国外某大型光伏电站主变压器容量的选择

国外某大型光伏电站主变压器容量的选择

张少飞 邵帅 王磊

山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛， 266100)

Sizing of main Transformer of large-scale PV power station

Zhang Shaofei, Shao Shuai, Wang Lei

摘要：本文陈述了国外某大型光伏电站主变容量选择的特殊性，对《光伏发电站设计规范》中的计算原则和笔者提出的计算方法进行了比较，并提出了实用的估算方法，希望对同行在类似项目的工程实践中有参考意义。

关键词：主变 光伏 容量选择 损耗 潮流

Abstract: This paper states the particularity of main transformer capacity selection of some overseas large-scale PV power station, the calculation principle in the Design Code for Photovoltaic Power Station is compared with the method proposed by the author, and the practical estimation method is put forward, which is expected to be of reference significance to the peers in the engineering practice of similar projects.

Key words: Main transformer, PV, sizing, loss, load flow

1. 引言

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出。为防止全球气候变暖以及能源衰竭，发展可再生能源势在必行。各种可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。由于太阳能资源分布广泛，而且与风电、核电等新型发电技术相比利用其发电不需要使用燃料且发电过程清洁无污染。因此，光伏电站的建设近年来在世界各地发展迅速。根据国际可再生能源机构(IRENA)数据显示，2011-2018年全球光伏新增装机容量维持上升趋势，2018年新增装机容量为97302.6MW，较2017年增长5.4%，预计未来一段时间还会继续维持增长趋势。

近年来光伏发电项目尤其是大型光伏电站项目越来越受到青睐。大型光伏电站通常需要经过主变压器将电压升至66kV及以上电压等级，再接入公用电网。在进行国外大型光伏电站的设计时，设计人员不可避免地会遇到各种各样的与国标不同的问题。例如国外光伏电站主变压器容量选择，笔者认为，某些国外大型光伏电站主变容量的选择有其特殊性，直接套用国内规范是不合适的。

2. 论文正文

关于主变容量的选择，GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》第8.1.2条有如下描述：光伏发电站升压站主变的选择应符合下列要求：主变压器容量可按光伏发电站的最大连续输出容量进行选取，且宜选用标准容量。

众所周知，变压器在运行过程中会产生有功损耗，包括铁耗和铜耗。额定效率就是变压器反应有功损耗的一个主要性能指标，电力变压器的额定效率通常为95%~99%。而实际上，相比于有功损耗，变压器自身的无功损耗更大，可达其额定容量的10~15%，甚至更大。两种损耗的存在导致了变压器高低压侧绕组的实际运行容量的不同。依据GB 1094.1-2013 《电力变压器 第1部分：总则》，双绕组变压器只有一个额定容量，即两个绕组的额定容量值相同。对于降压变压器，功率方向自高压侧流向低压侧，高压侧满容量时，低压侧小于额定容量运行；而对于升压变压器，功率方向自低压侧流向高压侧，低压侧满容量时，高压侧小于额定容量运行。

国内大型光伏电站项目，通常情况下会先确定装机容量，再根据容配比选择逆变器容量即交流装机容量。这样，规范中所说的最大连续输出容量就变成了交流装机容量。主变容量按其低压绕组容量与其匹配进行选择，低压侧绕组满容量运行时，其高压侧实际上是低于额定容量运行的，主变容量满足要求。那么，对国外某些大型光伏电站项目而言，其主变容量的选择有什么特殊性呢？

通常情况下，国外某些大型光伏电站项目的业主会先与电网公司签订购电协议，在该协议中会明确指出电站的最大连续输出容量，即并网点的交流容量。如果主变直接按该容量来选择，对应的是主变的高压侧绕组。高压侧满负荷时，低压侧实际上已经过负荷了。因此，对于国外项目，主变容量如直接按光伏电站的最大连续输出容量进行选取，容量是偏小的。

下面笔者基于某一具体项目进行详细说明。该项目概况：国外某大型光伏电站项目，购电协议中要求最大连续输出有功功率为175MW，并网电压132kV，并要求在系统电压95%~105%Un范围内，功率因数-0.95至+0.95连续可调。笔者用ETAP软件分别对应用两种设计原则进行了模拟。

先沿用《光伏发电站设计规范》中的原则：主变容量按光伏发电站的最大连续输出容量进行选取。主变额定容量S_N=175/0.95=184.2MVA，选取185MVA，假定阻抗电压百分数U_k%=15。潮流分析结果如下：

表1 潮流分析结果1

从表1数据可以看出：

1. 主变视在功率最大值发生在并网点功率因数为0.95时的低压侧，主变的额定容量应大于该值进行选择。表中该数值约197MVA已大于选取的185MVA，即其低压侧绕组已过载，过载率约6.5%。计算如下：(197-185)/185*100%≈6.5%。

2. 在高压侧视在功率相同的情况下，主变的损耗在功率因数滞后（0.95）时比超前（-0.95）时要大，这是因为功率因数滞后时变压器要输送的视在功率大。

下面笔者探讨主变损耗的估算方法。从表1数据可以看出，变压器的有功损耗占无功损耗的2.2%左右，主变容量计算中其有功损耗可以忽略不计，只需要计算主变的无功损耗。根据《工业与民用配电设计手册》第四版公式（1.10-4），双绕组变压器的无功损耗：

其中：△Q_T——变压器的无功损耗，kvar；

U_k%——变压器的阻抗电压占额定电压的百分数；

S_c——变压器的计算负荷，kVA；

I₀%——变压器的空载电流百分数。

大型电力变压器空载电流一般在额定电流的0.3%以内，很多都在0.1%以下，因此可以忽略不计。变压器满负荷运行，取

S_c等于S_N。这样，工程实际应用中，变压器的无功损耗就可用下式进行估算：

△Q_T=S_N*Uk%/100

主变压器的额定容量可按下式进行估算：

……………………………（公式1）

=194MVA

其中：

P——光伏电站最大连续输出有功功率

φ——并网点要求最大滞后功率因数角

为进一步简化计算，根据工程经验，可取系数K=1.1来等效主变的损耗，有：

S_N=P/cosφ*K ……………………………………………（公式2）

=175/0.95*1.1

=202.6MVA

基于上述计算结果，本项目主变容量选择200MVA，ETAP潮流分析结果如下表所示：

表2 潮流分析结果2

由表2可以看出，在并网有功功率为175MW时，各种工况下低压侧的最大视在功率为195.75MVA，主变容量选择200MW是合理的。因此，笔者建议，在设计国外大型光伏电站项目时，主变容量的选择应该用最大连续输出容量与主变自身的损耗之和进行选择。工程实际中可选用本文提出公式进行计算。

当然，上述所述的计算方法，适用于规定并网点的交流容量协议好的光伏电站项目主变容量的选取；若对于国外一些光伏电站项目进行主变容量的选择，要求按照光伏发电站的最大连续输出容量进行选取时，GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》第8.1.2条仍然具有参考意义。

3. 参考文献

1. 吴晓斌，孙美君，卞铠生.工业与民用配电设计手册.北京：中国电力出版社，2016年12月第四版：P30。

2. 《光伏发电站设计规范》,GB 50797-2012。

3. 《电力变压器 第1部分：总则》，GB 1094.1-2013

【作者简介】

姓名：张少飞 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：电气一次工程师

姓名：邵帅 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：电气一次工程师

姓名：王磊 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：电气一次专工

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