光伏发电系统专用隔离变压器

光伏发电系统专用隔离变压器上海英施丹电器设备制造有限公司《一》 光伏隔离变压器的作用(1) 电气隔离：隔离变压器初级和次级是靠磁路来传递能量，组件和电网电气隔离，可以阻止直流分量和漏电流进入电网，保护设备和电网。(2) 在抑制组件 PID 解决方案中， 逆变器后面接入隔离变压器， 再提升 N极对地的电位，间接提升组件负极对的电位，达到抑制组件 PID 的目的。(3) 匹配电压：有些国家的电网电压和我国不一样， 如美国是单相 110V， 三相 220V， 可以在逆变器后面加一个变压器，匹配接入国家的电压。(4) 消除三次谐波：采用采用 Dyn11 联结的变压器，在 D联结绕组中的三次谐波环流能够在变压器中产生三次谐波磁动势，它与低压绕组的三次谐波磁动势平衡抵消。(5) 电网适应能力更强：在一些有大型电动机或者电焊机的工厂，电网电压波动很大，谐波电流很大， 三相电压极不平衡， 常规的组串式逆这器往往力不从心， 隔离变压器一次侧与二次侧的电感可以防止电流突变， Dyn11 联结变压器允许中性线电流达到相电流的 75%以上，可以承受三相不平衡。《二》 光伏升压变压器的容量设计分布式光伏 余量上网， 有使用公共变压器和光伏专用变压器两种方案， ， 如果周边的负载都用不完，就必须通过变压器送到更高的电压等级上去，使用原公共的降压变压器上网，根据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》 4.3.1 要求：小型光伏电站总容量不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的 25%，有兴趣的朋友可以在关注“泓达光伏”微信公众号，这主要是从电网安全角度上来考虑的，受天气和环境影响，光伏输出功率不稳定，需要电网提供强大的平衡能量，而这些能量需要变压器原边和副边电磁交换来提供， 25%这个比例就是经过多次实验得出来的经验值。使用光伏专用变压器上网， 变压器没有别的负载， 主要考虑的因素就是逆变器的最大输出功率不能超过变压器的容量， 而逆变器最大输出功率和光伏组件的容量、 安装方位角和倾角， 以及天气条件， 逆变器安装场地等多种因素有关， 光伏逆变器最大输出功率一般是组件是 0.9 左右，变压器的功率因素一般在 0.9 左右，所以一般要求光伏组件和变压器按 1： 1配置，或者变压器容量稍大于组件容量。《三》 光伏隔离变压器之干式和油浸变压器工作地点干净、 无粉尘容量又不是很大， 就可以选择干式变压器， 否则就应该选择油浸变压器。油浸变压器根据容量的大小自然就会给你决定了是自然冷却还是风冷。干式变压器的特点①安全，防火，无污染，可直接运行于负荷中心 ; ②采用国内先进技术，机械强度高，抗短路能力强，局部放电小，热稳定性好，可靠性高，使用寿命长 ; ②低损耗，低噪音，节能效果明显，免维护 ; ③散热性能好，过负载能力强，强迫风冷时可提高容量运行 ; ④防潮性能好，适应高湿度和其他恶劣环境中运行 ; ⑥干式变压器可配备完善的温度检测和保护系统。 采用智能信号温控系统， 可自动检测和巡回显示三相绕组各自的工作温度， 可自动启动、 停止风机， 并有报警、 跳闸等功能设置 ; ⑦体积小，重量轻，占地空间少，安装费用低。从低噪、节能、防火、节省土建造价、运行维护管理费以及长达 30 年的寿命等综合技术经济性能比较，干式变压器显现出其明显的优越性。油浸式变压器的特点油浸式变压器的绕组是浸在变压器油中的， 绝缘介质就是油， 冷却方式有自冷、 风冷和强迫油循环冷却， 其优点是冷却效果好， 可以满足大容量， 瓦斯继电器可以及时反映出绕组的故障，保证系统的稳定运行， 不足之处是得经常巡视， 关注油位的变化， 缺了油是件很危险的事情，变压器油的作用是冷却和绝缘。《四》 如何降低变压器的空载损耗考虑光伏发电的特殊性， 即白天有太阳时发电， 晚上或者阴雨天不发电， 不论发电装置是否输出功率，只要变压器接入系统，变压器始终产生空载损耗。一台 1000kVA的变压器，如果白天工作 10 小时， 还有 14 小时不工作， 每天会产生 30-40 度的空载损耗， 一个月约有1000 度电，深圳市泓达光伏工程有限公司，发明一个专利技术，根据光照条件变化，早上有太阳时， 比逆变器稍超前自动启动变压器， 晚上无太阳时， 比逆变器稍滞后自动关闭变压器，可以把变压器的空载损耗降低 99%，同时可以提高变压器的寿命。光伏隔离变压器低压干式 1、产品概述： （ 1）该系列隔离变压器具有抗干扰、防火、防潮、安全可靠、节约电能及维护方便等优点。 （ 2）太阳能以其无污染、 无噪音、 分布广泛等优势越来越受到人们的关注。 目前大多数的光伏并网发电系统都含有隔离变压器， 无隔离变压器光伏发电系统存在着漏电电流问题。 2、产品特点： （ 1）我公司采用优质材料和先进的工艺技术，专业生产的 SG、 DG系列三相及单相干式隔离变压器，该系列变压器在电网中不仅具有变压功能， 还可隔离电网对设备的三次谐波， 保护机器产生的发热和绝缘材料的寿命减少。 特别适合进口设备使用 (270V 进→ 380V出、 315V进 - 输出 380V） 规格1KVA-1000KVA之间， 用于光伏逆变电源旁路。 （ 2） 由于光伏发电的特殊性，光伏并网系统大规模的投入势必会给电网的可靠性和稳定性带来隐患， 如： 谐波、闪变、直流偏磁、过电压等。因此，有必要研究合适的方案来解决上述问题。最好的方法是在电网和并网逆变器之间加入隔离变压器， 起隔离逆变器和电网的作用。 由于有了隔离变压器， 逆变器功率器件开关导致的电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效地隔离抑制。 从而不会对电网产生不良的影响。 3、隔离变压器的作用： 隔离变压器在单级式光伏并网逆变系统中非常重要， 其性能好坏不仅关系到变压器本身的效率、 发热等问题， 而且决定着整个变换器的技术性能， 甚至导致功率管的损坏和逆变失败。 此时， 隔离变压器变换电压已不再是隔离变压器的唯一功能， 它还有许多其他重要的作用。 （ 1）电气隔离：使用变压器来实现光伏电源与电网之间的电气隔离。 （ 2）阻止电流的直流分量注入电网：由于直流电不会导致磁通量的变化，因此光伏逆变系统的直流分量将不会通过隔离变压器流入电网。 （ 3）抗干扰的作用：一定联接方式的隔离变压器可以消除 3 次及 3 的整数倍次谐波，降低高次谐波、电压波动对电网的影响。 （ 4）稳定电压的作用：当系统发生故障时， 可以有效地抑制光伏逆变系统的谐振过电压和稳态过电压。 隔离变压器接线选择：（△ /Yn 与 Yn/△） （ 1）从谐波的角度选择：△ /Yn与 Yn/△两种解法都能够有效地减小进网电流的谐波含量。 （ 2） 从抑制直流分量的角度比较： △ /Yn 与 Yn/△2 种接法都能起到对直流分量的抑制作用，使其输出电流直流分量含量较低，但△ /Yn 接法略微优于 Yn/ △接法。 （ 3） △ /Yn 接法方式输出电压波形质量要好于采用 Yn/△的接法。从谐波总畸变率也可以说明△ /Yn 联接方式优于 Yn/△的联接方式。（ 4）综合以上比较△ /Yn 联接方式优于 Yn/△的联接方式，所以在光伏发电并网系统中，隔离变压器的联接方式选择△ /Yn 是最佳选择。 使用范围： 该系列隔离变压器广泛用于光伏发电、风能、 UPS不间断电源、 EPS消防应急电源、变频电源、逆变电源。 技术参数： 电压变动率：± 1% 输出波形失真：无失真（与输入波形比较） 绝缘等级： F 级、 H级（常规为 H级）耐温180° 工作效率： ≥ 98% 适用频率： 50/60Hz 联接方式： △ /Yn 过载能力：允许超过 1.5 倍额定负载工作 1 小时 （可长期满载） 噪 声： ≤ 35dB（一公尺内） 温 升：≤ 60℃ 绝缘电阻：≥ 150MΩ 抗电强度：3000VAC/1min 设计寿命： 20 年 工作环境：温度： -20 ～ +50℃湿度：≤ 95%RH不结露 工作场所：无腐蚀性气体及导电粉尘 安规标准：产品符合VDE0550， IEC439、 JB5555、 GB226等国际国家标准 冷却方式： 干式风冷 ■正常使用条件 1、局部放电量小，绝缘水平高，产品使用寿命长； 2、电压波形稳定、过载保护并机环流小； 3、过载能力强， 120%负载下可长期安全运行； 4、采用美国杜邦绝缘材料、耐压等级高，阻燃、防爆、无污染、防火等级高，整机可达 F 级或 H级。 ■备注 输入输出电压可根据客户需求定制。由于光伏发电的特殊性 , 光伏并网系统大规模的投入势必会给电网的可靠性和稳定性带来隐患 , 如 : 谐波、闪变、直流偏磁、过电压等。因此 , 有必要研究合适的方案来解决上述问题。一种简单有效的方法是在电网和并网逆变器之间加入英施丹隔离变压器 , 起隔离逆变器和电网的作用。英施丹三相隔离变压器常用的联接方式主要有星形 / 星形接线（ Y/Y）、星形 / 三角形接线（ Y/Δ ）、三角形 / 星形接线（ Δ /Y ） 3 种。采用不同联接方式的隔离变压器对抑制谐波、直流偏磁等问题， 在效果上存在一定的差异。 因此有必要对光伏并网系统中隔离变压器的联接方式进行深入研究， 确定一种较合适的工频变压器联接方式， 促进大容量光伏并网电站的发展。Δ /Y 联接方式，中采用的是 Y/Y 联接方式。基于上述背景，本文对隔离变压器的 3 种联接方式进行了应用研究，通过 Matlab 仿真与实验测试确定了一种较合适的工频变压器联接方式。 1 隔离变压器的作用隔离变压器在单级式光伏并网逆变系统中非常重要， 其性能好坏不仅关系到变压器本身的效率、 发热等问题， 而且决定着整个变换器的技术性能， 甚至导致功率管的损坏和逆变失败。 此时， 变换电压已不再是隔离变压器的唯一功能， 它还有许多其他重要的作用 [7-9] 。1）电气隔离：使用变压器来实现光伏电源与电网之间的电气隔离。 2）阻止电流的直流分量注入电网：由于直流电不会导致磁通量的变化，因此光伏逆变系统的直流分量将不会通过隔离变压器流入电网。 3）抗干扰作用：一定联接方式的变压器可以消除 3次及 3 的整数倍次谐波，降低高次谐波、电压波动对电网的影响。 4）稳定电压作用：当系统发生故障时， 可以有效地抑制光伏逆变系统的谐振过电压和稳态过电压。 2 隔离变压器联接方式的选择 2.1 谐振和过电压问题当电网侧的某条输电线路因故障或各种情况需要退出运行时， 一般会将供电电源线切除。 此后， 若光伏系统没有检测出异常情况并继续向线路供电， 则此时输电线路中仍存在电压， 可能会出现谐振和过电压问题。 图 1 为隔离变压器采用星形 / 三角形联接方式的光伏并网系统示意图，其中二次线圈采用三角形接法，没有接地系统。 当发生单相接地故障时， 图 1 中两非故障相的照明设备将承受线电压， 超过了照明设备的额定电压。 一般光伏系统的负荷比较小， 若继续向其他输电线路的用户供电， 将会引起非常严重的后继事故， 最终可能危及到光伏系统的安全运行。 此外， 输电线路中的残留电压也会对维修人员的生命安全造成威胁。 即使光伏系统的继电保护装置能够检测出异常状态， 电气设备亦会经历一个短暂的过电压状态。 通过上述分析可以得出： 如果隔离变压器的二次绕组采用非接地联接方式， 那么将会导致谐振过电压和稳态过电压， 危害电气设备及光伏系统等。因此，在选择隔离变压器的联接方式时，一定要确保电网侧绕组有效接地。 2.2 电网系统故障的检测问题光伏并网发电系统的输出端联接有隔离变压器时，变压器的联接方式对于电网异常状态的检测有一定的影响， 其联接方式的选择必须遵循利于故障检测这一原则。 否则， 当电网因故障或维修而停止供电时， 用户端的光伏并网发电系统若不能及时检测出停电状态而继续供电， 那么就会形成一个由光伏发电系统和周围负载组成的电网无法掌控的自给供电孤岛。 在各种故障类型中， 单相接地故障是最常见的， 其短路电流的大小与零序阻抗有关。 如果隔离变压器的二次电网侧没有接地源， 零序阻抗将会非常大， 将无法计算零序电流， 进而增大了光伏发电系统检测单相接地故障的难度， 致使一些电气设备承受过电压的危害面分析一下隔离变压器采用 Δ /Yn （ D， y11）联接方式，当电网系统发生单相接地短路故障时的电流分布情况。（ 2）因此，不管三相中的哪一相发生单相接地短路故障，映射到光伏发电系统侧总会有两个电流来表 85 征电网系统的这一故障。这样，过电流保护装置就能够可靠地检测出系统故障。 所以， 隔离变压器网侧绕组的可靠接地不仅能够抑制光伏发电系统的过电压问题， 而且还有利于光伏发电系统有效地检测出电网系统故障。 但是， 传统电力系统的低压配电网运行过程中中性点是不接地的， 所以在低压配电网并网的工频变压器网侧绕组应该根据电网调度的要求合理配置接地情况。2.3 系统谐波问题大量理论和实验研究表明， 基于传统线性整流的大功率电力电子器件和转换装置将产生大量的谐波。如果这些谐波注入到电网中，就会对电网造成污染，这是绝对允许的。因此，有必要采取措施抑制谐波。选择合理的隔离变压器联接方式可以达到降低 3 的整数倍次谐波的目的。在基波频率下，三相交流电，是彼此落后 120°的三个交流电势；三相交流电的三次谐波，是彼此落后 360°的三个交流电势，即同相位。这样当三相交流电路采用星形接法时，三次谐波在零线上相加；当三相交流电路采用三角形接法时，三次谐波在三角形闭合回路上相加形成环流而消耗在绕组内。故采用 Yn/ Δ 接法和 Δ /Yn 接法的工频变压器，在对三相交流电变压的同时，对三次谐波起到阻断能耗的作用，阻止其流入电网。综上所述，可以得出选择隔离变压器联接方式的 3 个基本原则： 1）能够减小进网电流的谐波含量；2）能够完成电网接地故障的检测； 3）确保电网侧绕组有效接地。3 仿真和实验研究在实际工程中，有些逆变器厂家采用 Yn/ Δ 接法，而有些厂家采用 Δ /Yn 接法，本文针对这 2 种情况进行了仿真和实验研究。3.1 仿真研究仿真系统参数如下：光伏电池模型最大额定输出功率 900 W，最大功率点电压为 306 V，开关频率为 9 600 Hz ，占空比为 0.65 ，三相全桥逆变器，三相隔离变压器变比为 120/380 ，额定功率为 1 500 W 。文中对隔离变压器 Yn/ Δ 接法和 Δ /Yn 接法进行了仿真研究，仿真结果如图 2 和图 3 所示。图 2 给出了 2 种联接方式下的隔离变压器输出进网电流波形图，图 3 给出了 2 种联接方式下的对应电流的 FFT 频谱分析图。通过比较以上 2 图，可以得出以下结论：1）从谐波的角度分析， 2 种接法都能够有效地减小进网电流的谐波含量，体现了联接方式选择原则的第一条原则，但 Δ /Yn 接法电流波形的 THD相对2）从抑制直流分量的角度分析， 2 种接法都能起到对直流分量的抑制作用，使其输出电流直流分量含量较低， Δ /Yn 接法略微优于 Yn/ Δ 接法。3.2 实验研究实验系统参数如下：直流母线电压为 300 V ，开关频率为 9 600 Hz ，占空比为 0.5 ，三相全桥逆变器，分别对 Y/Δ 接法和 Δ /Y 接法进行了实验研究，实验结果如图 4 和图 5 所示。图 4 为隔离变压器采用 Y/Δ 联接方式时，变压器输出电压及其 FFT 频谱分析图。图5 为隔离变压器采用 Δ /Y 联接方式时，变压器输出电压及其 FFT频谱分析图。通过比较图 4 和图 5，可以看出变压器采用 Δ /Y 联接方式输出的电压波形质量要好于采用 Y/ Δ 联接方式时的波形质量。从谐波总畸变率也可以说明Δ /Y 联接方式优于 Y/Δ 联接方式，变压器采用 Δ /Y 联接方式的 THD为 3.6%，采用 Y/ Δ 联接方式的 THD 为 4.1%。综上分析，实验结果与仿真结果一致，充分论证了 Δ /Yn 联接是一种相对较合适的联接方式。4 结论本文通过仿真与实验，研究了光伏并网系统中英施丹隔离变压器的联接方式对系统谐波、谐振及过电压、电网故障的检测等问题的影响，得到以下结论：1）英施丹隔离变压器能够有效起到电气隔离的作用。2）英施丹隔离变压器能够抑制系统谐波，减少对电网的影响。3）选择英施丹隔离变压器联接方式的 3 个基本原则：减小进网电流的谐波含量；利于电网接地故障的检测；确保电网侧绕组有效接地。