逆變器高諧波對(duì)變壓器的破壞影響,采用改進(jìn)的繞組
在大型光伏電站中，逆變器產(chǎn)生的高諧波主要會(huì)通過(guò)產(chǎn)生過(guò)多的熱量來(lái)破壞變壓器，從而破壞絕緣層并隨著時(shí)間的推移降解芯材。
傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì)用于平滑的單頻正弦波(通常為50 或 60 Hz)，但逆變器會(huì)產(chǎn)生高頻諧波，這是其開(kāi)關(guān)或脈寬調(diào)制 (PWM)作的副產(chǎn)品。高諧波對(duì)變壓器的破壞性影響主要發(fā)生在三個(gè)方面：
1)繞組過(guò)熱和絕緣失效
高頻電流(例如諧波)通過(guò)兩種機(jī)制導(dǎo)致變壓器繞組額外發(fā)熱：
集膚效應(yīng)：在高頻下，電流主要流在導(dǎo)體的外表面上，而不是均勻分布在其橫截面上。這限制了電流流動(dòng)的有效面積，顯著增加了繞組的電阻并導(dǎo)致熱量積聚。
鄰近效應(yīng)：來(lái)自相鄰繞組和其他導(dǎo)體的不同磁場(chǎng)會(huì)在附近的導(dǎo)體中感應(yīng)出循環(huán)渦流。在高頻下，這種影響變得更加嚴(yán)重，導(dǎo)致繞組中的額外局部加熱。
隨著時(shí)間的推移，這種高溫會(huì)降低變壓器的電絕緣性。絕緣材料的設(shè)計(jì)能夠承受正常的工作溫度和電壓應(yīng)力，但來(lái)自皮膚的熱量和接近效應(yīng)會(huì)加速其老化，導(dǎo)致絕緣過(guò)早失效和潛在的短路。
2)鐵芯損耗增加和過(guò)熱
由于遲滯和渦流損耗增加，高頻諧波導(dǎo)致變壓器的鐵磁鐵芯也會(huì)受到更大的加熱。
遲滯損耗：這是每次變壓器鐵芯的磁疇隨著交流電重新定向時(shí)損失的能量。逆變器產(chǎn)生的高頻諧波導(dǎo)致磁場(chǎng)更快地改變極性，從而在鐵芯中產(chǎn)生更多的摩擦和熱量。
渦流損耗：高頻諧波在磁芯材料本身內(nèi)感應(yīng)出循環(huán)渦流。這些不需要的電流會(huì)產(chǎn)生熱量，并且與頻率的平方成正比。
因此，較高的諧波產(chǎn)生的渦流損耗比標(biāo)準(zhǔn)基頻呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，導(dǎo)致磁芯過(guò)熱。
3)三相系統(tǒng)中的諧波
在三相星形連接系統(tǒng)中，特定的諧波階數(shù)，稱(chēng)為三次諧波(3次、9次、15次等)，在中性導(dǎo)體中相加而不是相互抵消。這可能會(huì)導(dǎo)致中性導(dǎo)體嚴(yán)重過(guò)載和過(guò)熱，從而導(dǎo)致絕緣失效、火災(zāi)和災(zāi)難性損壞。
另一個(gè)關(guān)鍵的失效機(jī)制是諧波共振。如果逆變器產(chǎn)生的諧波頻率與電氣系統(tǒng)的固有諧振頻率重合，則諧波可以顯著放大。
這種放大會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的高電流和過(guò)電壓，從而損壞變壓器、斷路器和其他設(shè)備。
如果諧振發(fā)生在變壓器的初級(jí)或次級(jí)繞組附近，則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的高壓應(yīng)力，導(dǎo)致局部放電并最終導(dǎo)致介電擊穿。
4)那么該如何減輕諧波損傷?
為了保護(hù)變壓器免受高諧波的破壞性影響，可以采取具體措施：
K 因子額定變壓器：這些變壓器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可處理諧波負(fù)載引起的額外發(fā)熱，采用改進(jìn)的繞組和鐵芯設(shè)計(jì)。
尺寸過(guò)大：變壓器的容量可以過(guò)大，以較低的負(fù)載百分比運(yùn)行，從而承受更高的溫度。
Delta-Wye 配置：Delta-Y變壓器配置可用于通過(guò)創(chuàng)建電流在 Delta 繞組內(nèi)循環(huán)而不是積聚在中性導(dǎo)體中的路徑來(lái)控制三重諧波。
諧波濾波器：可以安裝有源或無(wú)源濾波器來(lái)濾除特定的諧波頻率并防止它們到達(dá)變壓器。
專(zhuān)門(mén)用于大型光伏電站的逆變變壓器設(shè)計(jì)規(guī)范不斷發(fā)展，對(duì)這些關(guān)鍵資產(chǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑\斷測(cè)試和在線監(jiān)控至關(guān)重要。正確的測(cè)試包括檢查絕緣系統(tǒng)的健康狀況，包括流體和固體、繞組完整性并確保負(fù)載不超過(guò)容量。
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