低壓配電儲(chǔ)能變流系統(tǒng)變壓器集成濾波電抗特性分析

梁崇淦，易 斌，羅 敏，孟金嶺

(廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

0 引言

低壓配電系統(tǒng)與電力用戶的各類負(fù)載直接相連，其供電可靠性和電能質(zhì)量直接影響用戶的正常用電。對(duì)線路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造是電力公司關(guān)注的工作重點(diǎn)之一。在2016—2020年電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中，明確提出了升級(jí)改造配電網(wǎng)的要求，要切實(shí)解決配電網(wǎng)薄弱問題，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，提高供電可靠性及供電質(zhì)量，滿足廣大電力用戶的用電需求。在低壓配電臺(tái)區(qū)，普遍存在著用電峰谷差、三相不平衡、電壓跌落等問題[1-4]。電力用戶對(duì)電能的需求存在著不同時(shí)刻、不同季節(jié)、不同區(qū)域的明顯差別，用電高峰和用電低谷之間的差別日益加劇，不利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，調(diào)峰的需求越來越突出[5]。此外，電力用戶負(fù)荷量的不斷增長(zhǎng)，還給低壓配電臺(tái)區(qū)帶來了供電線路末端壓降大、配電變壓器重載或超載等問題[4, 6]，嚴(yán)重影響低壓配電用戶的正常用電。為提高低壓配電臺(tái)區(qū)的供電可靠性和電能質(zhì)量，通常采用配電臺(tái)區(qū)擴(kuò)建、配電變壓器增容、加裝無功補(bǔ)償裝置、加裝分布式電源等措施[4, 6-7]，然而這些方式所實(shí)現(xiàn)的功能往往比較單一。此外，低壓配電臺(tái)區(qū)還存在用戶間歇性用電高峰、節(jié)日性和季節(jié)性用電高峰等導(dǎo)致的階段性配電變壓器重載、過載等問題[8]，因此通過配電臺(tái)區(qū)升級(jí)擴(kuò)建、配電變壓器增容的方式往往有電網(wǎng)建設(shè)成本高、電力設(shè)備利用率低等問題，而且這樣也不能解決減小用電負(fù)荷峰谷差、提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等現(xiàn)實(shí)難題。

作為一種新興的技術(shù)手段，儲(chǔ)能技術(shù)可在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)發(fā)揮不同的作用[5]，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。儲(chǔ)能裝置能有效協(xié)調(diào)發(fā)電側(cè)與配電或用電側(cè)的需求，將電網(wǎng)中的能量轉(zhuǎn)化成適于在一定時(shí)間內(nèi)保存的形式，而后則將所存儲(chǔ)的能量返還電網(wǎng)，并轉(zhuǎn)化成電力用戶所需要的形式[9]。儲(chǔ)能技術(shù)具有減少一次能源使用量、確保電網(wǎng)發(fā)揮最優(yōu)發(fā)電能力、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、降低供電成本、提高電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力、提供能量供應(yīng)和保障、提高供電可靠性和電能質(zhì)量等突出優(yōu)勢(shì)[5, 9-15]。對(duì)于上述低壓配電臺(tái)區(qū)所存在的問題，儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效延緩或減少配電設(shè)備擴(kuò)容和建設(shè)、提供有功和無功功率支撐、提高供電可靠性和電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷“削峰填谷”等[16]。對(duì)于低壓配電網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)宜采用模塊化、小型化的分布式安裝方式，一方面是由于低壓配電網(wǎng)線路復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)龐大、臺(tái)區(qū)分散，另一方面也是由于安裝場(chǎng)地受限所致。

在低壓配電臺(tái)區(qū)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能變流系統(tǒng)需要通過隔離變壓器與低壓配電線路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，變流器的交流輸出側(cè)也需要安裝濾波器以降低變流器諧波對(duì)配電網(wǎng)的影響。應(yīng)用于配網(wǎng)用戶側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，因其分布式、模塊化、小型化的趨勢(shì)和要求，往往集成化程度比較高，儲(chǔ)能變流系統(tǒng)通常制造成柜式。變流柜中往往集成了功率變換單元、控制系統(tǒng)、斷路器、隔離變壓器、無源濾波器等裝置，因此柜中部件布置非常緊湊，需要對(duì)散熱要求和設(shè)計(jì)進(jìn)行充分考慮。由于儲(chǔ)能變流器柜中設(shè)備空間嚴(yán)格受限，與線性度好、體積較大的空心濾波電抗器相比，鐵心電抗器的尺寸相對(duì)較小[17]，因此分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)往往采用鐵心電抗器作為濾波電抗器。由于鐵心的磁飽和特性，其電感值具有非線性的特征，影響其所組成濾波器的濾波效果，且由于鐵心的磁致伸縮效應(yīng)，其運(yùn)行噪音也較大[18-20]。在實(shí)際運(yùn)行中還發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)能變流器柜相對(duì)封閉，鐵心電抗器的溫升很大，運(yùn)行時(shí)其鐵心實(shí)測(cè)溫度很高，電能損耗非常大。針對(duì)設(shè)備空間嚴(yán)格受限的儲(chǔ)能變流系統(tǒng)，且為克服空心電抗器尺寸大以及鐵心電抗器磁飽和效應(yīng)、電感非線性、運(yùn)行噪音大、溫升高、電能損耗大等技術(shù)難題，本文提出一種線性濾波電抗繞組集成于儲(chǔ)能變流系統(tǒng)隔離變壓器的技術(shù)方案，通過理論分析、仿真驗(yàn)證和原理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，對(duì)變壓器集成濾波電抗繞組的電磁解耦和電感線性等特性進(jìn)行研究，從而對(duì)所提出技術(shù)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低壓配電儲(chǔ)能變流系統(tǒng)隔離變壓器集成濾波電抗方案

圖1 低壓配電儲(chǔ)能變流系統(tǒng)隔離變壓器集成濾波電抗方案圖Fig.1 Scheme of isolation transformer integrated filtering inductor in energy storage power conversion system for low-voltage distribution networks

圖2 集成濾波電抗繞組的隔離變壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of isolation transformer with integrated filtering inductor winding

采用隔離變壓器集成濾波電抗方案的低壓配電儲(chǔ)能變流系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電化學(xué)儲(chǔ)能電池組、直流側(cè)電容、AC/DC變換電路、隔離變壓器及交流輸出側(cè)濾波器等組成。AC/DC變換電路采用三相全橋全控變流電路，其直流側(cè)接入直流電容和儲(chǔ)能電池組。AC/DC電路交流側(cè)的每一相經(jīng)LC濾波器后與隔離變壓器相連接，隔離變壓器的另一側(cè)則接入低壓配電線路。為降低儲(chǔ)能變流設(shè)備的總體積，提高系統(tǒng)裝置的集成度，將濾波電抗器繞組集成于隔離變壓器，所述集成濾波電抗的變壓器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。集成濾波電抗繞組由兩段子繞組構(gòu)成，這兩段子繞組采用匝數(shù)相等、繞向相反的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，且它們的繞組高度、內(nèi)外徑分別相同，呈上下豎直的布置方式。采用這樣的特殊繞制結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)集成電抗繞組與繞制在同一磁心上的變壓器繞組之間的電磁解耦，從而使它們?cè)谡＿\(yùn)行中互不影響，從而保證集成電抗繞組的獨(dú)立性。相關(guān)解耦原理分析如圖3所示。

圖3 集成濾波電抗繞組的解耦特性分析Fig.3 Decoupling characteristic analysis of integrated filtering-inductor winding

如圖3所示，集成濾波電抗繞組與變壓器繞組(圖中僅表示出其中一個(gè)變壓器繞組)共同繞制在同一個(gè)變壓器鐵心上，其中集成電抗繞組由匝數(shù)相等、反向串聯(lián)的兩段子繞組a和b組成。由于集成電抗繞組由子繞組a和b串聯(lián)而成，因此其在鐵心中產(chǎn)生的主磁通為兩段子繞組分別在鐵心中產(chǎn)生的主磁通之和，即有

(1)

由電磁場(chǎng)理論可得下述磁路表達(dá)式：

(2)

由于子繞組a和b是等匝反串在同一鐵心上的，即有

(3)

將式(3)代入式(2),可得

(4)

因此，將式(4)代入式(1),得

(5)

即由所述特殊結(jié)構(gòu)的子繞組a和b組成的集成電抗繞組在鐵心中產(chǎn)生的主磁通為0。

由此可見，在圖3所示的變壓器鐵心中，集成電抗繞組產(chǎn)生的主磁通為0，因而不會(huì)與變壓器繞組在該鐵心中產(chǎn)生的主磁通實(shí)現(xiàn)磁交鏈。由于不能形成有效的磁交鏈，因此集成電抗繞組和變壓器繞組之間就不能通過電磁感應(yīng)效應(yīng)而相互影響，體現(xiàn)出了集成電抗繞組所具有的電磁解耦特性。因此，即使與變壓器繞組共同繞制在同一鐵心上，集成電抗繞組依然能保持其獨(dú)立性。由于集成電抗繞組在鐵心中產(chǎn)生的主磁通為0，因此其電感值完全由其漏磁場(chǎng)所決定，因而其集成電抗繞組具有良好電感線性度?；诮诲e(cuò)式繞組漏電感計(jì)算的磁場(chǎng)能量法，可根據(jù)集成濾波電抗繞組的排布及參數(shù)對(duì)其電感值進(jìn)行計(jì)算[21-22]。

2 基于Maxwell的有限元仿真分析

為驗(yàn)證變壓器集成濾波電抗的電磁特性理論分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)集成電抗繞組的三相三繞組變壓器原理樣機(jī)，其額定電氣參數(shù)設(shè)計(jì)值如表1所列。值得說明的是，在該設(shè)計(jì)方案中，每相鐵心上有兩個(gè)集成濾波電抗繞組，這兩個(gè)集成電抗繞組可分別單獨(dú)使用，也可通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合使用，以形成不同的電感值，從而可與不同的電容器組成多種濾波參數(shù)不同的無源濾波器，以提高該原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中的重復(fù)利用性。

表1 集成濾波電抗繞組的變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Designed parameters of transformer with integrated filtering inductor windings

根據(jù)表1所示變壓器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贏NSYS/Maxwell中建立了該變壓器的3維有限元仿真模型，如圖4所示。

圖4 集成濾波電抗繞組的變壓器3維有限元仿真模型Fig.4 Three-dimensional finite-element simulation model of transformer with integrated filtering inductor windings

在靜磁場(chǎng)運(yùn)算模式下對(duì)集成濾波電抗的變壓器模型進(jìn)行仿真，可獲得該變壓器所有繞組的電感矩陣M及對(duì)應(yīng)的磁耦合系數(shù)矩陣K：

從磁耦合系數(shù)矩陣可看出，與變壓器本體各繞組之間接近1的強(qiáng)磁耦合相比，集成電抗繞組與各變壓器繞組之間的磁耦合系數(shù)均小于0.015，而兩個(gè)集成電抗繞組之間的磁耦合則小于0.048。由此可見，集成電抗繞組與在同一變壓器鐵心上繞制的其他繞組之間僅有非常弱的磁耦合關(guān)系，因此其呈現(xiàn)出良好的電磁解耦特性，驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外從電感矩陣中也能看出，兩個(gè)集成濾波電抗繞組的電感值均約為0.41 mH。

3 原理樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，研制了一臺(tái)額定容量為30 kV·A的原理樣機(jī)，如圖5所示，其相關(guān)的電氣參數(shù)如表2所列，并對(duì)其相關(guān)的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 集成濾波電抗變壓器原理樣機(jī)圖Fig.5 A picture of transformer prototype with integrated filtering inductors

額定容量/(kV·A)電壓等級(jí)/V短路阻抗/%短路損耗/W空載電流/%空載損耗/W30400/100/100Z12=7.83Z'13=4.57Z'23=3.555800.7988

為驗(yàn)證集成電抗繞組的解耦特性，對(duì)該繞組與同一變壓器鐵心上的其他繞組進(jìn)行磁耦合系數(shù)測(cè)定。兩個(gè)繞組間的磁耦合測(cè)定方法示意圖如圖6所示，忽略繞組損耗，可得下列表達(dá)式：

(8)

圖6 兩個(gè)繞組間的磁耦合測(cè)定方法示意圖Fig.6 A schematic illustrating magnetic coupling evaluation between two windings

1) 繞組1兩端施壓，繞組2開路。此時(shí)繞組2中電流為0，代入式(8)可得

(9)

那么，開路繞組的感應(yīng)電壓與施壓繞組的電壓之比為

(10)

2)繞組2兩端施壓，繞組1開路。此時(shí)繞組1中電流為0，代入式(8)可得

(11)

那么，開路繞組的感應(yīng)電壓與施壓繞組的電壓之比為

(12)

聯(lián)合式(10)和(12)，可得磁耦合系數(shù)k計(jì)算式為

(13)

根據(jù)上述磁耦合系數(shù)的測(cè)試方法，對(duì)集成濾波電抗繞組的變壓器原理樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其A相繞組的實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所列。

表3 集成濾波電抗繞組的變壓器樣機(jī)A相各繞組間的磁耦合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Measured magnetic coupling data related to Phase A windings of transformer prototype with integrated filtering inductors

根據(jù)表3所示的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出集成濾波電抗變壓器樣機(jī)A相各繞組之間的磁耦合系數(shù)，以矩陣的形式表示為

(14)

分析式(14)可知，變壓器繞組之間的磁耦合系數(shù)幾乎為1，說明了變壓器繞組間呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的磁耦合特性。與此形成鮮明對(duì)比的是，繞制在同一變壓器鐵心上的集成電抗繞組與變壓器繞組之間的磁耦合系數(shù)不足0.006，兩個(gè)集成電抗之間的則不足0.032，呈現(xiàn)出非常弱的磁耦合特性。因此證明了集成電抗繞組具有優(yōu)越的磁解耦特性，這與第2節(jié)的有限元仿真分析所得結(jié)論相同。

為驗(yàn)證變壓器集成濾波電抗繞組的電感線性度，對(duì)該繞組的伏安特性進(jìn)行測(cè)定。如圖7所示，集成電抗繞組的伏安特性呈現(xiàn)為一直線，從而說明了其電感值具有很好的線性度，具有與空心電抗器類似的線性電感特性，可很好地滿足濾波要求。

圖7 集成濾波電抗的伏安特性曲線Fig.7 V-I curves of integrated filtering inductors

4 結(jié)論

隨著電力用戶負(fù)荷量的不斷增長(zhǎng)，低壓配電臺(tái)區(qū)存在的用電峰谷差、三相不平衡、配電變壓器過載、電壓越限等問題越來越突出。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于低壓配電臺(tái)區(qū)，具有能有效延緩或減少配電設(shè)備擴(kuò)容和建設(shè)、提供有功和無功功率支撐、提高供電可靠性和電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷“削峰填谷”等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)在低壓配電網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的前景非常廣闊。適用于低壓配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，宜采用分布式、模塊化、小型化的配置方式，因此具有集成度高、設(shè)備布置緊湊、散熱要求高等特點(diǎn)。在低壓配電儲(chǔ)能變流系統(tǒng)中，往往采用尺寸相對(duì)較小的鐵心電抗器作為輸出側(cè)的濾波電抗器；然而鐵心電抗器存在鐵心磁飽和、電感非線性、運(yùn)行噪音大、溫升高、電能損耗大等缺點(diǎn)。針對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文提出了一種線性濾波電抗集成于隔離變壓器的技術(shù)方案。本文通過電磁場(chǎng)理論分析、有限元仿真分析和原理樣機(jī)試驗(yàn)等方式對(duì)所提出技術(shù)方案的可行性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，線性濾波電抗繞組具有良好的電磁解耦性和電感線性度，同時(shí)也驗(yàn)證了理論分析和仿真分析的結(jié)果。