我國“碳達峰”、“碳中和”目標的提出，彰顯了我國對于節(jié)能減排的堅定決心，而新能源的利用則是我國實現(xiàn)雙碳目標非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。
光伏發(fā)電作為新能源中最為廣泛應(yīng)用的發(fā)電方式，其載荷等方面特點與我國最為常見的火力發(fā)電不同，因此人們對于光伏電站變壓器的要求也有所不同。功率在10mw以上的光伏電站為了并入電網(wǎng)，通常也需要變壓器在其中發(fā)揮作用，相比大多數(shù)電網(wǎng)用配電變壓器，其作用由降壓變?yōu)樯龎?。對?0mw及以上的光伏電站而言，需要使用電力變壓器來進行升壓和并網(wǎng)，最終供給電網(wǎng)用戶。
變壓器因絕緣介質(zhì)類型不同可分為干式變壓器與油浸式變壓器，常見的油浸式變壓器又可分為礦物油變壓器與植物油變壓器。光伏電站使用的變壓器需要從這三類變壓器中進行選擇。
一天中的參考日照強度圖
光伏電站的特點是長時間置于陽光之下，光伏電站發(fā)電有很強的峰谷特征，這是選擇變壓器時應(yīng)該考慮的；光伏電站成本回收周期較長，采購時變壓器的成本和實際使用中運行成本同時都需要納入考量；光伏發(fā)電站設(shè)立的目的是提供清潔能源，因此光伏發(fā)電站所用各種設(shè)備也應(yīng)該是環(huán)境友好的。另外，光伏電站一般地處偏遠且價值較高，防火安全特性也是需要考慮的一個因素。
根據(jù)光伏電站上述特性及需求，干式變壓器由于價格較高且損耗較高，非特殊原因，一般不會被光伏電站采用。而在礦物油變壓器與植物油變壓器的選擇上，植物油變壓器可承受的溫升更高、壽命更長、防火性能優(yōu)異、對環(huán)境友好無污染且便于維護，非常適合應(yīng)用于光伏發(fā)電站。
首先，我們從光伏電站的負荷特點方面來進行討論。相同條件下，使用天然酯（植物油）的液浸式變壓器相比于礦物油變壓器的耐熱等級更高，根據(jù)iec 60076-14/gb1094.14中的附錄c，在不更換絕緣紙的條件下，植物油可以提高絕緣系統(tǒng)的耐熱等級，如礦物油105℃耐熱等級絕緣系統(tǒng)在植物油條件下可被提高到120℃等級；溫升轉(zhuǎn)換到壽命，植物油變壓器絕緣系統(tǒng)將是礦物油變壓器絕緣系統(tǒng)壽命的4倍以上。全壽命周期條件下植物油變壓器明顯更具經(jīng)濟性，當(dāng)然從壽命的角度分析也存在一定的局限性，即光伏電站并不需要如此長壽的變壓器。
我們從另外一個角度來看待這個問題。同樣條件下，植物油變壓器溫升限值更高，在相同峰值負荷的光伏電站中，相比于礦物油變壓器，我們可以購買容量更小的植物油變壓器使用。即使目前植物油成本更高，但如果可以使用更小容量的變壓器，在銅鐵比例合適的條件下，植物油變壓器成本可能更低。關(guān)于選擇更小容量的變壓器，對于光伏發(fā)電，變壓器最大負荷狀態(tài)僅出現(xiàn)在中午時間段，只要保證該日負荷最大的時刻變壓器溫升不超過規(guī)范的限值即可。所以，光伏電站的變壓器的設(shè)計容量應(yīng)當(dāng)根據(jù)植物油變壓器的更高的溫升限值相對傳統(tǒng)礦物油變壓器加以改變?；蛘邚牧硗庖粋€角度說，高溫升限值使得植物油變壓器可以在完全不犧牲壽命的條件下相對于礦物油變壓器過載使用，即中午短時的部分可以通過“超載容量”來彌補，變壓器容量僅設(shè)計在滿足上午某個時刻的某個更小容量即可。當(dāng)然另外一個因素也值得考慮，那就是“過載”帶來的損耗，因此需要綜合負荷特點、絕緣系統(tǒng)類型、變壓器銅鐵原材料價格、損耗電費等多個方面進行評定和選擇。
植物油變壓器對環(huán)境更加友好。植物油還具備良好的環(huán)境友好特性，植物油降解率接近100%，無環(huán)境負擔(dān)，且無毒性，對動植物與人體無害。同時完美符合國家戰(zhàn)略相關(guān)的碳排放要求，即碳排放在整個生命周期僅為傳統(tǒng)礦物油的1/64，這些屬性與光伏發(fā)電本身的環(huán)保特性非常契合。
植物油變壓器具有優(yōu)秀的防火性能。變壓器油防火安全最重要的火災(zāi)危險性參數(shù)是燃點。開口杯燃點高于300°c的絕緣液被國際電工委員會定義為k級絕緣液，即高燃點絕緣油。所有k級液體均能降低變壓器事故初始程度并防止油池火發(fā)生。植物油變壓器閃點>;300°c,燃點>;350°c,是礦物油的2倍以上。使用植物油的變壓器，其發(fā)生火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險遠遠低于傳統(tǒng)礦物油變壓器。截止2022年，世界范圍內(nèi)投入運行的植物油變壓器已經(jīng)超過300萬臺，還沒有一臺使用植物油（天然酯）的變壓器有過起火記錄。光伏電站通常地處偏遠，一旦發(fā)生火災(zāi)事故難以第一時間得到消防救援，在防火安全性方面，用植物油變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物油變壓器是一個更加理想的解決方案。
作者：曾夯夫 技術(shù)工程師 武漢澤電新材料有限公司
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