风力发电场主变压器选择及优化设计

风力发电场主变压器选择及优化设计摘要：随着我国经济建设的快速发展，各行业的不断进步，使得我国对于能 源的需求与日俱增，风能是一种可再生、无污染的清洁能源。风力发电彰显了独 特的优势。在化石燃料日益枯竭的影响下以及人类对全球环境的恶化倍加关注下 自从上世纪七十年代以来大量的资金被投入用于新能源和可再生能源的开发，促 进了经济与社会的进步及资源与环境的协调等问题。关键词：风力发电场；主变压器；选择及优化设计引言电能是我国基础建设中非常重要的基础能源，其发展直接关系到我国各行业 的发展速度和发展方向。随着陆上风电“平价时代”的到来，如何降低风电场投 资成本、提高风电场发电量和整体收益率，成为风电项目投资领域关注的焦点。 影响风电项目投资收益的因素较多，主设备选型、设备集成方案、设计方案、安 装工艺及弃风限电等都会对投资收益产生影响。1 风力发电对电力系统运行的影响通常情况下，由于电力系统特殊的运行情况，风电机组距并网点的距离大不 相同，在末端位置的机组就会有一定的不稳定因素，电力系统的分布就受到了影 响。在大部分电网设计的早期是没有考虑这些的。风机的装机规模越来越大，配 电网电压及并网功率的波动逐步增大，就有可能达到甚至超过临界值，严重的波 动如果不能及时切除，就会进一步引起电网电压严重失调乃至崩溃，最终导致系 统解列，造成大规模停电。当风电机组的运行方式为异步型发电机状态时，处于 发电状态的风电机组就会源源不断地向电网输出有功功率。由于电力系统的同步 性，风电机组还需要从电网中持续吸收无功功率。被风机吸收的无功功率必须得 到补偿，这里就需要无功补偿设备的调节，现阶段比较常用的是动态无功补偿装 置，与其配合使用的还有并联电容器组。功率恢复性是异步型发电机的一种特性 当系统发生短路故障时，如果保护装置不能将故障点及时切除，也同样会出现暂 态电压异常波动的运行状态。随着清洁能源场站新增装机的不断提高，小火电厂 正在逐渐减少，电力系统受到新能源场站不稳定输出功率的影响进一步增加，当 电力系统运行平衡达到不能控制的情况就会发生大规模脱网事故。2 风力发电场主变压器选择及优化设计2.1 主变数量确定主变数量分配应考虑主变的运输情况，分期建设情况，并结合经济技术比较 情况进行。一般情况下，单台主变容量越大，主变数量就越少、主变与其连接的 35kV 设备一次性投资也就越少。但设备运行的灵活性相应降低。若风电场分期开 发，开发周期较长，可能造成前期一次性投资较大，且前期变压器容量选择较大 会造成空载损耗也较大。因此对于 200MW 及以下的单体新建项目，无扩建需求时 宜采用单台或两台主变，采用线变组或单母线的主接线方案。对于单体为 200MW 及以下风电基地项目、合建汇集站的方式时，考虑每个对应的风电场设置单台主 变，汇集站主变高压侧宜采用双母线或者 3/2 接线方案。2.2 主变压器选型主变压器的额定容量根据所连接的风力发电机组的额定容量进行选择，由于某些风力发电场采用单元接线，且单机容量为180MW/225MVA，所以525kV主变压 器的额定容量选择225MVA。主变压器的选型还需要考虑电站的地理位置和交通情 况等运输条件。若采用三相变压器，运输重量将超过1201,受运输条件的限制， 该电站选用满足运输条件的单相变压器， 3 个单相变压器充氮后运输重量为 65t 单相变压器容量为 75MVA，3 台单相变压器组总容量为 225MVA，3 台单相变压器 组成一个三相变压器组。风力发电场大型变压器的冷却方式可采用风冷或水冷。 风冷方式布置和运行维护简单，但噪音较大，对通风散热有一定的要求；水冷方 式冷却效率高、噪音低，但水冷却器受冷却水水质影响较大，且电站需设置相应 加压供水系统，设备及布置较复杂。采用强迫油循环风冷方式为水电站主变压器 冷却方式的原因有如下两点：1.某些风力发电场的水质泥沙含量较高，以至于很 难达到水冷却器的水质要求；2.主变压器布置在半敞开式的通风、散热条件好的 电站副厂房主变压器室内。2.3 同步发电机组并网技术同步发电机组并网技术的实际工作状态能够在形成无功功率的同时实现有功 功率的输出，其周波较为稳定，所产生的电能质量较高，确保终端用电设备的正 常运转，被广泛地运用在电力系统中。但其具有一些弊端，即无法有效控制风速 使得运行转子转矩无法保持稳定运行，并对电力系统产生较大的冲击，降低设备 的使用寿命。同步发电机组并网技术在电力系统实际应用期间，其常常出现运行 所需精度与转子转矩之间不符的问题，降低了电能质量，难以保障最终形成的电 压与电网电压保持一致。另外，若电力系统工作人员在进行并网过程中无法高效 控制该技术，极易出现不同步等问题，造成电能质量的影响。为了扩大同步发电 机组并网技术的运用范围，应借助在电机与电网间安置变频装置技术实现，加快 同步发电机组并网技术的应用速度。2.4 采用低压分裂绕组变压器分裂绕组变压器是指其中一个绕组分裂为两个绕组的双绕组变压器，因此低 压分裂绕组变即指的是低压分裂成双。这两个低压分裂绕组在额定电压、额定功 率以及匝数上都是完全相同的。绕组内的铁芯布置有以下两大特点:一是低压分 裂绕组间短路阻抗较正常运行时大;二是各分裂绕组与高压绕组之间的短路阻抗 较正常运行时小。从而使得分裂绕组变压器同样具有正常运行时阻抗小，短路时 通过电抗器的阻抗大的优点。这样一来，在未发生短路时变压器回路的电能损失 可以进一步减小，而在短路时由于流经短路电流的回路阻抗较大可以很好地完成 限流的目的。因此，风力发电场用变压器以及带两台较小容量发电机的单元接线 一般都建议采用低压分裂绕组变压器来限制短路电流。2.5 基于降损技术的电力变压器设计第一，可以将风力发电场变压器当中的铁芯连接形式进行更改，确保风力发 电场变压器当中的铁芯介质所产生的导磁方向与铁芯连接的方向的一致，通过这 种方法，可以帮助配电变压器降低在电能运输过程中产生的电能反向损耗。第二 可以将配电变压器当中连接的对接角度 90改变为现在的 45，通过调整角度 也可以帮助配电变压器节省损耗。第三，通过对风力发电场变压器采取五级接法 连接铁芯的焊缝处，来进行降低损耗。通过采取这种方式可以帮助配电变压器提 高内部不同组件的熔接联合程度，帮助配电变压器实现最低的能耗损失。第四， 对于风力发电场变压器的加紧方式可以改变传统的闭合加紧方法，采取选择扎带 法来对配电变压器当中的组件实施捆绑，以此来帮助配电变压器减少由于击穿问 题而产生的配电变压器变形的情况。在这个过程中需要注意，对于配电变压器的 磁通密度选择要考虑好实际的经济成本，确保风力发电场变压器在空载工况的情 况下选择损耗率和磁感应强度之间的关系，以此来帮助进一步的降低配电变压器 的磁密造成的耗能损失。结语风电场配套升压站变压器数量应根据装机容量及是否分期建设确定。若无扩 建需求，在开关设备选型满足要求的前提下，选择单台大容量主变，通过减少主 变及相应开关设备数量来减少设备初始投资。参考文献1 水电水利规划设计总院中国可再生能源发展报告2020M.中国水利水电 出版社，2021.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.风力发电场设计规范：GB501962015S.北京：中国计划出版社，2015.3 中华人民共和国国家能源局.大型风电场并网设计技术规范：NB/T310032011S.中国电力出版社，2011.