新型节能变压器在分布式能源系统中的安装适配性研究

一、引言

在全球能源转型和 “双碳” 目标的推动下，分布式能源系统（如太阳能光伏、风能、生物质能等分布式发电装置与储能设备相结合的系统）得到了迅猛发展。变压器作为分布式能源系统中的关键设备，承担着电压变换、能量传递和隔离等重要功能，其性能直接影响系统的安全性、经济性和可靠性。传统变压器存在损耗较高、适应性较差等问题，难以满足分布式能源系统的运行需求。新型节能变压器通过采用新材料、新结构和新工艺，显著降低了空载损耗和负载损耗，同时在抗短路能力、过载能力等方面也有较大提升。因此，开展新型节能变压器在分布式能源系统中的安装适配性研究，对于促进分布式能源系统的健康发展具有重要意义。

二、新型节能变压器的类型及技术特点

（一）非晶合金变压器

非晶合金变压器采用非晶合金材料作为铁芯，非晶合金具有优异的磁性能，其磁化曲线陡峭，磁滞损耗极低。与传统硅钢片变压器相比，非晶合金变压器的空载损耗可降低 70%-80% ，节能效果显著。但非晶合金材料质地较脆，机械强度较低，在制造和运输过程中容易损坏，且其价格相对较高。

（二）立体卷铁心变压器

立体卷铁心变压器的铁心采用三相立体式结构，绕组围绕铁心连续缠绕而成，无接缝，漏磁小，空载损耗和负载损耗均较低。同时，该类型变压器结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积小，安装方便。此外，立体卷铁心变压器的噪声较低，对环境友好。

（三）高温超导变压器

高温超导变压器采用高温超导材料作为绕组，超导材料在临界温度以下具有零电阻特性，可大幅降低绕组的电阻损耗。与传统变压器相比，高温超导变压器的损耗可降低 50% 以上，且具有体积小、容量大等优点。但高温超导变压器需要在低温环境下运行，通常需要配备制冷系统，增加了设备的复杂性和成本，且超导材料的性能稳定性还有待进一步提高。

三、分布式能源系统的结构与运行特性

（一）系统结构特征

分布式能源系统通常由分布式发电单元（如光伏阵列、风力发电机等）、储能单元（如蓄电池、超级电容器等）、负荷单元和控制单元组成。这些单元分散接入配电网，形成了多源、多负荷的复杂网络结构。系统的接入点较多，且位置分散，导致变压器的安装位置和容量选择难度较大。

（二）运行特性

出力波动性：分布式电源的出力受自然条件影响较大，如太阳能光伏出力受光照强度和温度影响，风力发电出力受风速影响，具有较强的随机性和波动性。

负荷多样性：分布式能源系统的负荷包括居民生活负荷、商业负荷、工业负荷等，不同类型负荷的用电特性差异较大，导致负荷变化复杂。

谐波污染：分布式电源中大量使用电力电子设备（如逆变器），会产生谐波，对变压器的运行产生不利影响。

四、分布式能源系统对变压器的特殊要求

（一）节能性要求

分布式能源系统本身以节能、环保为目标，因此对变压器的节能性能要求较高。变压器的损耗应尽可能低，以提高系统的能源利用效率。

（二）适应性要求

抗短路能力：分布式电源的接入可能导致配电网短路电流增大，因此变压器应具有较强的抗短路能力。

过载能力：由于分布式电源出力波动和负荷变化，变压器可能会出现短时过载情况，因此需要具备一定的过载能力。

耐谐波能力：变压器应能承受系统中的谐波电流和谐波电压，避免因

谐波导致的过热和绝缘老化。

（三）安装与维护要求

分布式能源系统的变压器安装位置分散，部分安装环境可能较为恶劣（如户外、屋顶等），因此要求变压器体积小、重量轻，便于运输和安装，同时应具有良好的密封性能和耐环境腐蚀能力，以减少维护工作量。

（四）经济性要求

在满足性能要求的前提下，变压器的投资成本和运行成本应尽可能低，以提高分布式能源系统的经济性。

五、案例分析

以某分布式能源系统为例，该系统包含太阳能光伏电站（容量为500kW）、储能电池（容量为 200kWh）和部分居民及商业负荷。现需为该系统选择合适的新型节能变压器，并评估其安装适配性。

（一）变压器选型

根据系统的容量和运行要求，初步选择了三种新型节能变压器：非晶合金变压器（容量为 630kVA）、立体卷铁心变压器（容量为 630kVA）和高温超导变压器（容量为 630kVA）。

（二）适配性评估

电气性能评估：对三种变压器的损耗特性、电压调整率、短路阻抗和抗谐波能力进行测试和分析。结果显示，高温超导变压器的损耗最低，但抗谐波能力相对较弱；非晶合金变压器和立体卷铁心变压器的损耗次之，抗谐波能力较好。

安装条件评估：非晶合金变压器和立体卷铁心变压器体积和重量较小，适合在该系统的户外安装场地安装；高温超导变压器由于需要配备制冷系统，体积较大，安装难度较大，且对安装环境的温度要求较高。

经济性评估：高温超导变压器的初始投资成本最高，投资回收期较长；非晶合金变压器的初始投资成本次之；立体卷铁心变压器的初始投资成本相对较低，且运行成本也较低，投资回收期最短。

可靠性评估：三种变压器的平均无故障工作时间均能满足系统要求，非晶合金变压器的抗短路能力相对较弱，立体卷铁心变压器和高温超导变压器的抗短路能力和过载能力较强。

（三）评估结果分析

综合考虑各方面因素，立体卷铁心变压器在该分布式能源系统中的安装适配性最佳。其损耗较低，能满足系统的节能要求；体积小、重量轻，安装方便；初始投资和运行成本较低，经济性好；同时具有较好的抗短路能力、过载能力和耐谐波能力，能够适应系统的运行特性。

六、结论

新型节能变压器在分布式能源系统中具有良好的应用前景，但其安装适配性受到多种因素的影响。本文构建的安装适配性评估体系，从电气性能、安装条件、经济性和可靠性等方面对新型节能变压器进行了全面评估。案例分析结果表明，立体卷铁心变压器在该案例的分布式能源系统中适配性最佳，非晶合金变压器和高温超导变压器也各有其适用场景。通过技术、安装运行及政策标准等方面的优化，可以进一步提高新型节能变压器在分布式能源系统中的安装适配性。

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