非晶合金变压器在光伏并网发电系统中的应用效益分析

摘要：在光伏并网发电系统中，升压变压器作为关键设备之一，其运行时自身损耗不可避免。如何优化选型，降低变压器自身损耗，提高变压器的效率，是提高光伏发电系统效率的因素之一。本文通过对低空载损耗型的非晶合金变压器与传统的硅钢片铁芯变压器的损耗进行对比分析，同时考虑初始投资成本，建立了模型，对非晶合金变压器在光伏并网发电系统中应用的经济效益进行了分析。

关键词：一次能源光伏发电系统非晶合金变压器空载损耗

1引言

目前，大型光伏并网发电系统在各地兴起，优化设计、提高光伏系统的效率、降低运营成本是关系到光伏电站能否盈利的重要因素。其中降低光伏发电系统设备自身损耗是提高发电效率的方法之一。本文重点研究了光伏发电系统中升压变压器损耗问题，并通过非晶合金变压器与传统变压器对比分析，得出了非晶合金变压器效益分析模型，并进行计算举例。

2变压器损耗

电力变压器作为电力系统电压变换的主要设备，变压器在变换电压及传递功率的过程中，自身将会产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器的有功功率和无功功率损耗又与变压器的技术特性参数有关，同时又随着负载的变化而产生非线性的变化。

2.1变压器等值电路

在电力系统计算中，双绕组变压器的近似等值电路常将励磁支路移至电源侧。如图1所示，在这个等值电路中，一般将变压器二次绕组的电阻和漏抗折算至一次侧并和一次绕组的电阻和漏抗合并，用等值阻抗T T R jX +表示，励磁支路的等值阻抗用T T G jB -表示。图中所有参数都是折算到一次侧值。

图1双绕组变压器等值电路

变压器的电气参数一般是指其等值电路中的电阻T R 、电抗T X 、电导T G 和电纳T B 。其物理意义分别是：

电阻T R ：反映变压器原、副方绕组的损耗；

电抗T X ：表征变压器漏磁功率；

电导T G ：用来反映变压器铁芯损耗；

电纳T B ：代表变压器励磁功率。

从上述参数的物理意义可知，电阻T R 和电导T G 主要表征了变压器的有功损耗。

2.2变压器有功损耗

变压器的有功损耗主要有空载损耗和负载损耗。

2.2.1空载损耗

当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率和额定电压时，一次绕组中流空载电流，空载电流分为有功分量和无功分量。无功分量用于励磁，以平衡铁心磁压降。由于二次绕组开路，所以有功分量产生的损耗包括铁心损耗和一次绕组的电阻损耗，其中铁心损耗占绝大部分，所以可近似认为空载损耗即为铁心损耗。空载损耗可由式(2-1)求得：

23010N T P U G =´(2-1)

式中：0P —空载损耗，单位kW ；

N U —变压器定额电压，单位kV ；

T G —电导，单位S 。

由式(2-1)可知，变压器空载损耗与铁心材料有关。对于一台成型的变压器，只要其一次侧施加额定电压，无论二次侧是空载运行还是负载运行，变压器的空载损耗不变。

2.2.2负载损耗

负载损耗是指一对绕组中一个绕组短接，另一个绕组流过额定电流，在额定频率和参考温度下所吸取的有功功率(其它绕组开路)，它等于绕组的电阻损耗与附加损耗之和。附加损耗包括绕组的涡流损耗、导线有并绕时的环流损耗、结构损耗等，其中电阻损耗也称铜耗。工程计算中，可以将附加损耗忽略，认为负载损耗即为绕组的电阻损耗。当变压器满负载运行时，其负载损耗可由式(2-2)求得：

23k N T P I R =(2-2)

式中，k P —变压器满负载运行时负载损耗，单位kW ；

N I —额定电流，单位kA ；

T R —绕组电阻(归算到同一侧，并根据参考温度进行折算)，单位W 。

由式(2-2)知，负载损耗与通过绕组的电流有关，即与负载大小有关，所以变压器的负载损耗在运行过程中随负载变化而变化。任一负载下，变压器的负载损耗可由式(2-3)求得：

2()k k

P t P b =(2-3)

式中，()k P t —t 时刻变压器负载损耗；N I I b =—负载系数，其中I 为二次侧电流，N I 表示二次侧额定电流。

3光伏并网发电系统中变压器损耗

光伏并网发电系统中，升压变压器主要起的作用是将光伏并网逆变器输出的交流电升压至与电网同电压等级，一般采用“逆变器—变压器”单元接线的形式。由于光伏发电系统受日照影响，逆变器的输出功率不恒定，随着日照资源变化而变化。所以，光伏发电系统中的升压变压器负载波动较大，而当夜间时，光伏组件无功率输出，逆变器待机，变压器可以近似认为空载运行。

因此，讨论变压器损耗时可分为发电运行损耗和空载运行损耗。

3.1发电运行损耗

白天时，变压器处于发电运行状态，其自身损耗主要有空载损耗和负载损耗。可由式(3-1)表示。

20=k P P P b +白(3-1)

式中，P 白—变压器发电运行损耗。

变压器发电运行时，逆变器相当于变压器的电源，变压器消耗光伏发电系统所发的电，逆变器输出功率一部分由变压器损耗，一部分注入电网。

3.2空载运行损耗

夜间时，变压器处于空载运行状态，变压器负载近似为零，b 为零，故无负载损耗，全部为空载损耗，可由式(3-2)表示。

=P P 夜(3-2)

式中，P 夜—变压器夜间损耗。变压器夜间空载运行时，电网相当于变压器的电源，变压器吸收电网功率，且保持不变。

4非晶合金变压器应用效益分析

4.1非晶合金变压器特点

非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗下降70%~80%，特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地方。

由式(3-2)知，在光伏并网发电系统中，升压变压器的夜间损耗主要是空载损耗，对于选用非晶合金变压器可以大大减少变压器损耗，但是目前，非晶合金变压器的价格与传统变压器相比约高30%，因此从经济上考虑，需综合分析变压器初始投资成本与其节能效益，才能对确定非晶合金变压器应用于光伏并网发电系统中是否有良好的经济效益。

4.2对比分析

可以通过与硅钢片铁心变压器进行对比，分析非晶合金变压器经济效益。如表1所示，选取额定参数相同的硅钢铁心变压器和非晶合金变压器进行对比。

表1变压器参数对比

硅钢片铁心干式变压器

非晶合金干式变压器型号

SCB10SCBRH15额定容量/kVA

10001000额定电压/kV

10.5/0.410.5/0.4额定电流/kA

55/1443.455/1443.4空载损耗/W

1612540负载损耗/W 81808130

以1MW 光伏并网发电系统为例，配置一台容量为1000kV A 的变压器。

1.变压器发电运行(白天)

设两种变压器发电运行损耗分别为1P 白、2P 白(下标号为1的表示硅钢片铁心变

压器，2的表示非晶合金变器，下同。)，则由式(2-1)得：

211011222022==k

k

P P P P P P b b ++白白由式(2-1)知，非晶合金变压器的空载损耗低反映在电气参数上就是电导T G 小，而其它的电气参数并未改进。所以，可以认为在同种运行工况下两种变压器的负载损耗、无功损耗相同，惟有空载损耗不同。即有：12=k k P P ，12=b b ，所以有两种变压器损耗差值：

121020

P P P P P D =-=-白白白(4-1)

损耗电量(即光伏系统发电量)差值：T W P D =D ´白白(4-2)

式中，T —变压器发电运行时间。

2.变压器空载运行(夜间)

变压器夜间空载运行时，只有空载损耗，由式(2-2)可得两种变压器损耗差值：

102012P P P P P D =-=-夜夜夜(4-3)

损耗电量(即电网电量)差值：

t

W P D =D ´夜夜(4-4)

式中，t —变压器空载运行时间。W D 白表示减少的发电量损失，W D 夜表示减少消耗电网电量，

这样降低的成本可以用表示为：

M=W A B D D ´+白(4-5)

式中，DM—降低的成本；

A—光伏发电上网电价；

B—消耗电网电量为W D 夜时所需缴纳电费，具体结算方法依据当地执

行的电价类别进行计算。

4.3算例

以电站4月份一个1MW 单元的变压器耗电情况为例，假设采用了非晶合金变压器，计算其降低成本情况。

1.减少发电损失

假定月发电小时数约为T=300h ，光伏发电上网电价为A =1元/kWh ，则采用非晶合金变压器可减少发电损失为：

发电量：1020()P P T -´=(1.612-0.54)´300kWh=321.6kWh

发电收入：321.6kWh ´1元/kWh=321.6元

2.减少网上用电

4月份用电基本情况及执行电价如表2所示。表2硅钢片铁心变压器月耗电

有功电量/kWh

792无功电量/kvarh

3720功率因数

0.21执行电价(大工业用

电)/元/kWh 基本电价0.4159附加电价

0.0381电费/元有功电费

359.568力调电费

306.34总计

665.908

注：有功电费=有功电量×(基本电价+附加电价)；

力调电费：力调电费根据《功率因数调整电费办法》相关规定进行计算，按照力率标准值(即标准功率因数)为0.85进行计算：力调电费=有功电量×基本电价×力率调整率若采用非晶合金变压器，由式(4-4)得：

减少消耗电网的有功电量：1020()t P P -´=(1.612-0.54)´420kWh=450.24kWh 消耗电网的有功电量：(792-450.24)kWh=341.76kWh

根据表2注解中电费的具体算法，可以算出采用非晶合金变压器用耗电情况，如表3所示。表3非晶合金变压器月耗电

有功电量/kWh

341.76无功电量/kvarh

3720功率因数

0.009执行电价(大工业用

电)/元/kWh 基本电价0.4159附加电价

0.0381电费/元有功电费

155.65力调电费

200.53总计355.95

对比表3与表2可知：

电费减少：665.908-355.95=309.92元；

总成本降低：321.6+309.92=631.52元。

5总结

本文在详细分析光伏并网发电系统中变压器在不同运行工况下损耗基础上，对非晶合金变压器在光伏并网发电系统中应用经济效益进行建模、分析，并参考实例，进行了计算，得出结论：在光伏并网发电系统中，采用非晶合金变压器既可以减少光伏发电损耗，提高系统的发电效率，又可以减少变压器空载运行时消耗电网功率，虽然初始成本较高，但长远计，采用非晶合金变压器是可以降低光伏系统成本，提高经济效益的。

参考文献

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