風電場采用非晶合金變壓器設計探討（電力）

                                  陳海華

                 （福建省電力勘測設計院，福建福州  350003）

摘要：非晶合金具有極優秀的低損耗磁特性，把非晶合金變壓器這一新興產品更全面地應用于風電建設項目,可利用其優良的損耗特性產生可觀的經濟效益和巨大的節能減排效益，從而滿足工程建設和環境保護的共同需求。通過對福建省長樂棋盤山等近20個風電項目的調查，以裝機容量50 MW的某風電場為例．對其6類變壓器的技術指標進行分析，將篩選出的具備使用條件的變壓器更換為非晶合金變壓器，結合全壽命周期成本理論分析，認為采用非晶合金變壓器具有較明顯的技術經濟優勢，同時也具有突出的環保效益。

關鍵詞：風電場；非品合金變壓器：技術經濟比較：全壽命周期成本

中圖分類號：TM41   DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.04.079.04

0引言

    當前環境問題日益突出，正是大力推廣環保型產品的有利時機。非品合金是一種新型的材料．與常規的硅鋼材料相比，非晶合金具有極優秀的低損耗磁特性，是一種非常理想的變壓器鐵芯材料，中國于2005年在《中國節能技術政策大綱》中明確了對非品合金變壓器的推廣。并將其列入國家鼓勵發展的環保產業設備（產品）目錄（第一批），成為新一代節能降耗產品。設計作為工程建設的龍頭，有必要在工程設計中積極嘗試節能環保型新產品，經過合理的分析及比較，采取技術上可行，經濟上合理，安全性可靠，節能環保的方案。

1  非晶合金變壓器特性分析

1,1  空載損耗特性

    非品合金沒有品格和晶界存在，其磁化功率較小，此外，非晶合金帶材的厚度為0.02～0.03mm，僅為硅鋼片的1／10左右，其渦流損耗大大降低。因此，根據對國家標準相關條款的對比．非晶合金的空載損耗僅為硅鋼的25%～40%。

1.2結構特性

    由于非晶合金極薄，且脆而硬．制成鐵芯時對制作工藝的要求較高，在目前的技術水平上，一般推薦采用三相四框五柱式結構，這種結構不適用于Yyn0聯結，以防三相負荷不平衡時引起嚴重的三相電壓失衡，一般采用Dyn11聯結。此外，由于非晶合金的磁通飽和值比硅鋼低，且三相五柱結構中鐵軛和旁柱的磁通比心柱要大1.155倍，為了使非晶合金變壓器能正常工作，其工作磁通的取值比硅鋼低，為1.25～1.4 T，因此非晶合金變壓器的鐵芯和繞組較大。

1.3應力的敏感性

    非晶合金材料對機械應力非常敏感，無論是拉應力還是彎曲應力都會影響其磁性能，損耗也會隨受力增大而迅速上升。非晶合金鐵芯受力后．變壓器的空載損耗一般會增加60%左右。因此，與傳統變壓器不同，非晶合金變壓器不能把鐵芯作為變壓器的骨架，而要采用以繞組為主支撐的形式。

1.4聲功率特性

變壓器的聲功率特性即噪音，主要由鐵芯在主磁通下磁致伸縮而引起的振動產生，其高低取決于鐵芯中的磁通和鐵芯的夾緊程度。由于非品合金材質的磁致伸縮程度比硅鋼高10%，且其帶材薄不宜卷緊防震性能較差，此外，由于非晶合金對應力的高敏感性，鐵芯不能過分夾緊，其聲功率級一般要高于硅鋼鐵芯。但由于非品合金的設計工作磁通較低，對控制噪音效果較好．根據對國家標準相關條款的對比，非晶合金變壓器和干式變壓器的聲功率級是基本一致的．比油浸式變壓器的聲功率高7 dB以內，約為10%。

1.5空載損耗穩定性

    自1982年第1臺非品合金變壓器在美國掛網運行以來，世界各國對非品合金變壓器的性能進行了跟蹤監測，中國從1995年開始也在這方面做了一些試驗，綜合各試驗的結論可以看出，非晶合金變壓器掛網運行后的空載損耗是基本穩定的。

2風電場變壓器分析

    福建省常規風電場一般裝機容量在50 MW以下．風電場的送出電壓等級可取110 kV，35 kV或10 kV。對于大部分風電場的設計，主要涉及主變壓器（下稱主變），升壓站站用變壓器（下稱站用變），無功補償裝置配套變壓器（下稱無功變），接地變壓器（下稱接地變），風機升壓變壓器（下稱升壓變）以及風機閂用變壓器（下稱自用變）等，具體的配置如表1所示。

    主變和升壓變根據風機的額定功率選擇，但通過對福建省長樂棋盤山等近20個風電場的調查發現，風電場年發電小時數一般在2 500～3 200 h，因此主變和升壓變的全年等效負載率相對較低；站用變和自用變是采用換算系數法求得計算負荷后選取，其容量表征了最大可能出現的情況，大部分時段也是運行在一個較低的負載率水平。當風電場使用了降壓的無功裝置時，受風電場無功需求的影響，無功變的負載率經常變化，且其年均負載率也相對較低。接地變的容量主要為了滿足單相短路的工作狀態，正常運行時基本沒有負載，因此其負載率近似為零。變壓器損耗可表示為

    根據某風電場的計算數據，各變壓器的損耗情況如表2所示。

    通過以上分析，可以看出，風電場的各種變壓器由于年均負載率均比較低，其空載損耗比負載損耗要高，在變壓器總損耗中的73.80%是空載損耗，其總量高達主要設備年損耗的44.22%，因此．如果能夠有效控制變壓器的空載損耗，不僅可以減少風電場的能耗，增加經濟效益，而且可以實現節能減排的環保效益。

3風電場采用非晶合金變壓器可性行分析

3.1  技術可行性分析

    風電場涉及的六大類變壓器采用非晶合金變壓器是否合適，要結合非晶合金變壓器的特性以及風電場各類變壓器的參數及具體運行條件綜合考慮。

    (1)主變壓器。受制造水平的約束，當前市場上比較成熟的非晶合金變壓器的電壓等僅能做到35 kV,有實際運行業績的最大容量僅能做到2 500 kV. A,研發水平目前也只到3 300 kV.A，而主變壓器的電壓等級和容量均已經超過當前的制造水平，因此主變壓器暫時還不能采用非品合金變壓器。

    (2)站用變壓器和白用變壓器。兩者皆是典型的配電變壓器，而目前非晶合金變壓器最主要的應用區域就是在配電領域，且兩者各參數水平均在當前制造水平內，兇此可以采用。

    (3)無功配套變壓器。由于無功配套變壓器的容量已經超過_了現有的制造水平，暫時也還不能采用非晶合金變壓器。

    (4)接地變壓器。從電壓等級和容量上看，接地變滿足使用非晶合金的條件，但由于其采用的是ZN接線方式，還要從結構上進行驗證。由于ZN型接線的變壓器要求零序阻抗小，從而就要求零序磁阻較大，一般多采用三相三柱式，而目前非晶合金鐵芯采用三相三柱式需要使用一個大框套兩個小框的形式，工藝要求較高且不是很成熟，暫時認為技術L還不具備使用條件。

    (5)升壓變壓器。由于風機的容量一般小于2 MV .A,僅有少部分風機容量會達到3 MV .A，

而且風電場集電線路一般也在35 kV及以下，從電壓等級和容量上看，是基本滿足要求的。此外，升壓變壓器的鐵芯磁通密度比降壓變低，一般不大于1.3 T,在這一點上有利于使用非晶合金。因此．從技術上分析認為升壓變可以采用非晶合金變壓器。

    經過分析，風電場中站用變壓器、白用變壓器和升壓變壓器在技術方面可以使用非品合金變壓器．這些變壓器在風電場中數量較多，且都存在長期低負載的工作特性，使用非晶合金變壓器能夠有效地減少損耗。

3.2  節能效果分析

    非晶合金變壓器的最大優勢在于其優良的損耗特性．為分析風電場中使用非晶合金的節能效果．本文將對某風電場的情況進行分析。該風電場風機出口電壓為0.69 kV，經升壓變升壓至35 kV后通過集電線路匯流至110 kV升壓站的35 kV母線，然后經一臺110/35 kV的主變壓器升壓至110 kV接入電網，每回集電線路包含6~7組風機．35 kV采用單母線接線方式，110 kV采用線變組接線方式。T程共建設2臺37/0.4 kV，200 kV．A的站用變，  19臺37/0.69 kV，2 400 kV．A的升壓變以及19臺0.69/0.4 kV，80 kV .A的自用變，其節能效果如表3所示。

    通過表3可以看出，使用非品合金變壓器后，風電場相關損耗可以降低63.74萬kW．h，降低一半以上，節能效果非常明顯。

3.3  經濟可行性分析

    曰前非品合金變壓器的價格一般比同等規格的硅鋼鐵芯變壓器高50%以上，因此產品高售價一直成為其推廣的主要制約因素。但丁程建設應該從全壽命的角度來綜合考慮其經濟可行性。以福建省某風電場T程為例，如將站用變、白用變、升壓變改成非晶合金變壓器，則其全壽命經濟成本與硅鋼鐵芯變壓器相比如表4所示。

    從以上分析可以看出，雖然非品合金變壓器的一次投資費用比硅鋼變壓器高451.3萬元，但由于其在損耗費用上30年可折現減少499.03萬元．從工程全壽命周期成本的角度，30年總費用非品合金變壓器還是比硅鋼變壓器少59.58萬元。而且從全社會成本分析的角度出發，由節能所產生的費用不僅僅是其消耗的電能，還應考慮可避免成本和碳減排效益，以碳減排效益計算時非晶合金每年可以產生1 417.42萬元的CDM費用，在30年工程全壽命周期內，更是高達1.82億元，經濟效益是非常巨大的。從全社會成本的角度出發，非晶合金變壓器的優越性明顯。

3.4綜合比較

    由于受到當前制造水平的影響，在電壓等級，容量以及結構形式等方面，非晶合金變壓器的選擇還受到一定限制。在風電場中，目前站用變、自用變、升壓變已經具備使用非晶合金變壓器的技術條件。從經濟角度上分析，盡管非晶合金變壓器的設備費用目前還比較高，由于其節能效果顯著，從綜合全壽命周期成本來分析，還是與傳統硅鋼變壓器水平相當的，且其產生的環保效益非常巨大，若以全社會成本的角度考量則具有明顯優勢。

4結語

    非晶合金變壓器是一種先進且富有生命力的設備，隨著市場的逐步推廣，成本將進一步下降，其全面取代傳統硅鋼變壓器的前景是可以預見的。因此在現階段技術經濟比較合理的前提下，應該積極主動地在風電場中使用，積累運行經驗，同時促使設備制造商進行更進一步的產品開發，以求早日在風電場建設中全面使用非晶合金變壓器。

    目前非品合金變壓器在風電場的推廣情況并不樂觀．主要因為工程投資方更多關注的是項目本身利益而不是全社會成本，此外對節能減排等環保意識的不足也影響了投資決策。為了要改變這一現狀，要引導投資者重視全壽命周期成本及全社會成本，同時，投資者也可以實施CDM項目．從而獲得在環境保護方面的投資同報。