干式变压器在可再生能源中的应用！
用于可再生能源应用的干式变压器在未来世界上发电容量的增加将主要集中在太阳能光伏发电和风力发电。这些光伏隔离变压器和风力发电励磁变压器的特殊运行和性能要求有不同的设计和分析技术。本文件涵盖了这些设计要求。本文还简要介绍了智能电网发展的新情况以及这些变压器在智能电网中的应用！
引文作者:上海盖能电气市场部（专注干式变压器30年）电话：189 1886 3098（微信同号）
一：光伏发电和风力发电介绍
近几年来，可再生能源发展迅速，特别是分布式光伏发电和风力发电。光伏和风力发电不需要水，而且可以安装在土地不适合农业的地方。据估计，到2040年，至少有40%的发电来自可再生能源，这将大大减少目前约100亿吨的二氧化碳排放量一年。变压器行业正面临着这一挑战，并开发了用于DPV发电和风力发电的专用变压器，本文着重讨论了这些变压器的设计挑战。在未来，光伏隔离变压器和风力发电变压器的设计和建造将成为演进智能电网的一个组成部分，这一方面也将简要介绍。
二：分布式光伏发电用变压器
电能是利用光伏电池将太阳能转换成直流电而产生的。所产生的直流电由逆变器转换为交流电（AC），交流电由升压变压器连接至电网。适用于分布式光伏发电变压器的国际标准为IEEEC57.159 2016“分布式光伏发电用变压器的IEEE指南系统“目前，逆变器系统的额定功率和电压水平存在限制，因此一个或多个逆变器连接到相同数量的升压变压器。虽然最常见的配置是2到3秒，但目前也生产了6个二次绕组的干式隔离变压器。
逆变器制造商现在正在开发功率和电压更高的逆变器，这将在未来提高变压器的MVA额定值，减少所需的二次绕组数量。以下段落给出了逆变器供电工作用变压器的设计要求。
满足光伏变压器和风力变压器使用条件所需的特殊设计特点
A、 非对称负载和电压
逆变器电压和负载电流到变压器的三相可能不平衡。如果光伏隔离变压器和风力发电励磁变压器由一个以上的逆变器供电，则其中一个逆变器会失去作用，这会造成绕组负载不平衡。不平衡的电压和电流会产生过大的漏磁通、杂散损耗以及绕组和油箱过热，为了减小不平衡的影响，建议采用等分裂高压绕组数的垂直叠放松散耦合低压绕组。阻抗特性将根据逆变器系统和连接到变压器的逆变器数量来定义。
B、 绕组中存在直流电
这是一种可能的情况，直流电可以进入逆变器供电的绕组，从而增加磁芯磁化电流和浪涌电流峰值。
C.逆变器输出的波形
连接到一个变压器的2个或多个逆变器的波形可能不同步。这会导致波形和谐波的变化以及磁通的干扰。
D.低压绕组上的快速上升脉冲波形
逆变器产生对地脉冲输出，脉冲可以达到500伏/微秒的上升率（D V/dt）。低压绕组绝缘必须设计为在变压器的设计寿命内承受治疗后的上升电压。在低压和高压绕组之间设置静电屏蔽，以隔离高压绕组和快速上升的电压对低压的影响。屏蔽层作为一个附加的dv/dt滤波器，过滤脉冲逆变器输出的电压梯度。它还减少了从高压绕组到低压绕组的转换。
在此背景下，需要注意的是，逆变器不需要在干式变压器的一次绕组和二次绕组之间进行静电屏蔽。为了检验快速上升的暂态过程对低压绕组绝缘寿命的影响，可以对原型低压绕组绝缘进行加速老化试验。干式变压器绝缘和充液式变压器绝缘的效果是不同的。
E.干式变压器的损耗和效率
DPV变压器的设计空载损耗相对较低，因为变压器在没有发电时（即晚上）从系统中吸取励磁功率。在一定的负荷周期内，对效率进行优化，以获得运行的超额经济性。如果电力系统采用蓄电池系统等储能设施，干式变压器将连续带负荷运行，并在此基础上确定效率水平。
F.励磁涌流考虑
DPV变压器的低压绕组通常靠近铁芯，因此该绕组的空芯电抗较低。低压合闸涌流较大.
G.热设计
变压器冷却系统的设计应考虑以下现场环境温度变化的影响-负荷曲线-谐波的影响-无功负荷的影响（如有）
H.短路注意事项
变压器的绕组结构和短路位置直接影响短路的大小和分布。设计时必须考虑变压器各种短路条件的影响，包括变压器高压短路、变压器低压短路、变压器低压短路
I.高频开关瞬态
变压器高压侧由断路器控制，在几乎所有情况下，真空断路器（VCB）用于断路。VCB的预击穿和再击穿以及电缆的电容和变压器的导电性会产生快速上升的瞬变。这些瞬变会导致绝缘故障，需要进行详细的分析，以确保充分的绝缘设计。IEEE Std C57.142-2010–“描述“变压器、开关装置和系统相互作用引起的开关瞬变的发生和缓解”涉及这一主题。用真空断路器切换无负载变压器，会产生斩波过电压、多次重燃过电压和虚拟电流斩波过电压。
为保护变压器免受快速上升的瞬态影响而采用的一些方法包括：在变压器高压侧安装电涌放电器。然而，它不足以有效地保护变压器免受非常快的瞬变。变压器高压侧的RC缓冲器免受非常快的上升瞬变。电阻的典型值为25至50，电容器为0.15至0.35F。环形主单元上的插入电阻。这是一个昂贵的解决方案，因为RMU的设计需要修改。保护方法必须在施工中与RMU制造商一起设计和实施。
J.环境和气候要求
特殊安装/操作规程-逆变器连接到变压器的星形连接低压绕组，因此中性点保持浮动。中性点不得接地。将中性点隔离在变压器侧是一种安全的设计做法。静电屏蔽应仅具有单点接地。光伏系统发电不会产生碳排放。但是，如果DPV升压变压器使用矿物油，则不利于环境。现在使用的选项是，i.使用植物油的可生物降解充油变压器。无绝缘液的干式铸造树脂变压器。为满足环境和气候要求，这两种变压器的设计要求主要适用于生物降解充油变压器
与矿物油相比，可生物降解油的粘度较高，因此需要增加约15%的冷却表面才能获得相同的散热效果。[当按照ISO3104进行测量时，生物降解油在40℃下的粘度约为35平方毫米/秒，而矿物油的粘度为12平方毫米/秒]-使用该液体的变压器可以按照IEC 60076-14-2013“电力变压器第14部分-使用高温绝缘材料的液浸式电力变压器”进行设计，并且可以工作在上述常规限制的温度下，根据客户验收，所有外部部件（如水箱和散热器）的表面处理和腐蚀防护必须符合ISO 12944，C4适用于正常户外环境，C5-M适用于高度腐蚀性环境（如海岸），通常使用F级（155摄氏度）和H级（180摄氏度）干式铸造树脂变压器绝缘的离岸应用等。温升极限将取决于安装位置处的环境温度条件。干式变压器需要适当的入口保护。IP23D和P31是最常用的入口保护等级。通风要求和空气流量要求，如果安装在房间内，则必须进行计算，以确保绕组的温升在限制范围内。浇注树脂变压器必须满足气候要求，根据IEC 60076-11“电力变压器第11部分-干式变压器”的环境和耐火要求（C2E2F1或C2E3F1）。环氧浇注系统的设计应满足绕组材料（铜/铝）的热膨胀和收缩。这是通过改变填料负荷以适应相应金属膨胀的温度系数来实现的。
三。过去，风力涡轮机的变压器在各种应用中都使用风能。1887年，苏格兰安装了第一台风力发电机组，为电池充电。到19世纪初，有几台风力发电机。
风力涡轮机于1951年在英国安装。有一种趋势是使用66千伏的离岸，这需要66千伏的变压器。然而，为了提高风力发电的效率和可靠性，近年来风力发电机组的发展取得了长足的进步。所使用的风力发电机类型可分为以下几类：永磁同步发电机[这些是早期风力发电机]-励磁同步发电机-双馈感应发电机当今最常用的风力发电机是双馈感应发电机可变电压控制和100%滑动控制。风力发电机的功率由一个变压器升压，供电网使用。由于其应用性质，变压器的设计必须考虑以下段落中说明的要求；适用标准为IEC 60076-16“电力变压器-第16部分：风力涡轮机应用变压器”。第2节中讨论的大多数设计考虑适用于风力涡轮机的变压器。因此，本节讨论了第2.A节中未涉及的要求。变压器的负载循环由于风速的变化，变压器上的负载经常变化，可能包括突然变化甚至停机。载荷多次突变会引起绕组产生严重的机械应力。在充液变压器的情况下，这可能会产生油气泡。B.安装在塔内或机舱内的变压器温度校正必须评估安装在塔内或机舱内的变压器的气流和通风。根据要求，适当的降额是必要的。C.振动水平安装在机舱内的变压器将经历变化幅度的振动，并且必须计算对变压器有源部件和组件的影响。某些部件（如散热器）的共振可能性需要仔细评估和结构设计。需要特别注意可能松动或断裂的连接。
D、 湿度、盐度等暴露在湿度和盐度下，特别是当安装在沿海地区或离岸地区时，会导致通风外壳中的铸造树脂转台严重腐蚀并最终失效。在这种情况下，芯组件（包括夹持结构）必须采用合适的环氧涂层进行保护。必须避免暴露的线路或抽头端子。此外，外壳还需要对充油变压器4进行C5M表面处理和喷漆工艺。可再生能源变压器发展的新趋势由于可再生能源分布式发电系统的使用、大量非线性负载的使用、电动汽车的充电等原因，电网的复杂性正在迅速增加。同时，电网多功能化、智能化的需求也促使了智能电网概念的发展。电网迟早会发生巨大的变化，这是必然的，这就需要未来的智能变压器。可再生能源用变压器是不例外的，下一代可再生能源用变压器必须与智能电网的需求相结合。以下段落提供了有关这些变压器特性的简要信息。A.智能电网和客户的要求智能电网要求变压器具有一些独特的特性和功能，如电压暂降补偿当前配电变压器/系统无法校正电压水平确保客户终端电压恒定。未来的变压器应具有这一特性.-谐波隔离/滤波器，线性负载不会产生谐波，并且变压器应能够保持干净的输出波形.-除了稳定的交流输出之外，直流输出，未来的变压器将具有用于电动汽车充电和其他直流负载的共同直流输出-无功功率补偿
先进的配电自动化（ADA）-断电补偿变压器应从能源系统中获取电力并提供断电补偿-故障隔离变压器应将电网与负载侧的故障隔离，并在进线侧发生故障时将自身与电网隔离-电压平衡保护单相电源的三相电源-重量和尺寸减小-消除油/流体。智能变压器的设计特点本节给出了未来变压器的基本设计特点为了满足智能电网的要求，变压器必须采用电力电子技术实现固态。20世纪80年代，美国海军首次提出了“固态变压器”（SST）的概念，并在过去获得了多项SST专利。然而，美国电力研究所（EPRI）开创了SST应用的先河，称之为“通用智能变压器”，SST工作原理与传统变压器相同，但工作频率较高，以减轻重量和尺寸。输入电压通过电力电子变换器转换成高频交流电，并馈送到高频变压器的一次侧，以获得交流和/或直流输出电压
阶段1-交流-直流转换从电网输入的高压交流转换为高压直流。此阶段使用级联连接的IGBT。新的发展是使用基于SiC的转换器。阶段2-双有源桥在此阶段高压直流首先在相对较高的频率（通常为5 kHz至20 kHz）下转换为高压交流。交流电以相同的频率下降到低压交流电，然后再次转换为低压直流电。从这个阶段，一个直流端口被带到客户负载。第3阶段，低压直流被转换成低压交流供最终使用。整个系统是双向的，变压器的磁路是低损耗的纳米晶材料、非晶钢材料或铁氧体材料，高频损耗相对较低。导体材料为高绞合铜线，以减少涡流损耗。图4显示了在可再生能源集成和智能电网应用中使用SST的未来电网的基本要素
C、 智能电网变压器商业化的技术挑战可再生能源SST商业化需要解决几个技术问题和产品开发工作，如电力公司引入智能电网，这是一个缓慢的过程，现在由于投资限制和遗留问题。商业上可获得高压（如11千伏，13.2千伏等）IGBT orSiC组件，用于变频器逆变器应用。目前，高压电力电子电路的工作电压水平是通过级联来获得的。高压电力电子电路的浪涌/脉冲保护和系统故障保护。高频变压器铁芯的低损耗磁性材料的可用性。整个系统的效率需要提高。传统的变压器具有高效率（通常大于99%），其中由于SST的整体效率相当低，高频应用需要特殊的绕组材料。碳纳米管有望在未来提供低重量、低损耗的解决方案。5个。结论风能和太阳能将成为未来电力的主要来源。这将大大减少二氧化碳的排放。风能和太阳能DPV所需的变压器需要特殊的设计特点，以满足具有挑战性的运行条件。目前，该行业已经开发出不同类型的变压器。未来的挑战包括开发固态智能变压器，配备必要的功能，使之适合于集成正在衰退的智能电网。为了迎接未来的挑战，变压器行业必须开展协同发展工作。感谢作者感谢联邦变压器有限责任公司技术团队为本文件的编写提供的帮助
