分布式发电接入与谐波畸变下变压器绝缘寿命研究：技术、经济与环境评估

《IEEE Access》：Study of Transformer Insulation Life Under Distributed Generation Insertion and Harmonic Distortions: Technical, Economic, and Environmental Assessment

　　

本研究在考虑技术、经济与环境维度的前提下，探讨了分布式发电(DG)接入及谐波畸变（尤其是光伏(PV)系统）条件下的变压器绝缘寿命(TIL)。尽管DG可降低变压器负载，但基于逆变器的发电和非线性负载引入了谐波畸变，改变了损耗机理与热行为。与将负载、谐波效应和热老化分别评估的传统方法不同，本研究通过将DG渗透水平与谐波频谱、变压器损耗分量、热响应和绝缘退化明确关联，整合了上述各个方面。谐波损耗按照IEEE Std C57.110进行评估，并与主要基于IEEE Std C57.91（与IEC 60076-7一致）的热老化模型相结合，以估算非正弦运行条件下的热点温度和TIL。分析在OpenDSS中建模的代表性配电馈线上进行，并在PyCharm中自动化，使用基于测量的负载曲线和24小时运行周期内多个DG渗透水平的谐波数据。经济和环境影响通过净现值(NPV)和与变压器损耗相关的生命周期排放分析纳入。结果揭示了DG渗透与TIL之间的非单调关系。中等DG水平降低了负载并延长了TIL，而较高渗透水平增加了谐波相关损耗，并在超过中间DG渗透范围后逐渐加速绝缘老化。采用基于分解的分析评估了负载降低与谐波诱发损耗的相对影响。确定了一个中间DG渗透范围，在该范围内变压器寿命、生命周期成本和排放得到联合改善。

研究背景与现存问题：全球电力行业正经历由脱碳目标和技术进步驱动的深刻转型，分布式发电(DG)特别是光伏(PV)系统增长迅猛。国际可再生能源机构数据显示，2024年全球光伏装机容量达1893 GW，预计到2030年PV型DG将达到546 GW，约占光伏总装机的60%。然而，大规模逆变器接入低压配电网引入了谐波畸变、反向潮流和功率因数变化等问题。谐波畸变产生频率相关的附加损耗，改变变压器热行为；在高DG渗透下，负载降低与谐波损耗同时存在，使变压器绝缘老化评估趋于复杂。已有研究多聚焦电压调节、功率损耗或接纳能力，未将变压器绝缘寿命(TIL)作为DG规划的核心变量，且各因素间的相互作用缺乏定量分析。为此，研究人员开展了本研究，系统评估不同DG渗透水平下谐波畸变对TIL的影响，并拓展至经济与环境维度，论文发表于《IEEE Access》。

研究人员以一台112.5 kVA配电变压器供电的代表性低压馈线为对象，在OpenDSS中建模并通过PyCharm自动化，输入数据采用符合IEC 61000-4-30的Class A电能质量分析仪一周实测并聚合为10分钟间隔的负载与谐波曲线；PV容量以20 kWp步长从0增至240 kWp。研究人员将基于IEEE Std C57.110的谐波损耗计算与基于IEEE Std C57.91/IEC 60076-7的热老化模型相耦合，并结合净现值(NPV)与生命周期排放分析。结果表明DG渗透与TIL呈非单调关系：中等渗透水平(约120–140 kWp)降低负载、延长TIL；高渗透水平因谐波相关损耗增大而加速绝缘老化。该研究在统一框架中整合了电气、热、经济与环境评估，为配电网规划提供了谐波感知的变压器老化评估工具。

主要关键技术方法：(1) OpenDSS时序潮流与谐波潮流仿真，经py-dss-interface库在PyCharm中自动化；(2) 依据IEEE Std C57.110的谐波损耗计算，将负载损耗分解为I²R、绕组涡流损耗和其他杂散损耗，引入谐波损耗因子F_HL与F_HL-STR；(3) 基于IEEE Std C57.91的热模型，由等效负载循环(ELC)和温升方程计算热点温度τ_hs；(4) 基于Arrhenius型方程的老化模型计算绝缘寿命损耗百分比LOL(%)；(5) NPV经济分析与简化生命周期评估(LCA)（电网排放因子0.1 kgCO₂/kWh，每台变压器内含排放1500 kgCO₂）。实测数据来自与参与合作的电力公司所辖馈线。

研究结果：

A. 电气结果：通过时序仿真发现，随DG渗透增加，变压器净负载在日间逐渐减小，功率因数出现显著时段性变化。总损耗呈非单调行为，在100–140 kWp区间最低；对比实测谐波条件与理想正弦条件，谐波畸变持续引入附加损耗，其相对贡献具有明显时间变异性。热点温度与逐时绝缘寿命损耗随之变化，TIL在约120–140 kWp区间达到最大。对负载、THDi和环境温度曲线进行±10%敏感性分析，所有场景均复现相同的非单调行为，最优DG渗透区间基本不变，验证了方法的稳健性。

B. 经济结果：以180,000小时（约20.53年）为运行周期，采用0.10 USD/kWh电价、6%折现率和4000 USD更换成本进行NPV分析，中等DG渗透水平(100–140 kWp)下NPV最低；高渗透水平因TIL缩短、更换次数增加而使NPV回升。

C. 环境评估与生命周期考虑：以单台变压器运行180,000小时为功能单元进行简化LCA，年运行排放与总生命周期排放均在中等DG渗透范围内最低；内含排放与运行排放的分解分析表明，高渗透水平下更换台数增加使总排放回升。环境结果与电气、经济分析呈现一致的总体趋势