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带辅助绕组的光伏升压变压器各绕组电流分析计算

2024-09-23 32 上传者：管理员

摘要：本文作者通过一台SCB13-3150/10带辅助绕组的光伏升压干式变压器计算实例，详细研究了变压器各部分绕组的电流计算，并为带辅助绕组的新能源变压器优化设计提供新的思路。

关键词：
优化设计
光伏
变压器
新能源变压器
辅助绕组
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目前主流光伏逆变器输出电压为AC800V，而光伏电站辅助用电设备仍然需要用到AC380V/AC220V电源，所以传统的方案是配置一台辅助变压器提供电源。光伏电站为了节约投资成本及占地面积，近年来逐步将辅助变压器集成于主变压器内，主变压器低压绕组提供400V电压抽头的形式为用电设备提供电源。本文笔者以一台SCB13-3150/10带辅助绕组的光伏升压干式变压器为例，详细研究三个电压同时运行时，变压器各部分绕组电流计算，重点关注公共绕组的电流计算及变压器绕组温升优化设计。

1、基本参数及接线原理

变压器基本参数见表1。

变压器接线原理如图1所示，800V侧接光伏逆变器（做输入），10k V接电网（做输出），带400V辅助绕组（做输出）为用电设备提供电源。其中400V辅助绕组采用从800V初级绕组中部出抽头的方式引接。三个电压同时运行时，各绕组的电流如何分配，直接关系到绕组的温升计算，尤其要关注初级绕组的运行电流计算。

表1 变压器基本参数

2、各部分电流计算

三个电压同时运行时，为了方便分析，定义S1=3150k VA(800V绕组)，S2=2520k VA (10k V绕组)，S3=630k VA(400V绕组)，并将实际运行工况拆解成以下三种工况逐步分析。

2.1工况一（800V/400V)

800V、400V绕组同时运行，由于400V辅助绕组（N3）为800V初级绕组（N1+N3）的电压抽头，当800V电压做输入，400V电压做输出给用电设备供电时，相当于一台自耦变压器，工作原理如图2所示。

图1 接线原理图

图2 工况一原理图

图2中，a-x为800V初级绕组(N1+N3)(Y接）；a1-x为400V公共绕组(N3)(Y接）。此时额定运行容量为S3=630k VA,U1=800V/,U3=400V/。

各部分电流计算如下：a-x电流I1′=630/0.8/=454.66A;a1-x电流I3=630/0.4/=909.32A。

根据电流节点定律，对于节点0来说：公共绕组N3电流大小Im′=I3-I1′=909.32-454.66=454.66A，电流方向与I3一致。因此，串联绕组N1中电流大小为I1′=454.66A（电流方向如图2所示）。

2.2工况二（800V/10k V)

800V、10k V绕组同时运行，此时为普通双绕组变压器运行方式，工作原理如图3所示。

图3中，a-x为800V初级绕组(N1+N3)(Y接）；A-X为10000V次级绕组(N2)(D接）。此时额定运行容量为S2=2520k VA,U1=800V/,U2=10000V。

各部分电流计算如下：a-x电流I1″=2520/0.8/=1818.66A;A-X电流I2=2520/10/3=84A。

因此，N1和N3绕组中电流大小为I1″=1818.66A（电流方向如图3所示）。

图3 工况二原理图

2.3工况三（800V/10k V/400V)

800V、10k V、400V绕组同时运行，此时为双绕组变压器叠加自耦变压器运行，工作原理如图4所示。

图4 工况三原理图

图4中，a-x为800V初级绕组(N1+N3)(Y接）；a1-x为400V公共绕组(N3)(Y接）；A-X为10k V次级绕组(N2)(D接）。

此时额定运行容量为S1=3150k VA(800V绕组)，S2=2520k VA (10k V绕组)，S3=630k VA (400V绕组)，U1=800V/,U2=10000V,U3=400V/。

可以将工况三看成工况一、工况二的合成，串联绕组N1中电流由I1′与I1″合成，由于I1′、I1″电流方向相同，则N1中电流大小I1=I1″+I1′=1818.66+454.66=2273.32A；公共绕组N3中电流由Im′与I1″合成，由于Im′、I1″电流方向相反，则N3中电流大小Im=I1″-Im′=1818.66-454.66=1364A;N2绕组中电流大小I2=84A(I1、Im和I2电流方向如图4所示）。

2.4综合分析

为了验证以上电流合成思路的正确性，我们通过以下分析来佐证。

1）如图4中所示，对于节点0来说：I1=2273.32A,Im=1364A,I3=909.32A，仍然符合电流节点定律I1=Im+I3。

2）如图4所示，S1=3150k VA (800V绕组)，S2=2520k VA (10k V绕组)，S3=630k VA (400V绕组)；U1=800V/,U2=10000V,U3=400V/。

各部分电流计算如下：a-x电流I1=3150/0.8/=2273.32A（与通过I1′与I1″合成电流计算一致）；A-X电流I2=2520/10/3=84A;a1-x电流I3=630/0.4/=909.32A。

通过以上分析，验证了电流合成思路的正确性。

3、优化设计

为了能更清晰地判断极限情况下，各部分绕组流过的电流大小及趋势，可将光伏升压变压器按以下两种极限工况进行分析。

3.1辅助绕组空载运行

此时相当于原理示意图3工况，为正常双绕组变压器运行方式，运行容量为S2=2520k VA(10k V绕组)，串联绕组N1和公共绕组N3中均流过额定电流：2520/0.8/=1818.66A。

3.2辅助绕组满载运行

此时相当于原理示意图4工况，为双绕组变压器叠加自耦变压器运行，此时运行容量为S1=3150k VA (800V绕组)，S2=2520k VA (10k V绕组)，S3=630k VA(400V绕组)。

串联绕组N1流过额定电流I1:3150/0.8/=2273.32A。由于自耦变压器的作用，电流方向相反，公共绕组中将抵消一部分电流，此时公共绕组N3流过电流：I1-I3=2273.32-909.32=1364A。

3.3绕组温升优化设计关注点

从以上辅助绕组两种极限运行工况可以看出，串联绕组N1中流过的电流随着辅助绕组负荷的增大而增加，公共绕组N3中流过的电流随着辅助绕组负荷的增大而减小。

优化设计时，串联绕组N1按满容量3150k VA（即电流2273.32A）来核算温升，公共绕组N3按辅助绕组空载运行容量2520k VA（即电流1818.66A）来核算温升。

在辅助绕组抽头处设置一个气道，方便抽头焊接引出，同时也增加了公共绕组散热面积。考虑到800V初级绕组两段实际运行时电流相差较大，可以将串联绕组和公共绕组选用不同厚度的箔，分别核算温升，以达到降低成本的目的。

在实际带正常负载运行过程中，辅助绕组空载的可能性较低。800V初级绕组设计时，可将公共绕组平均温升设计高一些，串联绕组平均温升设计低一些，在辅助绕组负载的作用下，公共绕组的温升会降低，而串联绕组的温升会提高，这样可达到一个平衡。

4、结论

通常的设计会考虑辅助负载的接入，低压绕组公共部分电流增大而加大导体截面以降低温升。本文笔者通过将以上带辅助绕组的光伏升压变压器的运行工况拆解分析，可以看出当辅助负载的接入，低压绕组的公共部分叠加630k VA的辅助容量，绕组中流过的电流反而减少了，同时串联部分的绕组中流过的电流增加了。本文的研究可以为带辅助绕组的新能源变压器优化设计提供新的思路。

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文章来源:李磊.带辅助绕组的光伏升压变压器各绕组电流分析计算[J].变压器,2024,61(09):1-3.