摘要：分布式电源通常与当地配电系统并联运行。对于无励磁调压变压器，按降压运行选择的分接头位置，当作为升压运行时一般因其输出电压太低而不能满足运行要求。只有当变压器降压/升压运行时的负荷功率因数均为
，且发电设备具有一定的调压范围时，该变压器才能同时满足降压/升压运行的要求而无需改变分接头。为限制分布式电源对配电系统提供的短路电流，首先宜选择次暂态阻抗较大的发电机；其次可提高升压变的阻抗，但会降低对系统的无功支撑能力，且会增加变压器制造成本。
关键词：降压变压器；升压变压器；变压器分接头选择；高阻抗变压器
0 引言
随着化石燃料资源的不断匮乏，以及伴随的环境保护问题的日益尖锐，开发清洁的可再生能源资源已成为世界各国的共识。近年来，国内包括太阳能发电、风能发电、生物能发电、燃气天然气发电、地热发电以及化学储能电源等分布式电源不断涌现。其主要特点是[1]：
（1）规模不大（发电功率为数千瓦至50MW），且分布在负荷附近；
（2）满足一些特殊用户的需求，支持已有配电网的经济运行；
（3）能源利用效率较高，或利用可再生能源发电等。
分布式电源通常采取与当地配电系统并联运行，或者采用独立小电网（微电网）的运行方式，以前者为多数。分布式电源设备主要有2类：发电机类（如风力发电机、燃气轮机/内燃机发电机、地热发电机）和逆变器电源类（如光伏发电、化学储能发电）。其中有些燃气天然气发电项目，集发电、供电、冷热电负荷于一体，采用以热定电、余电上网，与当地配电系统并联运行，以提高能源利用效率并获得最大经济效益。
工程设计中常会遇到原有配电网变压器（降压变）接入分布式电源后，在某些情况下该降压变要作为余电上网的升压变使用；受原有配电网电气设备的短路开断能力限制，要选用高阻抗变压器等问题。有时设计人员为此而感到纠结。本文针对这些问题进行粗线的分析，可供设计时参考。
1关于电力变压器的额定电压[2]
电力系统中的变压器，通常根据其在电力系统中传输功率的方向，规定变压器接受功率一侧的绕组称为一次绕组，输出功率一侧的绕组称为二次绕组。因此一次绕组的作用相当于用电设备，其额定电压与系统标称电压相等；但直接与发电机连接时，其额定电压应与发电机额定电压相等，而发电机额定电压自成系列，规定比系统标称电压高5%。二次绕组相当于用电电源设备，其额定电压规定比系统标称电压高10%；如果变压器的短路电压小于7%或直接（包括通过短距离线路）与用户连接时，则规定比系统标称电压高5%。为了适应电力系统电压调整的需要，通常在变压器的高压绕组上设计制造有分接抽头（俗称分接头）。显而易见，对于同一电压等级的变压器——升压变压器或降压变压器，即使分接头百分值相同，其分接头额定电压也不相同。
根据GB 156《标准电压》规定，我国电力系统标称电压（kV）为：
0.38、3、6、10、（20）、35、66、110、220、330、500、（750）
如所周知，输电线路的始端（电源端）电压将比这些数值为高，以补偿输电线路的电压损失。10kV及以下电压等级始端要高5%，而10kV以上电压等级始端要高10%，因此，变压器的额定电压也要相应提高，即线路始端（电源端）变压器的额定电压（kV）为：
0.4、3.15、6.3、10.5（11）、15.75、38.5、72.5、121、242、363、550
利用上述特征，很易识别某一台变压器是升压还是降压变压器。如果变压器高压侧额定电压比系统标称电压高，则其必为升压变压器；反之，如果高压侧额定电压低于上述始端电压，则为降压变压器；在额定电压比中，仅仅是低压额定电压高于系统标称电压的为降压变压器，其余则为升压变压器。例如：121/10kV为升压变（低压侧额定电压不高）；110/10.5kV为降压变压器（仅低压额定电压高）；242/121/13.8kV为升压变压器（13.8kV为发电机额定电压）；110/38.5/11kV为降压变压器。
2 关于变压器分接头的选择[3][4]
由《电力系统分析》可知，为了实现调压，在双绕组变压器的高压绕组上设有若干个分接头可供选择，而低压绕组不设分接头。由变压器等效电路可得高压绕组分接头电压：
（1）
（2）
式中 
为变压器高压绕组分接头电压
为变压器高压侧实际电压
为变压器低压侧实际电压
为变压器低压绕组额定电压
为通过变压器的有功功率
为通过变压器的无功功率
为归算到高压侧的变压器的电阻
为归算到高压侧的变压器的电抗
为归算到高压侧的变压器电压损耗
式（1）中
前的符号，对降压变压器取“-”，意味着变比减小，可使低压侧电压升高，以补偿变压器电压损耗
的影响；对升压变压器取“+” 意味着变比增大，可使高压侧电压升高，以补偿
的影响。
通常，电力变压器
，因此式（2）可简化为：
（3）
假设在一个运行周期内，变压器高压侧实际电压
近似不变，并将式（3）中的物理量均取以变压器额定容量及电压为基准值。于是，按式（3）所估算出的
为百分值（%，即标幺值）。例如：某变压器带80%额定负荷，
，
，按式（3）可求得
。
当变压器通过不同功率时，其高压侧电压、变压器电压损耗
，以及低压侧所要求的电压均要发生变化。通过计算可以求出在不同的负荷下为满足调压要求所应选择的高压侧分接头电压。
靠近负荷中心的局部电网，通常采用“逆向调压”，即在最大负荷时升高电压，最小负荷时降低电压。普通变压器的分接头是无励磁调压分接头，俗称“无载调压”，只能在停电的情况下改变分接头。在正常运行中无论负荷怎样变化，只能使用一个固定的分接头。这时可以分别计算出最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压：
（3）
（4）
然后取它们的算术平均值，即
（5）
根据
值可以选择一个与它最近的分接头，然后再根据所选取的分接头检验最大负荷和最小负荷时，变压器所连接母线上的实际电压是否符合要求。如果所选分接头不满足调压要求，还需另选分接头，或考虑其他调压措施。
算例1：某一台双绕组降压变压器（图1），31.5MVA，110±2×2.5%/6.3kV，
，
（归算到高压侧）；其最大负荷为
MVA，最小负荷为
MVA；高压侧最大负荷时的电压为110kV，最小负荷时的电压为113kV；相应负荷低压母线允许电压的上下限为10~11（即10.5±5%）kV。试选择该变压器的分接头。
解：首先按式（2）计算最大负荷及最小负荷时变压器的电压损耗 至110kV配电装置
MT
10.5kV母线
负荷 发电机
图 1
假定变压器在最大负荷和最小负荷运行时低压侧的电压分别为
和
，则按式（3）、（4）可求得：
取算术平均值：
选择最靠近的高压分接头
（即 -2.5%档）。然后再根据所选取的分接头参考式（3）、（4）可校验是否满足低压负荷母线的实际电压：
可见，所选分接头能满足低压负荷母线电压控制要求的。
3 问题讨论
3.1 关于变压器负荷潮流方向改变时的降压/升压运行问题
分布式电源与当地配电系统并联运行后，在某些情况下可能会出现原有降压运行的变压器要作为“余电上网”的升压变使用。下面，对这一问题进行简单的分析。
如前所述，降压变与升压变在额定电压选择上是有差异的。以双绕组变压器为例，升压变的额定变比一般为
，其中
为变压器高压侧的系统标称电压，
为发电设备额定电压；降压变的额定变比一般为
，其中
为变压器低压侧的系统标称电压。因此，通常升压变高压侧的额定电压，要比同一电压等级的降压变高10%。
算例2：假设将算例1中的那台变压器作为升压变使用，其低压侧所接发电机电压的可调范围为10~11（即10.5±5%）kV；高压侧最大负荷时的电压为110kV，最小负荷时的电压为113kV；其最大负荷为
MVA，最小负荷为
MVA。试选择该变压器的分接头。
解：首先按式（2）计算最大负荷及最小负荷时变压器的电压损耗：
假定变压器在最大负荷和最小负荷运行时低压侧的电压分别为
和
，则按式（3）、（4）可求得：
取算术平均值：
选择最靠近的高压分接头
（即+5%档），然后再根据所选取的分接头参考式（3）、（4）可校验发电机端电压的实际要求：
可见，所选分接头能满足发电机端电压实际要求的。
算例2表明，尽管变压器负荷及电网运行条件相同，但降压运行与升压运行所选分接头位置是不同的（本算例分接头位置差3档）。因此，按降压运行选择的分接头位置，当作为升压变运行时，会使变压器的输出电压降低很多，这是不允许的。
3.2 关于高阻抗主变压器
分布式电源接入配电系统后，会增大配电系统的短路电流水平。为此，有的地区电网规划设计技术原则（如上海市）规定：为限制发电厂提供的短路电流，首先宜选择次暂态阻抗较大的发电机，其次可提高电厂升压变阻抗。受发电机机端电压和发电机功率因数的限制，升压变阻抗宜在20%—24％。
实例分析计算表明[5]，选用高阻抗升压主变，在技术上要考虑以下问题：
（1）相同容量的发电设备，随着主变阻抗的提高，主变自身消耗的无功功率也相应增加，发电设备送往电网的无功功率减小；同时也会降低发电设备吸收系统无功功率的能力。
（2）随着主变阻抗的提高，会使发电设备端电压波动范围增大。
（3）随着主变阻抗的提高，发电设备（如发电机）±5%调压范围所对应的功率因数运行范围缩小。也就是说，会使电站的电压调整能力变差。
另外，变压器阻抗的电抗分量
就是漏电抗。通常，增大变压器的
会引起变压器制造成本增加，其价格上升的幅度取决于矽钢片和铜导线的价格。
4 结束语
4.1比较算例1与算例2的计算结果可见：
（1）尽管变压器负荷及电网运行条件相同，但降压运行与升压运行所选分接头位置是不同的。因此，按降压运行选择的分接头位置，当作为升压变运行时，会使变压器的输出电压降低很多。此时，如果发电设备不具有相应的调压能力，这是不允许的。
（2）原则上，采用无励磁调压变压器是不可能同时满足降压变运行和升压变运行要求的，因为它必须在停电状态下才能手动改变分接头位置。
作为特例，只有当变压器降压/升压运行时的负荷功率因数均为
（即通过变压器的无功功率近似为零），
，且发电设备具有一定的调压范围时，该变压器才能同时满足降压/升压运行的要求而无需改变分接头，光伏发电站就是其中一例。
（3）对于有载调压变压器，运行人员可以根据运行需要及时调整分接头位置。当采用分接头自动控制装置（AVR）时，应具有按变压器负荷潮流方向自动确定“降压运行模式”/“升压运行模式”的功能。
4.2，确定主变压器阻抗值是属于接入系统设计内容之一，具体工程中，必须征得接入系统设计和当地电网公司的书面认可，不能擅自决定采用高阻抗主变压器。
参考文献：
[1]分布式电源控制与运行 吴素农 范瑞祥 朱永强等编著[J]总国电力出版社 2012年3月 第一版
[2]新编变压器实用技术问答 朱英浩主编[J]辽宁科学技术出版社 1999年7月 第1版
[3]电力系统分析 何仰赞 温增银 汪馥英等编[J]华中理工大学出版社 1985年5月 第1版
[4]电力系统运行 周立红 著[J]中国水利水电出版社 2004年5月 第1版
[5]选用高阻抗主变压器对火力发电厂的影响[R]魏鹏冲 《导体及电气设备选择文集》2010年9月
作者简介：
1李春蕾（1976年02 月 05日），女，中级工程师，上海人，主要从事发电厂及新能源电气系统的设计与研究。
2．李锡芝（1943年04月08日），男，教授级高工，江苏无锡人，（原）华东电力设计院电气处主任工程师，主要从事发电厂电气系统的设计与研究。
论文作者:李春蕾1, 李锡芝2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：变压器论文; 电压论文; 负荷论文; 绕组论文; 阻抗论文; 高压论文; 发电机论文; 《电力设备》2019年第6期论文;