基于熱點(diǎn)溫度仿真的光伏電站變壓器容量?jī)?yōu)化

聶黎，王禹

基于熱點(diǎn)溫度仿真的光伏電站變壓器容量?jī)?yōu)化

聶黎1，王禹2

（1.京能建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102300；2.國(guó)能龍?jiān)措娏夹g(shù)工程有限公司，北京 100142）

集中式光伏電站設(shè)計(jì)中，大部分主變壓器容量偏大。利用光伏系統(tǒng)小時(shí)發(fā)電量和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，通過對(duì)變壓器每小時(shí)的熱點(diǎn)溫度及其相對(duì)熱老化率的計(jì)算，精確仿真出變壓器的壽命損失過程。通過適當(dāng)減小變壓器容量，增加其峰值過載倍數(shù)，加快其老化速度，在不影響其設(shè)計(jì)使用壽命的前提下獲得變壓器的經(jīng)濟(jì)容量。仿真發(fā)現(xiàn)，由于變壓器空載時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其滿載時(shí)間，空載（或輕載）時(shí)的低老化率足以彌補(bǔ)其短時(shí)過載時(shí)的高速老化，適當(dāng)過載并不會(huì)對(duì)變壓器絕緣壽命造成實(shí)質(zhì)影響。熱點(diǎn)溫度過高帶來的變壓器過早損壞風(fēng)險(xiǎn)上升為主變壓器容量?jī)?yōu)化過程中的重點(diǎn)控制因素，是變壓器容量?jī)?yōu)化的限制條件。

光伏電站；變壓器；熱點(diǎn)溫度；相對(duì)熱老化率；絕緣壽命

在光伏電站建設(shè)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]中，僅規(guī)定變壓器容量可按光伏發(fā)電站的最大連續(xù)輸出容量進(jìn)行選取，并未明確變壓器容量的選擇計(jì)算方法。光伏電站的輸出容量并非像火力發(fā)電機(jī)組一樣連續(xù)可控，其輸出容量隨著光伏陣列采光面接收的輻照量變化而變化。主變壓器只有在日照條件好的季節(jié)（夏、秋）午間時(shí)段工作在額定容量上下，其余時(shí)間都工作在額定容量以下，多數(shù)時(shí)間處于空載運(yùn)行狀態(tài)。

調(diào)查近年幾個(gè)集中式光伏電站的主變壓器容量配置，如表1所示，發(fā)現(xiàn)大部分設(shè)計(jì)案例中主變壓器都存在1.1倍左右的最大過載。

按照1.1倍左右的最大過載能力來選擇變壓器已經(jīng)體現(xiàn)了利用變壓器過載能力的意圖，但各類設(shè)計(jì)文件及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中[2]并沒有論述或者驗(yàn)證這樣的過載是否會(huì)增加變壓器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)或者影響變壓器壽命。另一方面，還需確認(rèn)1.1倍過載倍數(shù)是否已充分利用了變壓器的過載能力，在保證光伏電站設(shè)計(jì)壽命25年的基礎(chǔ)上，是否還能進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)過載倍數(shù)，從而選擇更小容量的變壓器。

本文以地面集中式光伏發(fā)電工程實(shí)際為背景，提出了變壓器容量?jī)?yōu)化的精確仿真方法。此方法不僅可以為主變壓器容量的選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù)，且可作為主變壓器容量?jī)?yōu)化的通用手段，避免資源浪費(fèi)。

1 光伏發(fā)電特性

光伏發(fā)電的一大特點(diǎn)是日發(fā)電量不均勻，以表1中項(xiàng)目A為例，選取4個(gè)典型日（春分、夏至、秋分、冬至）分別進(jìn)行仿真，得到圖1。

表1 主變壓器容量配置案例

圖1 典型日主變壓器負(fù)載系數(shù)24 h變化圖

從圖1可知光伏發(fā)電的以下特點(diǎn)：

（1）光伏發(fā)電有著周期性運(yùn)行特性，其周期持續(xù)時(shí)間為24 h。

（2）只有在日照條件好的午間，變壓器負(fù)載系數(shù)才會(huì)短時(shí)（1～2 h）超過1.0，其他時(shí)段變壓器均欠載運(yùn)行。

（3）夏至日午間時(shí)段的發(fā)電量不及春分日、秋分日、冬至日。這是由于夏天環(huán)境溫度高，光伏組件本身溫度升高導(dǎo)致開路電壓下降幅度超過電流升高的幅度，造成輸出功率下降。

統(tǒng)計(jì)匯總項(xiàng)目A主變壓器全年每日最大負(fù)載系數(shù)，如圖2所示?？芍髯儔浩饔?08天的最大負(fù)載系數(shù)在0.9以下，僅56天的午間時(shí)段存在短時(shí)超負(fù)荷（負(fù)載系數(shù)＞1.0）運(yùn)行。

圖2 每日最大負(fù)載系數(shù)－年度曲線

2 變壓器負(fù)載特性

變壓器額定容量是指變壓器在正常條件下，能連續(xù)輸送的容量，此時(shí)其溫升不超過規(guī)定的溫升限值。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，空氣冷卻油浸變壓器的正常使用條件主要包括：

（1）海拔≤1000 m；

（2）冷卻設(shè)備入口處的冷卻空氣溫度：任何時(shí)刻≤40℃，最熱月平均≤30℃，年平均≤20℃。

對(duì)于絕緣系統(tǒng)溫度為105℃的固體絕緣，且絕緣液體為礦物油或燃點(diǎn)不大于300℃的合成液體的變壓器，其規(guī)定的溫升限值為：

（1）頂層絕緣液體≤60 K；

（2）繞組平均（電阻法測(cè)量）：①ON（Oil Nature，油自然對(duì)流冷卻）及OF（Oil Forced，強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻）方式≤65 K，②OD（Oil Directed，強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)冷卻）方式≤70 K；

（3）繞組熱點(diǎn)≤78 K。

變壓器正常預(yù)期壽命值通常是以設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度和額定運(yùn)行條件下的連續(xù)工況為基礎(chǔ)。油浸式電力變壓器的一般設(shè)計(jì)壽命為30年，在正常工況條件下，其使用壽命由變壓器絕緣老化程度決定。絕緣老化（或劣化）是溫度、含水量、含氧量和時(shí)間共同作用的結(jié)果。借助現(xiàn)今變壓器油保護(hù)系統(tǒng)的先進(jìn)性能，水分和氧氣對(duì)絕緣劣化的影響可以做到最小化，這使得絕緣材料溫度成為關(guān)鍵控制因素。當(dāng)溫度超過某一定值后，絕緣材料會(huì)很快老化損壞。變壓器的壽命在一定意義上可以說就是絕緣材料的壽命。由于大部分裝置中都存在溫度分布不均勻的特點(diǎn)，溫度最高的部分通常會(huì)發(fā)生最嚴(yán)重的絕緣劣化，因此老化研究通?？紤]由最高溫度（熱點(diǎn)）產(chǎn)生的老化效應(yīng)。

熱老化是一個(gè)累積的過程，只要相對(duì)熱老化率大于1的各周期中的老化值能被相對(duì)熱老化率小于1的老化值所補(bǔ)償，那么，這種周期性負(fù)載可以認(rèn)為與正常環(huán)境溫度下施加額定負(fù)載等效。這一原理可用于長(zhǎng)時(shí)間的周期性負(fù)載運(yùn)行中。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，有：

如果適當(dāng)減小主變壓器的容量，也就是增加其負(fù)載系數(shù)，并保證由此帶來的加速老化可由其他低載和空載時(shí)段的低相對(duì)老化率所補(bǔ)償，那么依然可確保變壓器預(yù)期壽命滿足要求。

負(fù)載超過銘牌額定容量會(huì)導(dǎo)致絕緣承受高于其額定值定義的基礎(chǔ)溫度。當(dāng)熱點(diǎn)溫度超過140℃時(shí)，可能產(chǎn)生氣泡，從而使變壓器的絕緣強(qiáng)度下降。為控制較高運(yùn)行溫度帶來的風(fēng)險(xiǎn)，變壓器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]中定義了四種不同的超額定值負(fù)載方案，其中也包括各方案對(duì)熱點(diǎn)溫度的限制，如表2所示。

表2 超銘牌額定值負(fù)載時(shí)溫度限值

計(jì)劃的正常周期性負(fù)載適用于特定的負(fù)載循環(huán)，變壓器熱點(diǎn)溫度在周期內(nèi)可短時(shí)達(dá)到120℃，熱點(diǎn)120℃的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)絕緣壽命損失確定。這種類型的負(fù)載的特點(diǎn)是定期、頻繁發(fā)生。

長(zhǎng)期急救負(fù)載是由于系統(tǒng)中其他設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間退出運(yùn)行，引起變壓器長(zhǎng)時(shí)間（可能持續(xù)幾個(gè)月）過載運(yùn)行。在變壓器壽命期內(nèi)，此類運(yùn)行狀態(tài)可能發(fā)生2～3次。

短期急救負(fù)載是由于系統(tǒng)中發(fā)生事故，導(dǎo)致變壓器需要承受暫態(tài)的嚴(yán)重過載。其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高于長(zhǎng)期急救負(fù)載，在變壓器壽命期內(nèi)，此類運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)控制在1～2次。

3 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，變壓器熱點(diǎn)溫度為環(huán)境溫度、油箱頂層油溫升、變壓器熱點(diǎn)溫度與油箱頂層油溫之間的溫差，三者之和。

首先計(jì)算油箱頂層油溫，如式（2）所示。

然后計(jì)算熱點(diǎn)溫度與油箱頂層油溫之間的溫度梯度（溫差），為：

當(dāng)溫度梯度增加時(shí)，采用式（4）；當(dāng)溫度梯度減小時(shí)，采用式（5）。

最終，變壓器熱點(diǎn)溫度為：

計(jì)算出熱點(diǎn)溫度后，可利用式（1）計(jì)算出熱點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)老化率。

進(jìn)而有：

或

式中：為一定時(shí)期內(nèi)的壽命損失；V為第個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)老化率，按式（1）計(jì)算；t為第個(gè)時(shí)間間隔的時(shí)間；為所考慮期間內(nèi)每個(gè)時(shí)間間隔的序數(shù)；為所考慮期間內(nèi)的時(shí)間間隔的總數(shù)。

連續(xù)變量采用式（7），離散變量采用式（8）。

利用光資源分析中每一小時(shí)的環(huán)境溫度、發(fā)電量，計(jì)算出每一小時(shí)變壓器熱點(diǎn)溫度及其對(duì)應(yīng)的壽命損失，隨后將每一小時(shí)的壽命損失進(jìn)行累加，即可得到一整年的變壓器絕緣壽命損失。

以表1項(xiàng)目A采用ONAN（Oil Nature Air Nature，油浸自冷）方式變壓器為例，通過編制計(jì)算程序仿真可知，全年頂層油溫最高值為77.8℃，繞組熱點(diǎn)溫度最高值為102.5℃，距離變壓器的溫升限值（頂層油溫105℃，繞組熱點(diǎn)120℃）還有很大差距，此時(shí)變壓器每年壽命損失僅為0.019年（非熱改性絕緣紙）。

可見，從絕緣壽命角度而言，表1項(xiàng)目A選取的變壓器容量過于保守，還可選擇更小容量的變壓器。通過計(jì)算程序仿真試算，當(dāng)項(xiàng)目A選擇40 MVA（此時(shí)變壓器最大過載倍數(shù)1.22）變壓器時(shí)，全年頂層油溫最高值為85.5℃，繞組熱點(diǎn)溫度最高值為116.2℃，變壓器每年壽命損失為0.064年（非熱改性絕緣紙），仿真結(jié)果如圖3、圖4所示?？芍?，1.22過載方案的變壓器絕緣壽命依然存在較大設(shè)計(jì)裕量。

4 不確定性分析

主變壓器的熱點(diǎn)溫度仿真存在以下不確定影響因素。

（1）氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。氣象數(shù)據(jù)中，輻照量直接影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，從而影響變壓器的負(fù)載系數(shù)和溫升。環(huán)境溫度是變壓器運(yùn)行溫升的基礎(chǔ)，直接影響變壓器熱點(diǎn)溫度的高低。大部分情況下，由于沒有項(xiàng)目站址的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，光資源分析中采用的氣象數(shù)據(jù)為多年（一般10年）計(jì)算合成數(shù)據(jù)。實(shí)際每年每日的輻照量和環(huán)境溫度必然和軟件仿真所采用的典型數(shù)據(jù)存在偏差。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，通常采用的Meteonorm典型氣象年數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)年總輻照量的偏差在5%以內(nèi)，而獨(dú)立月份的輻照量偏差較大，最高可達(dá)40%。

（2）光伏發(fā)電仿真軟件的準(zhǔn)確性。其直接導(dǎo)致仿真計(jì)算出的發(fā)電量和實(shí)際運(yùn)行發(fā)電量之間存在偏差，進(jìn)而影響變壓器負(fù)載系數(shù)和溫升的準(zhǔn)確性。某光資源軟件官方通過7個(gè)實(shí)證電站試驗(yàn)表明，在有完整、準(zhǔn)確的氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，軟件的仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相比，全年發(fā)電量平均偏差在2%～3%。

圖3 40 MVA容量變壓器熱點(diǎn)溫度最高一天的溫度變化曲線

圖4 40 MVA變壓器每日最高溫度－年度曲線

針對(duì)氣象數(shù)據(jù)和軟件的不確定性，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論[7]，假設(shè)光伏系統(tǒng)年發(fā)電量的分布遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即高斯正態(tài)分布，可在光伏發(fā)電仿真軟件中設(shè)定不同的置信區(qū)間。例如：P50表示有50%概率獲得不小于其對(duì)應(yīng)的發(fā)電量，P90表示有90%概率獲得不小于其對(duì)應(yīng)的發(fā)電量。以項(xiàng)目A為例，正常光資源分析報(bào)告中默認(rèn)年發(fā)電量為P50，76.972 MWh，年發(fā)電量不小于82.18 MWh的概率為4%，年發(fā)電量不小于83.916 MWh的概率為1%。

P50～P90統(tǒng)計(jì)估計(jì)值基于年度值，將P90或P1定義為小時(shí)值或日值（甚至月累計(jì)值）沒有意義。在晴朗且空氣潔凈的天氣條件下，系統(tǒng)的發(fā)電量完全相同，造成P1和P50發(fā)電量差異的原因是年度惡劣天氣條件的分布和頻率不同。換言之，P1發(fā)電量之所以高是由于其考慮的年度晴朗且空氣潔凈的天數(shù)較多，而非晴朗且空氣潔凈時(shí)小時(shí)發(fā)電量較高。

因此，年發(fā)電量的正偏差并不會(huì)顯著影響變壓器的最高熱點(diǎn)溫度。此類偏差很難利用數(shù)學(xué)模型仿真或推算其發(fā)生概率，但可以通過以下方法分析和規(guī)避其危險(xiǎn)：

（1）光伏組件功率衰減特性導(dǎo)致光伏系統(tǒng)發(fā)電量會(huì)越來越小，主變壓器繞組熱點(diǎn)溫度超過120℃的概率也會(huì)越來越低。

（2）繞組熱點(diǎn)溫度短時(shí)超過并不意味著一定會(huì)發(fā)生變壓器運(yùn)行危險(xiǎn)。對(duì)于周期性負(fù)載，IEEE[3]允許繞組熱點(diǎn)溫度處于120～130℃，IEC[4]和GB[1]選取120℃作為限值，偏于保守。

（3）假如存在某些極端氣象條件使變壓器超過典型氣象條件的運(yùn)行狀態(tài)，因變壓器壽命期間允許存在這種偶爾發(fā)生的運(yùn)行狀態(tài)，于是可將這種運(yùn)行狀態(tài)視為長(zhǎng)期急救負(fù)載或短期急救負(fù)載狀態(tài)（表2）。

（4）如今變壓器制造技術(shù)日趨成熟，大型變壓器一般都配備了熱點(diǎn)溫度傳感器，可以通過光伏發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器熱點(diǎn)溫度的閉環(huán)控制。當(dāng)極端氣象條件發(fā)生時(shí)，結(jié)合發(fā)電（光）功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如果變壓器熱點(diǎn)溫度達(dá)到（或?qū)⒁_(dá)到）限值，可限制光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率，從而控制變壓器過載系數(shù)使其熱點(diǎn)溫度不再上升[11]。

綜合以上分析可知，項(xiàng)目A如果按照峰值過載系數(shù)1.22選取變壓器容量，理論上不會(huì)造成運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和限電損失。如果追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，允許偶爾的限制發(fā)電損失，也可采用更高的過載系數(shù)。

5 結(jié)論

通過特定項(xiàng)目的仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）由于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)主變壓器空載時(shí)間長(zhǎng)，即使按照1.3倍過載系數(shù)選擇變壓器容量，也不會(huì)導(dǎo)致變壓器絕緣壽命損失超過其長(zhǎng)期額定負(fù)載的絕緣壽命損失。在主變壓器容量?jī)?yōu)化過程中應(yīng)更多地關(guān)注由于熱點(diǎn)溫度過高帶來的變壓器過早損壞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）大部分集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)主變壓器容量選擇偏保守，按照多個(gè)項(xiàng)目仿真的結(jié)論，ONAN變壓器按1.2倍過載系數(shù)選擇主變壓器容量依然能保證安全運(yùn)行。

（3）光資源分析軟件可提供精確到每小時(shí)的發(fā)電量和環(huán)境溫度，這為精確仿真變壓器運(yùn)行狀態(tài)提供了基礎(chǔ)條件，因此光伏發(fā)電設(shè)計(jì)中宜精確仿真以選擇最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的變壓器容量，避免浪費(fèi)。

（4）對(duì)于氣象條件的不確定性，變壓器短時(shí)溫度過高的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可通過光伏電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在某些情況下，變壓器容量的確定并非單純地按照技術(shù)要求，而可能有意選擇略小的變壓器容量，略微加快其使用壽命損耗，同時(shí)更快地收回投資。設(shè)計(jì)時(shí)建議進(jìn)行仿真計(jì)算，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)之間尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電力變壓器第7部分：油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則：GB/T1094. 7-2008[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]國(guó)家能源局. 光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：NB/T10128-2019[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2019.

[3]IEEE Power & Energy Society. IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators，IEEE Std C57. 91-2011[S]. IEEE：2012.

[4]International Electrotechnical Commission. Power transformers - Part 7：Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers，IEC 60076-7 Edition 2. 0 2018-01[S]. IEC：2018.

[5]王小楊，黃平祖，陳榮榮. 基于PVsyst與Meteonorm的太陽能資源評(píng)估結(jié)果分析[J]. 建筑電氣，2017（7）：36-40.

[6]蔣鴻飛. 基于PVsyst模擬仿真的光伏電站發(fā)電性能驗(yàn)證方法[J]. 科技視界，2019（20）：22-23.

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Optimization of Transformer Capacity in Photovoltaic Power Station by Hot Spot Temperature Simulation

NIE Li1，WANG Yu2

(1.Beijing Jingneng Construction Group Co., Ltd., Beijing 102300, China; 2.SP Long Yuan Power Technology & Engineering Co., Ltd., Beijing 100142, China)

In the design of centralized photovoltaic (PV) power station, most of the main transformers have oversized capacity. According to the characteristics of PV power generation system, using hourly data of generated power and ambient temperature, the life loss of the transformer can be obtained by the accurate simulation of hourly hot spot temperature and relative thermal aging rate. By appropriately reducing transformer capacity, increasing overload rate and accelerating aging speed in peak time, transformer economic capacity can be obtained without affecting its prospective service life. The simulation finds that since no-load time is much longer than full load running time, the low aging rate of no-load (or light load) will be enough to compensate the high-speed aging during short time overload, and appropriate overload during peak time will not impact transformer insulation life substantially. However, the risk of premature failure of transformer caused by high hot spot temperature becomes the key limiting factor in the optimization of transformer capacity.

photovoltaic power station；transformer；hot spot temperature；relative thermal aging rate；insulation life

TK514

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.007

1006-0316 (2022) 09-0042-07

2021-12-15

聶黎（1984－），男，江西九江人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制技術(shù)，E-mail：amnieli@163.com。