CN105185555A - 一种风电场用主升压变压器 - Google Patents

Abstract

一种风电场用主升压变压器，其高压绕组与低压绕组之间设置有d接的辅助绕组，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高、低压绕组和辅助绕组之间的短路电抗关系满足X₁₃+X₂₃≈X₁₂，与升压用电力变压器相比：或是低压绕组的匝数相同，铁芯的有效截面积增大，或是铁芯的有效截面积相同，低压绕组的匝数增大，或是铁芯的有效截面积和低压绕组的匝数均增大，使铁芯的磁密为B≤1.65T；所述高压绕组与低压绕组之间的短路阻抗值比国标值大10%以上。该主升压变压器不须配置外部滤波装置即可有效降低各次谐波电流幅值和变压器空载损耗、振动和噪音，增强变压器抗短路冲击能力，减少设备的投资、占地面积及维护成本。

Description

一种风电场用主升压变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器，特别是一种用于风力发电机组的主升压变压器。

背景技术

目前风力发电已成为国际上公认的技术最成熟、开发成本最低、最具发展前景的可再生能源之一，因而主升压变压器被广泛应用于风力发电。

由于风电场风力的大小和方向是不稳定的、没有规律的，风电机组发出的电能质量相对不稳定，导致风力电能的谐波量大量增加；另外风电机组中采用了大量的电力电子元件，也导致风力电能的谐波量大量增加，风力电能必须经过处理才能注入电网；为了使风电场所产生的、注入电网的谐波电流满足国标对电能质量的相关要求，主升压变须配置滤波装置；另一方面，风电机组发出的电能连续不断变化，使主升压变频繁从低负载到高负载循环运行，这要求主升压变抗短路冲击能力比常规变压器强。现有风电场用主升压变压器配置滤波装置的方式通常有两类：

1）结构与常规的主升压变压器相同，变压器铁芯的设计磁密（也就是磁通密度，指垂直通过单位面积的磁力线的数量，也称磁感应强度B，简称磁密）按升压用电力变压器考虑，即B=1.7~1.73T，变压器连接组别为YNd11，在低压侧就地接滤波装置滤波，如图4所示，变压器短路阻抗按国标考虑，即（国标值：110 kV级为10.5%，220 kV级为12~14%）；

2）结构在常规的主升压变压器基础上增加一个第三绕组，作为滤波装置的电源，即第三绕组与感应滤波调谐支路、静止无功发生器SVG相连，变压器铁芯的设计磁密仍按升压用电力变压器考虑，即B=1.7~1.73T，变压器连接组别为YNd11d11，如图5所示；变压器短路阻抗按国标考虑，即（国标值：110 kV级为10.5%，220 kV级为12~14%）。

已有技术存在的不足之处是：

1）因以上两种结构形式的风电场用变压器铁芯的设计按升压用电力变压器考虑，磁密较大（B=1.7~1.73T，变压器连接组别为YNd11或YNd11d11），变压器铁芯工作在铁芯磁化曲线的近饱和段上，由于变压器励磁电流的大小和波形取决于铁芯的饱和程度，饱和程度愈高，励磁电流的波形畸变愈严重，其各次谐波电流的幅值愈大，使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波，必须借助外部滤波装置，才能减少变压器铁芯中的谐波磁通成分；

2）由于风电场用变压器铁芯的设计按升压用电力变压器考虑，铁芯中存在谐波磁通成分大，加之其高、低压绕组之间的短路阻抗值按国标设计，相对较小（国标值：110 kV级为10.5%，220 kV级为12~14%），因而变压器空载损耗、振动和噪音都较大，而且变压器抗短路冲击能力相对较低；

3）由于须配置滤波装置来减少变压器铁芯中的谐波磁通成分，各次谐波滤波器群、开关群及检修设备占地面积大、投资及维护费用高，增大了风电场的总投资成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的风电场用主升压变压器，以克服已有技术所存在的上述不足。

本发明采取的技术方案是：一种风电场用主升压变压器，包括铁芯、高压绕组和低压绕组，所述高压绕组与低压绕组之间设置有d接的辅助绕组，不带负荷，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高压绕组、低压绕组和辅助绕组三个绕组之间的短路电抗关系满足下述关系 ：X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ；

其中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗；

所述低压绕组的匝数和铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相比：

或是低压绕组的匝数与升压用电力变压器相同，铁芯的有效截面积增大，

或是铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相同，低压绕组的匝数增大，

或是铁芯的有效截面积和低压绕组的匝数均比升压用电力变压器大，

使铁芯的磁密达到变流变压器设计要求的磁密、即B≤1.65 T。

其进一步的技术方案是：所述高压绕组与低压绕组之间的短路阻抗值比国标值大10%以上，即：110 kV级为10.5%×110%以上，220 kV级为（12~14%）×110%以上，其中10.5%为110 kV级国标值，12~14%为220 kV级国标值。

由于采用上述技术方案，本发明之一种新型风电场用主升压变压器具有如下有益效果：

1．由于降低了变压器铁芯的磁通密度，降低了铁芯的饱和程度，可以降低励磁电流的波形畸变程度，有效降低各次谐波电流幅值；

2．通过改变变压器内部结构，增加辅助绕组，可有效减少风电场用主升压变压器铁芯中的谐波磁通成分，起到消除谐波的作用，使风电场所产生的、注入电网的谐波电流满足国标对电能质量的相关要求，降低风电并网对接入电网的影响；

由于增加了辅助绕组，对于某一特定结构的风电场用主升压变压器而言，低压绕组的某一次谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅2nf，将在辅助绕组产生感应谐波电势，由于辅助绕组为d接，是个闭合回路，会产生感应谐波电流，该感应谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅3nf将平衡∅2nf，从而在铁芯中消除谐波磁通∅2nf部分，使高压绕组中感应的谐波电流接近为零，达到减少铁芯中的谐波磁通成分的效果；

另外由于变压器铁芯中的谐波磁通成分减少，可降低变压器空载损耗、振动和噪音；

3．通过改变变压器内部结构增大了高、低压绕组间的短路阻抗，而较高的短路阻抗不仅可以有效降低各次谐波电流幅值（由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，效果越明显），而且可增强变压器抗短路冲击能力；

4．由于不用配置滤波装置，极大地减少了各次谐波滤波器群、开关群及检修设备的投资、占地面积及维护的投资成本；由于以上技术方案均在变压器油箱内部实现，主升压变成本仅增加10%左右。

下面通过附图和实施例对本发明之一种风电场用主升压变压器的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明之一种风电场用主升压变压器并网线路示意图；

图2为本发明之一种风电场用主升压变压器绕组布置示意图；

图3为本发明之一种风电场用主升压变压器绕组阻抗星形等效电路；

图4～图5为现有风电场用主升压变压器并网线路示意图：

图4为在低压侧就地接滤波装置滤波，连接组别为YNd11；

图5为增加一个第三绕组作为滤波装置的电源，连接组别为YNd11d11。

图中：

101—电网，102—主升压变压器，1—高压绕组，2—低压绕组，3—辅助绕组，103—风电场，104—原有主升压变压器，105—滤波器，1051—第三绕组（滤波装置电源绕组）；

W₂—低压绕组的匝数， A—铁芯的有效截面积。

具体实施方式

实施例一

一种风电场用主升压变压器，包括铁芯、高压绕组1和低压绕组2， 所述高压绕组1与低压绕组2之间设置有d接的辅助绕组3，该辅助绕组不带负荷，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高压绕组、低压绕组和辅助绕组三个绕组之间的短路电抗关系满足下述关系 ：X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ，

其中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

所述低压绕组的匝数和铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相比：

低压匝数W₂相同，铁芯有效截面积A增大5.7%，各项指标如下表：

所述高压绕组（1）与低压绕组（2）之间的短路阻抗值比国标值大10%以上，即：

110 kV级为10.5%×110%以上，220 kV级为（12~14%）×110%以上，其中10.5%为110 kV级国标值，12~14%为220 kV级国标值。

实施例二

一种风电场用主升压变压器，其结构与实施例一基本相同， 包括铁芯、高压绕组1和低压绕组2， 所述高压绕组1与低压绕组2之间设置有d接的辅助绕3，不带负荷，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高压绕组、低压绕组和辅助绕组三个绕组之间的短路电抗关系满足下述关系 ：X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ，

其中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

所述高压绕组（1）与低压绕组（2）之间的短路阻抗值比国标值大10%以上，即：

110 kV级为10.5%×110%以上，220 kV级为（12~14%）×110%以上，其中10.5%为110 kV级国标值，12~14%为220 kV级国标值。

所不同的是所述低压绕组的匝数和铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相比：

铁芯的有效截面积A相同，低压绕组的匝数增大5.3%；各项指标如下表：

。

实施例三

一种风电场用主升压变压器，其结构与实施例一基本相同， 包括铁芯、高压绕组1和低压绕组2， 所述高压绕组1与低压绕组2之间设置有d接的辅助绕3，不带负荷，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高压绕组、低压绕组和辅助绕组三个绕组之间的短路电抗关系满足下述关系 ：X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ，

其中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗。

所述高压绕组（1）与低压绕组（2）之间的短路阻抗值比国标值大10%以上，即：

110 kV级为10.5%×110%以上，220 kV级为（12~14%）×110%以上，其中10.5%为110 kV级国标值，12~14%为220 kV级国标值。

所不同的是，与升压用电力变压器相比，铁芯的有效截面积A增大4.5%，低压匝数W₂增大0.8%，各项指标如下表：

。

本发明的工作原理：

一、通过加大铁芯的有效截面积、或增加低压绕组匝数或同时增加低压绕组匝数和铁芯的有效截面积达到降低磁密：

由于导致磁密较大的直接的原因是铁芯有效截面积和低压绕组匝数较小；

B=(45×Et)/A （1）

=45×(U_{2 φ}/W₂)/A （2）

=45×U_{2 φ}//(W₂×A) （3）

式中，B—铁芯的设计磁密（T），Et —匝电势，（V/匝），U_{2 φ}—低压相电压，（V）；W₂—低压匝数，A —铁芯的有效截面积，（cm²）；

从上式中可知，当低压相电压U_{2 φ}一定时，铁芯的设计磁密B与铁芯的有效截面积A和低压匝数W负相关，故：通过加大铁芯的有效截面积A、或增加低压匝数W₂或同时增加低压匝数W₂和铁芯的有效截面积A (即铁芯直径)，都能降低磁密，使B≤1.65 T； 达到有效降低了变压器铁芯的饱和程度，降低励磁电流的波形畸变程度和各次谐波电流幅值的目的。

二、在高、低压绕组之间设置辅助绕组，通过改变变压器内部结构，有效减少风电场用主升压变压器铁芯中的谐波磁通成分，起到消除谐波作用的原理：

各绕组布置如图2，绕组1为高压绕组，绕组2为低压绕组，绕组3为辅助绕组，变压器绕组阻抗星形等效电路如图3，其中各支路的等效阻抗：

Z1=（Z₁₂+Z₁₃-Z₂₃）/ 2 （5），

Z2=（Z₁₂+Z₂₃-Z₁₃）/ 2 （6），

Z3=（Z₁₃+Z₂₃-Z₁₂）/ 2 （7），

Z₁₂=（R1+R2）+JX₁₂ （8），

Z₁₃=（R1+R3）+JX₁₃ （9），

Z₂₃=（R2+R3）+JX₂₃ （10）；

式中：

Z1—支路1的等效阻抗， Z2—支路2的等效阻抗， Z3—支路3的等效阻抗，

R1—绕组1的电阻，R2—绕组2的电阻， R3—绕组3的电阻，

Z₁₂—绕组3开路，绕组1 和绕组2之间的短路阻抗，

Z₁₃—绕组2开路，绕组1 和绕组3之间的短路阻抗，

Z₂₃—绕组1开路，绕组2 和绕组3之间的短路阻抗；

对注入绕组2的某一次谐波电流I_2nf分成两个支路，一路I_1nf流经Z1（注入电网），一路I_3nf流经Z3，为了使绝大部分的谐波电流不注入电网，Z3应尽可能小，使Z3远小于Z1，

Z3=（Z₁₃+Z₂₃-Z₁₂）/ 2

=[（R1+R3+JX₁₃）+（R2+R3+JX₂₃）﹣（R1+R2+LX₁₂）] / 2

=R3+J（X₁₃+X₂₃-X₁₂）/ 2 （11）

要使Z3最小，应使其电抗分量为零，即 X₁₃+X₂₃=X₁₂ （12）

而变压器绕组间的短路电抗X计算公式如下：

， % （13）

式中： IW—每相安匝数，∑Dr—漏磁等效面积，（cm²），ρ—洛氏系数，Kx—电抗修正系数，Et —匝电势，（V/匝）， Hk—两绕组的平均电抗高，（cm）；

其中，∑Dr ∝ 绕组间的距离，它对短路电抗X的影响远远超过ρ和Kx；

在设计风电场用主升压变时，可通过调整各绕组之间的距离大小和其它参数（IW、Et、Hk等）（详见《电力变压器设计手册》）来实现式（12），使 X₁₃+X₂₃ ≈X₁₂ ，

此时Z3≈R3 （14）

另外，Z1=（Z₁₂+Z₁₃-Z₂₃）/ 2

=[（R1+R2+JX₁₂）+（R1+R3+JX₁₃）﹣（R2+R3+LX₂₃） ] / 2

=R1+J（X₁₂+X₁₃-X₂₃）/ 2 （15）

将式（12）代入式（14）可得，

Z1= R1+J（X₁₃+X₂₃+X₁₃-X₂₃）/ 2

=R1+JX₁₃ （16）

对于大型变压器而言，短路阻抗中电阻的成分很小，即电阻值远小于电抗值，即R巜X，所以：

Z1≈JX₁₃， （17）

对比式（14）与式（17），可得Z3远小于Z1，支路3对谐波电流呈通路状态，支路1（电网支路）对谐波电流呈阻路状态，绝大部分的谐波电流不注入电网，由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，效果越明显。

其物理意义是，对于某一特定结构的风电场用主升压变压器，绕组2的某一次谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅2nf，将在绕组3产生感应谐波电势，由于绕组3为d接，是个闭合回路，会产生感应谐波电流，该感应谐波电流在铁芯中产生的谐波磁通∅3nf将平衡∅2nf，从而在铁芯中消除谐波磁通∅2nf部分，使绕组1中感应的谐波电流接近为零。

三、增大高、低压绕组间短路阻抗即可增强变压器抗短路冲击能力，又可减少铁芯中的谐波磁通：

对于大型变压器而言，短路阻抗中电阻的成分很小，

在上述结构中，Z1≈JX₁₃=J（X₁₂-X₂₃） （18）

当保持X₂₃不变，可通过调整高、低压之间的距离大小和其它参数（IW、Et、Hk等）来增大高、低压绕组之间的短路阻抗值X₁₂。当X₁₂增大，X₂₃不变，相应X₁₃增大，即增大了Z1；

当主升压变按上述方法（即按式（12）设计时，Z3≈R3，Z1≈JX₁₃，即Z3远小于Z1，支路3对谐波电流呈通路状态，支路1对谐波电流呈阻路状态，这使绝大部分的谐波电流注入Z3支路；

较高的短路阻抗可以有效降低各次谐波电流幅值，由于电抗与频率成正比，谐波次数越高，效果越明显。同时高、低压绕组间短路阻抗的增大，增强了变压器抗短路冲击能力。

Claims (2)

1.一种风电场用主升压变压器，包括铁芯、高压绕组（1）和低压绕组（2），其特征在于：

A．所述高压绕组（1）与低压绕组（2）之间设置有d接的辅助绕组（3），不带负荷，引出接地，变压器连接组别为YNd11+d，高压绕组、低压绕组和辅助绕组三个绕组之间的短路电抗关系满足下述关系 ：X₁₃+X₂₃≈X₁₂ ；

其中：

X₁₂—为辅助绕组开路，高压绕组与低压绕组之间的短路电抗，

X₁₃—为低压绕组开路，高压绕组与辅助绕组之间的短路电抗，

X₂₃—为高压绕组开路，低压绕组与辅助绕组之间的短路电抗；

B．所述低压绕组的匝数和铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相比：

或是低压绕组的匝数与升压用电力变压器相同，铁芯的有效截面积增大，

或是铁芯的有效截面积与升压用电力变压器相同，低压绕组的匝数增大，

或是铁芯的有效截面积和低压绕组的匝数均比升压用电力变压器的大，

使铁芯的磁密达到变流变压器设计要求的磁密、即B≤1.65 T。

2.如权利要求1所述一种风电场用主升压变压器，其特征在于：所述高压绕组（1）与低压绕组（2）之间的短路阻抗值比国标值大10%以上，即：

110 kV级为10.5%×110%以上，220 kV级为（12~14%）×110%以上；

其中10.5%为110 kV级国标值，12~14%为220 kV级国标值。