的电厂为了节省基本建设投资，日渐趋向于采用低压绕组轴向分裂

式有载调压变压器作为起动/备用变压器。该种变压器的突出特点是：分裂绕组的两个分支可以独立运行且相互备用，也可以并联运行；而当某一分支发生短路故障时，另一非故障分支的负载仍可在接近90%的电压下维持运行；另外，该种变压器的半穿越短路阻抗较高（通常在16%-24%之间），可有效地限制短路电流。用该种变压器取代两台同电压等级总容量相同的有载调压变压器，可节约变压器设备成本10-20%；详细分析见下文所述。

220（110）千伏低压绕组分裂式有载调压变压器，目前有两种结构型式——低压绕组轴向分裂式和低压绕组辐向分裂式，参见图3。低压

绕组轴向分裂式变压器的线圈结构排列方式由铁心从里到外为：稳定绕组（倘有）→上下分裂多层并绕圆筒式低压绕组→本体带特殊纠结方式分接抽头的中部进线高压线圈；低压绕组辐向分裂式变压器的线圈结构类似于普通三圈变压器，其排列方式由铁心从里到外为：稳定绕组（倘有）→低压内侧绕组→高压调压绕组→端部进线高压线圈→低压外侧绕组。两种结构型式从理论上说都是可行的，电气性能有较大的差异。在同样的半穿越阻抗要求时，两者的分裂阻抗有很大差异，导致分裂系数迥异，前者的分裂系数（即分裂阻抗与穿越阻抗的比值）为3.5左右，而后者的分裂系数为4.5~5.5。

图3：低压绕组分裂式有载调压变压器的两种结构形式（仅示出单相）

当低压分裂绕组的某一个分支对高压绕组运行时(即低压绕组的仅某个分支带有负荷时)，通常称为半穿越运行，此时变压器的短路阻抗ZB

相应地称为半穿越阻抗。当高压绕组对低压分裂绕组的两个分支同时运行时(即低压绕组的两个分支均带有负荷时)，则称为穿越运行，此时变压器的短路阻抗ZK相应地称为穿越阻抗。当低压分裂绕组的某一个分支对另一个分支运行时，通常称为分裂运行，此时变压器的短路阻抗ZF相应地称为分裂阻抗。分裂运行并非实际的工程运行方式，仅为一种理论运行方式。在实际运行方式中，穿越运行时的容量可达到额定容量，此时负载损耗最大，因此在分裂式变压器的技术条件中，通常会对穿越运行时的负载损耗提出要求。当低压绕组分裂式有载调压变压器用作发电厂的起动/备用变压器时，半穿越运行是其主要运行方式。在一般的分裂式变压器招标文件中，用户常常会对变压器的半穿越阻抗提出技术要求。但当低压绕组分裂式有载调压变压器作为本文所推荐采用的风电场外送电能的升压主变压器时，穿越运行可能是其主要的运行方式，此时用户应在招标技术规范中规定的穿越阻抗的参数要求。

辐向分裂式有载调压变压器的主要缺陷是在运行特性上，当高压侧处于非额定分接（尤其是处于极限分接时），高压绕组-低压内侧绕组的

半穿越阻抗与高压绕组-低压外侧绕组的半穿越阻抗有明显的差异，两者在极限分接时相差可逾15%，这意味着在满容量穿越运行时如果两个低压分支并联，则两个低压分支之间的容量分配显著不平衡，其中一个分支将明显过负荷；类似于两台阻抗不匹配的变压器并联运行，两个低压分支之间将产生较大的环流，这是相当不利的。但这缺陷其实仅仅停留在理论上，因为首先对于分裂式变压器，其单个低压分支的额定容量通常设置为明

显超过高压额定容量的50%（如：某分裂式变压器额定容量为50MVA,则一般单个低压分支的额定容量为31.5MVA，具备承受25%的过负荷能力）；其次，两个低压分支之间通常并不会处于并联状态，尤其当将之用作风电场外送电能的有载调压升压变压器时，两部分风电集电变压器的高压输出端分别联接在分裂式变压器的两个低压端上，两部分风电集电变压器可能是属于同一大型风电场的内的不同机组，也可能是分别来自相距数公里的不同的两个风电场，这些风电集电变压器没有必要高低压侧均并联在一起，所以即使当用作风电场外送电能的有载调压升压变压器的辐向分裂式变压器的两个低压分支之间向上升压输送的电能容量有较大差异，低压分支之间不会有环流。辐向分裂式结构可以普遍应用在从31.5MVA到200MVA的大容量有载调压升压变压器上。

而对于低压绕组轴向分裂式有载调压变压器，则不存在上述问题的，因其高低压线圈均为上下对称结构，故在任意分接的两个半穿越阻抗值

均相同；而且，由于辐向上线圈个数及绝缘主间隙的减少而具有明显的成本优势，其制造成本较辐向分裂式结构要低10%以上；但轴向分裂式变压器的抗短路性能，是其相对薄弱环节。目前的设计技术及制造技术已经较好地解决了轴向分裂式变压器的抗短路性能缺陷。通过设计高压线圈上的特殊的纠结分接抽头方式，将±8×1.25%的高压分接段设置为高压线圈本体所带的6个分接段，显著降低分接区域的电抗高度，尽可能降低高、低压线圈之间因安匝不平衡引起的横向漏磁，从而显著提高轴向分裂式变压器的抗短路性能，另外辅之以采用自粘性换位导线绕制多层并绕上下对称结构的低压分裂绕组及设置油箱磁屏蔽结构以抑制油箱壁过热的技术措施，从而有效地保障了轴向分裂式有载调压变压器的可靠性和经济性。但受制于高压线圈的特殊的纠结分接抽头方式，当变压器额定容量大于75MVA时，将使得高压线圈纠结段制造工艺上变得困难，故低压绕组轴向分裂式有载调压变压器通常应用于容量75MVA及以下。

下面以实际例子计算说明的低压绕组分裂式有载调压变压器的电压运行特性。

图4：低压绕组分裂式变压器的星形等效电路

首先，我们可以将低压绕组分裂式变压器视作是三绕组变压器，其星形等效电路如图4所示。等效电路中各分支阻抗可根据下述分析确定。

对于低压绕组分裂式变压器，前人已经进行较多的研究，无论从理论及实测值分析，得出对于辐向分裂结构及轴向分裂结构均成立的描述

其各个阻抗之间关系的公式：

。 （式1）

上式即为“克拉易兹公式”，它直观地总结了轴向分裂变穿越阻抗、半穿越阻抗和分裂阻抗三者之间的数值关系。

考虑到分裂系数的定义：KF= ZF/ ZK，代入上式即得：

。 （式2）

当变压器分裂运行时，端子1和2之间的阻抗为分裂阻抗，所以：

；

当变压器半穿越运行时，端子1和3或端子2和3之间的阻抗为半穿越阻抗，所以：

；

当变压器穿越运行时，端子1与2联接后与端子3之间的阻抗为穿越阻抗，所以：

；

从以上验证计算来看，图4所示低压绕组分裂式变压器的星形等效电路图符合其阻抗特性。

下面根据以上等效电路图来分析其正常运行状态及某分支短路时的电压运行特性。

对于大型变压器，可以忽略变压器的负载损耗从而忽略电阻压降，近似地以电抗压降等同于阻抗压降。当高压绕组的电压为额定值时，根据

三绕组变压器的二次电压变动率的方程式，可以写出在正常状态下低压绕组两个分裂分支的阻抗电压降。

； （式3）

； （式4）

式中：——低压绕组的两个分裂分支的负载系数，即各分支负载电流与额定电流的比值；

——低压绕组的两个分裂分支的负载电流（A）；

——低压绕组的两个分裂分支的额定电流（A）；

——低压绕组的两个分裂分支的额定电流之和（A）；

——低压绕组的两个分裂分支的负载功率因数角；

——穿越阻抗电压百分数；

将以上两式相减，即可得出低压绕组的两个分裂分支的电压差：

。 （式5）

当低压绕组的一个分裂分支短路时，根据等效电路图图4，可写出该分支的短路电流倍数：

； （式6）

式中：——半穿越阻抗电压百分数。

当分裂分支1短路时，则，，，根据式5，可以写出另一分支2的残压：

化简得： （式7）

作为发电厂的起动/备用变压器时，220（110）千伏级分裂式变压器，通常穿越阻抗≤10，对于低压绕组轴向分裂结构其分裂系

数3.2≤≤3.8，对于低压绕组辐向分裂结构其分裂系数4.5≤≤5.5。而作为风电场外送电能的升压主变压器，分裂式变压器的两个低压分

支一般都有负荷，通常穿越阻抗将稍大，考虑≤14，分裂系数的数值范围不受影响。下面分别举例计算分裂式变压器的电压运行特性。

例1：今有一台220千伏三相低压绕组轴向分裂式变压器SFFZ10-63000/220，=10，穿越运行时，功

率因数电压。

，。试计算在正常运行时各分支的阻抗压降，以及当分支1短路时另一分支2的残余

解：按照（式3）和（式4）：

由功率因数，可算出；

阻抗压降

；

就是说，穿越运行时两个分支的负载电压约为额定电压的94.8%。

当分支1短路时，按照（式7）算出另一分支2的残压：

；

也就是说，非故障分支的二次负载电压的残余电压约为额定电压的88.7%，比正常运行时的电压94.8%仅下降了6.1%，对于带有自动调压功

能的有载调压开关来说完全可以通过调整分接头变比来维持正常电压。

例2：今有一台220千伏三相低压绕组辐向分裂式变压器SFFZ10-120000/220，=14，穿越运行时，功

率因数电压。

，。试计算在正常运行时各分支的阻抗压降，以及当分支1短路时另一分支2的残余

解：按照（式3）和（式4）：

由功率因数，可算出；

阻抗压降

；

就是说，穿越运行时两个分支的负载电压约为额定电压的91.6%。

当分支1短路时，按照（式7）算出另一分支2的残压：

；

从计算结果可以看出，非故障分支的二次负载电压的残余电压约为额定电压的102.1%，比正常运行时的电压91.6%升高了10.5%，对于带有

自动调压功能的有载调压开关来说仍然可以通过调整分接头变比来维持正常电压输出。

由以上算例可知：在某分裂分支短路的情况下，低压绕组辐向分裂式结构的非故障分支的残压特性是与低压绕组轴向分裂式结构相反的，前

者非故障分支的残压将升高，而后者则将降低，但皆在可以通过有载调压开关正常调节的范围内。由此可见，采用有载调压分裂式变压器作为风电场外送电能的升压主变压器，明显提升了输变电系统的整体的低电压穿越能力，避免由于局部风电机组切除或局部短路引起的电压波动。

下面通过举例来说明采用有载调压分裂式变压器取代常规双圈有载调压变压器而具有的明显的经济性。

兹对一台有载调压分裂式变压器SFFZ10-63000/220与两台双圈有载调压变压器SFZ10-31500/220其主要技术性能及材料成本作对比，基于

相同的总容量、电压、接法、阻抗、调压范围的前提下。

表：有载调压分裂式变压器与双圈有载调压变压器性能及材料成本对比

型号 单台 SFFZ10-63000/220 两台SFZ10-31500/220 参数 额定容量（kVA） 额定电压（kV） 联接组别 阻抗（%） 冷却方式 自冷噪音（dB） 负载损耗（kW） 空载损耗（kW） 硅钢片牌号 硅钢片重量（kg） 铜线重量（kg） 绝缘油重量（kg） 绝缘纸板重量（kg） 钢板重量（kg） 器身重量（kg） 总重量（kg） 有载调压开关 轴向分裂式有载调压变压器 63000/35000-35000 220±8×1.25%/10.5-10.5 YN d11-d11 穿越阻抗 10.5 自然油循环自冷/风冷 65 243.0 47.0 新日铁 30Z130 33350 10600 31500 1600 20000 53000 112000 1只：MⅢ350Y/123C-10193W 双圈有载调压变压器 2×31500=63000 220±8×1.25%/10.5 YN d11 10.5 自然油循环自冷/风冷 65 2×140=280 2×26=52 新日铁 30Z130 2×17900=35800 2×5300=10600 2×20500=41000 2×800=1600 2×10700=21400 2×26500=53000 2×64500=129000 2只：MⅢ350Y/123C-10193W 前者/后者 1.0 相同 相同 相同 相同 相同 0.88 0.90 相同 0.93 1.0 0.77 1.0 0.93 1.0 0.87 0.5 油箱内腔尺寸 1.95×3.39×5.63 宽×高×长（M） 单台：1.65×2.98×4.80 占有空间比 0.79 由上表可知，考虑到有载开关、套管及外部散热器等外部组件，采用有载调压分裂式变压器具有材料成本、损耗水平、重量、占有空间等全

方位的优势，可用于取代等总容量的两台双圈有载调压变压器。

3. 结论

通过上文的理论分析与计算示例，按照文中所示的风电场外送电能的改进的接线方式，采用低压绕组分裂式有载调压升压变压器取代常规

的双圈有载调压升压变压器作为风电场主变压器，可以有效地提高风电场升压输电系统的整体低电压穿越能力和抗短路能力，而且具有相当的经济性与节能效果，因此是完全可行的